海上套管切割監測系統研制

王俊姬 鞠少棟 王新濤 王世強

【摘 要】 高壓磨料射流切割技術已經成為海上油氣生產設施棄置的有效手段，但是對于切割效果的判斷僅能依靠經驗，無法準確獲取井下切割情況。依托公司現有的超高壓磨料射流切割技術，自主研制一套水下切割監測系統，可有效地監測井下套管切割狀況，并準確判斷套管是否完全切透，提高了切割效率。

【關鍵詞】 水下切割 聲波檢測 數據采集

目前，中海油所擁有的部分工程設施按設計壽命已經達到或接近拆除期，到2020年，幾乎所有2002年以前建設的油氣田，都將進入廢棄期。由于廢棄井口往往由多層套管和隔水管膠結在一起且可能存在偏心，并且需要在海床以下5m處進行切割，因此磨料射流切割技術成為廢棄井口與隔水管切割的有效手段[1]。但是對于切割效果的判斷僅能依靠經驗，無法準確獲取井下切割情況。本文以水下切割套管聲波監測為研究重點，開展在強背景噪聲下微弱信號處理技術的研究，設計一套水下切割監測系統，可有效地監測井下套管切割狀況，并準確判斷套管是否完全切透。該系統可與中海油能源發展工程技術公司自主研發的高壓磨料射流切割系統配套使用，顯著提高了切割效率，降低作業成本，應用前景廣闊。

1 水下切割監測系統方案設計

水下切割監測系統主要實現實時監測磨料撞擊套管過程中的聲波和振動信號，并通過提供的多種信號處理方法，消除外部干擾信號的影響，獲取套管是否被切透的相關信息，并實時存儲測試數據，離線回放現場測試數據，實現對數據的進一步分析。

監測系統主要包括五個部分：PC機、機箱、傳感器、井下轉接盒和監測軟件，主要實現對磨料撞擊套管管壁信號的采集及其預處理。其中，井下轉接盒用于將傳感器自帶信號傳輸線與八芯同軸電纜進行連接，將信號傳輸到地面機箱進行預處理，并需保證防水性、抗壓性、體積等方面適用于100米水深的海洋環境，地面機箱由電源、電荷放大器、單片機組成，實現信號的預處理。

2 水下切割監測系統硬件設計

整個系統分為井上系統和井下系統兩部分，井上系統和井下系統由電纜相互連接，井下系統包含5個傳感器，分別為兩個聲波傳感器、一個振動傳感器、一個壓力傳感器和一個角度傳感器，其中聲波傳感器、振動傳感器和壓力傳感器是無源傳感器，僅將信號線和地線連接到安裝在井下切割工具的井下接線盒中。井下接線盒另一端接出8芯同軸電纜，該同軸電纜可與另一段8芯同軸電纜用防水16芯接頭相連， 8芯同軸電纜另一端同樣通過16芯接頭連接到地面機箱。角度傳感器單獨通過一個4芯電纜與地面機箱相連，其中1路用于給角度傳感器供電，另外3路用于RS485通信。井下系統還包括一個井下轉接盒，主要用于將傳感器自帶信號傳輸線與八芯同軸電纜進行連接，將信號傳輸到地面機箱進行預處理，并需保證防水性、抗壓性、體積等方面適用于100米水深以上的海洋環境。

井上系統由地面機箱和計算機軟件構成，地面機箱主要由電源、電荷放大器、單片機組成，開關電源給3個電荷放大器和單片機供電，電荷放大器與16芯插頭相連，將放大的聲波傳感器振動傳感器和壓力傳感器信號放大后傳遞給單片機，單片機將這幾路信號收集后并與角度傳感器的數據匯總到一起，通過USB線傳遞給上位機。

3 水下切割監測系統軟件設計

計算機軟件主要是由LabVIEW語言編寫的監測系統軟件，該軟件對由單片機發送到串口上的信息進行收集分析，并對其進行相應的數據處理，將結果顯示在界面上。

數據保存模塊將采集的數據進行實時的保存，采用的是自動保存方式。數據處理模塊通過對數據的分析與相應的處理，通過指示燈和蜂鳴器進行切斷與未切斷的顯示。數據處理模塊下面包含處理方法選擇設置、濾波器參數設置、小波變換參數設置三個模塊。處理方法選擇中有五種處理方法進行選擇，五種方法為小波方法、巴特沃斯方法、小波+巴特沃斯方法、巴特沃斯+小波方法以及時域分析方法等。此外，采用相應的處理方法后，需要進行相應的濾波器參數的設置及小波變換參數的設置。

信號處理電路結構包括3路信號，分別是出砂信號、流量、壓力。采集管道中流體的實時流量，為計算出砂量所用；壓力測量是為了檢測管道中流體對管壁的壓力，及時提供過壓報警信息，因為稠油流動性差，以防管道堵塞，引起壓力過大產生危險。

4 水下切割監測系統地面試驗

通過現場測試，井下系統運行良好，各個傳感器工作正常，性能穩定，有效的監測到了相應的振動信號和聲波信號。井上系統的地面機箱在現場測試環境下工作正常，機箱內部電路性能穩定，安裝在切割工具上的兩路聲波傳感器能夠監測相應的超聲波信號，并由機箱進行實時濾波、放大等預處理，然后傳遞給監測系統軟件，通過監測系統軟件上的數據處理功能對該信號進行相應的處理，識別后提取有用的切割信號，利用模型計算出切割進度等，并將信號及相應的切割進度進行實時顯示，進而判斷切割狀況。

磨料射流噴射到水中檢測到的聲波信號及其處理后的功率譜和頻譜如圖1所示，該聲波頻率為450Hz左右，而磨料射流撞擊套管檢測到的聲波信號及其處理后的功率譜和頻譜如圖2所示，該聲波頻率增加到1550Hz左右。聲波信號處理軟件顯示結果表明整個檢測系統滿足現場應用要求，可應用于井下切割套管現場作業。

結 論

本文針對海上油氣井套管切割作業開發了一套水下切割監測系統。水下切割套管試驗聲波采集測試表明磨料射流撞擊套管聲波頻率明顯大于其在水中運動的聲波頻率，水下切割監測系統滿足現場應用要求，可應用于井下切割套管現場作業。

【參考文獻】

[1] 張曉， 馬春杰， 崔航等. 高壓水磨料射流內切割技術的廢棄平臺拆除應用[J]. 船舶設計與建造， 2012， 35（8）： 23-25.

作者簡介：王俊姬（1983-），女，山東煙臺人，工程師，從事海洋石油鉆完井工藝技術及配套工具研究。