王俊姬 鞠少棟 王新濤 王世強(qiáng)
【摘 要】 高壓磨料射流切割技術(shù)已經(jīng)成為海上油氣生產(chǎn)設(shè)施棄置的有效手段,但是對(duì)于切割效果的判斷僅能依靠經(jīng)驗(yàn),無法準(zhǔn)確獲取井下切割情況。依托公司現(xiàn)有的超高壓磨料射流切割技術(shù),自主研制一套水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可有效地監(jiān)測(cè)井下套管切割狀況,并準(zhǔn)確判斷套管是否完全切透,提高了切割效率。
【關(guān)鍵詞】 水下切割 聲波檢測(cè) 數(shù)據(jù)采集
目前,中海油所擁有的部分工程設(shè)施按設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)達(dá)到或接近拆除期,到2020年,幾乎所有2002年以前建設(shè)的油氣田,都將進(jìn)入廢棄期。由于廢棄井口往往由多層套管和隔水管膠結(jié)在一起且可能存在偏心,并且需要在海床以下5m處進(jìn)行切割,因此磨料射流切割技術(shù)成為廢棄井口與隔水管切割的有效手段[1]。但是對(duì)于切割效果的判斷僅能依靠經(jīng)驗(yàn),無法準(zhǔn)確獲取井下切割情況。本文以水下切割套管聲波監(jiān)測(cè)為研究重點(diǎn),開展在強(qiáng)背景噪聲下微弱信號(hào)處理技術(shù)的研究,設(shè)計(jì)一套水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可有效地監(jiān)測(cè)井下套管切割狀況,并準(zhǔn)確判斷套管是否完全切透。該系統(tǒng)可與中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司自主研發(fā)的高壓磨料射流切割系統(tǒng)配套使用,顯著提高了切割效率,降低作業(yè)成本,應(yīng)用前景廣闊。
1 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨料撞擊套管過程中的聲波和振動(dòng)信號(hào),并通過提供的多種信號(hào)處理方法,消除外部干擾信號(hào)的影響,獲取套管是否被切透的相關(guān)信息,并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù),離線回放現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括五個(gè)部分:PC機(jī)、機(jī)箱、傳感器、井下轉(zhuǎn)接盒和監(jiān)測(cè)軟件,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)磨料撞擊套管管壁信號(hào)的采集及其預(yù)處理。其中,井下轉(zhuǎn)接盒用于將傳感器自帶信號(hào)傳輸線與八芯同軸電纜進(jìn)行連接,將信號(hào)傳輸?shù)降孛鏅C(jī)箱進(jìn)行預(yù)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(huán)境,地面機(jī)箱由電源、電荷放大器、單片機(jī)組成,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的預(yù)處理。
2 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)分為井上系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩部分,井上系統(tǒng)和井下系統(tǒng)由電纜相互連接,井下系統(tǒng)包含5個(gè)傳感器,分別為兩個(gè)聲波傳感器、一個(gè)振動(dòng)傳感器、一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)角度傳感器,其中聲波傳感器、振動(dòng)傳感器和壓力傳感器是無源傳感器,僅將信號(hào)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(jī)箱。角度傳感器單獨(dú)通過一個(gè)4芯電纜與地面機(jī)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(tǒng)還包括一個(gè)井下轉(zhuǎn)接盒,主要用于將傳感器自帶信號(hào)傳輸線與八芯同軸電纜進(jìn)行連接,將信號(hào)傳輸?shù)降孛鏅C(jī)箱進(jìn)行預(yù)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(huán)境。
井上系統(tǒng)由地面機(jī)箱和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成,地面機(jī)箱主要由電源、電荷放大器、單片機(jī)組成,開關(guān)電源給3個(gè)電荷放大器和單片機(jī)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(dòng)傳感器和壓力傳感器信號(hào)放大后傳遞給單片機(jī),單片機(jī)將這幾路信號(hào)收集后并與角度傳感器的數(shù)據(jù)匯總到一起,通過USB線傳遞給上位機(jī)。
3 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)軟件主要是由LabVIEW語言編寫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件,該軟件對(duì)由單片機(jī)發(fā)送到串口上的信息進(jìn)行收集分析,并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,將結(jié)果顯示在界面上。
數(shù)據(jù)保存模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的保存,采用的是自動(dòng)保存方式。數(shù)據(jù)處理模塊通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析與相應(yīng)的處理,通過指示燈和蜂鳴器進(jìn)行切斷與未切斷的顯示。數(shù)據(jù)處理模塊下面包含處理方法選擇設(shè)置、濾波器參數(shù)設(shè)置、小波變換參數(shù)設(shè)置三個(gè)模塊。處理方法選擇中有五種處理方法進(jìn)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(shí)域分析方法等。此外,采用相應(yīng)的處理方法后,需要進(jìn)行相應(yīng)的濾波器參數(shù)的設(shè)置及小波變換參數(shù)的設(shè)置。
信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)包括3路信號(hào),分別是出砂信號(hào)、流量、壓力。采集管道中流體的實(shí)時(shí)流量,為計(jì)算出砂量所用;壓力測(cè)量是為了檢測(cè)管道中流體對(duì)管壁的壓力,及時(shí)提供過壓報(bào)警信息,因?yàn)槌碛土鲃?dòng)性差,以防管道堵塞,引起壓力過大產(chǎn)生危險(xiǎn)。
4 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地面試驗(yàn)
通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,井下系統(tǒng)運(yùn)行良好,各個(gè)傳感器工作正常,性能穩(wěn)定,有效的監(jiān)測(cè)到了相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)和聲波信號(hào)。井上系統(tǒng)的地面機(jī)箱在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境下工作正常,機(jī)箱內(nèi)部電路性能穩(wěn)定,安裝在切割工具上的兩路聲波傳感器能夠監(jiān)測(cè)相應(yīng)的超聲波信號(hào),并由機(jī)箱進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、放大等預(yù)處理,然后傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件,通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件上的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理,識(shí)別后提取有用的切割信號(hào),利用模型計(jì)算出切割進(jìn)度等,并將信號(hào)及相應(yīng)的切割進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,進(jìn)而判斷切割狀況。
磨料射流噴射到水中檢測(cè)到的聲波信號(hào)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(cè)到的聲波信號(hào)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(hào)處理軟件顯示結(jié)果表明整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求,可應(yīng)用于井下切割套管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。
結(jié) 論
本文針對(duì)海上油氣井套管切割作業(yè)開發(fā)了一套水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水下切割套管試驗(yàn)聲波采集測(cè)試表明磨料射流撞擊套管聲波頻率明顯大于其在水中運(yùn)動(dòng)的聲波頻率,水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求,可應(yīng)用于井下切割套管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 張曉, 馬春杰, 崔航等. 高壓水磨料射流內(nèi)切割技術(shù)的廢棄平臺(tái)拆除應(yīng)用[J]. 船舶設(shè)計(jì)與建造, 2012, 35(8): 23-25.
作者簡(jiǎn)介:王俊姬(1983-),女,山東煙臺(tái)人,工程師,從事海洋石油鉆完井工藝技術(shù)及配套工具研究。