海上套管切割监测系统研制

王俊姬 鞠少栋 王新涛 王世强

【摘 要】 高压磨料射流切割技术已经成为海上油气生产设施弃置的有效手段，但是对于切割效果的判断仅能依靠经验，无法准确获取井下切割情况。依托公司现有的超高压磨料射流切割技术，自主研制一套水下切割监测系统，可有效地监测井下套管切割状况，并准确判断套管是否完全切透，提高了切割效率。

【关键词】 水下切割 声波检测 数据采集

目前，中海油所拥有的部分工程设施按设计寿命已经达到或接近拆除期，到2020年，几乎所有2002年以前建设的油气田，都将进入废弃期。由于废弃井口往往由多层套管和隔水管胶结在一起且可能存在偏心，并且需要在海床以下5m处进行切割，因此磨料射流切割技术成为废弃井口与隔水管切割的有效手段[1]。但是对于切割效果的判断仅能依靠经验，无法准确获取井下切割情况。本文以水下切割套管声波监测为研究重点，开展在强背景噪声下微弱信号处理技术的研究，设计一套水下切割监测系统，可有效地监测井下套管切割状况，并准确判断套管是否完全切透。该系统可与中海油能源发展工程技术公司自主研发的高压磨料射流切割系统配套使用，显著提高了切割效率，降低作业成本，应用前景广阔。

1 水下切割监测系统方案设计

水下切割监测系统主要实现实时监测磨料撞击套管过程中的声波和振动信号，并通过提供的多种信号处理方法，消除外部干扰信号的影响，获取套管是否被切透的相关信息，并实时存储测试数据，离线回放现场测试数据，实现对数据的进一步分析。

监测系统主要包括五个部分：PC机、机箱、传感器、井下转接盒和监测软件，主要实现对磨料撞击套管管壁信号的采集及其预处理。其中，井下转接盒用于将传感器自带信号传输线与八芯同轴电缆进行连接，将信号传输到地面机箱进行预处理，并需保证防水性、抗压性、体积等方面适用于100米水深的海洋环境，地面机箱由电源、电荷放大器、单片机组成，实现信号的预处理。

2 水下切割监测系统硬件设计

整个系统分为井上系统和井下系统两部分，井上系统和井下系统由电缆相互连接，井下系统包含5个传感器，分别为两个声波传感器、一个振动传感器、一个压力传感器和一个角度传感器，其中声波传感器、振动传感器和压力传感器是无源传感器，仅将信号线和地线连接到安装在井下切割工具的井下接线盒中。井下接线盒另一端接出8芯同轴电缆，该同轴电缆可与另一段8芯同轴电缆用防水16芯接头相连， 8芯同轴电缆另一端同样通过16芯接头连接到地面机箱。角度传感器单独通过一个4芯电缆与地面机箱相连，其中1路用于给角度传感器供电，另外3路用于RS485通信。井下系统还包括一个井下转接盒，主要用于将传感器自带信号传输线与八芯同轴电缆进行连接，将信号传输到地面机箱进行预处理，并需保证防水性、抗压性、体积等方面适用于100米水深以上的海洋环境。

井上系统由地面机箱和计算机软件构成，地面机箱主要由电源、电荷放大器、单片机组成，开关电源给3个电荷放大器和单片机供电，电荷放大器与16芯插头相连，将放大的声波传感器振动传感器和压力传感器信号放大后传递给单片机，单片机将这几路信号收集后并与角度传感器的数据汇总到一起，通过USB线传递给上位机。

3 水下切割监测系统软件设计

计算机软件主要是由LabVIEW语言编写的监测系统软件，该软件对由单片机发送到串口上的信息进行收集分析，并對其进行相应的数据处理，将结果显示在界面上。

数据保存模块将采集的数据进行实时的保存，采用的是自动保存方式。数据处理模块通过对数据的分析与相应的处理，通过指示灯和蜂鸣器进行切断与未切断的显示。数据处理模块下面包含处理方法选择设置、滤波器参数设置、小波变换参数设置三个模块。处理方法选择中有五种处理方法进行选择，五种方法为小波方法、巴特沃斯方法、小波+巴特沃斯方法、巴特沃斯+小波方法以及时域分析方法等。此外，采用相应的处理方法后，需要进行相应的滤波器参数的设置及小波变换参数的设置。

信号处理电路结构包括3路信号，分别是出砂信号、流量、压力。采集管道中流体的实时流量，为计算出砂量所用；压力测量是为了检测管道中流体对管壁的压力，及时提供过压报警信息，因为稠油流动性差，以防管道堵塞，引起压力过大产生危险。

4 水下切割监测系统地面试验

通过现场测试，井下系统运行良好，各个传感器工作正常，性能稳定，有效的监测到了相应的振动信号和声波信号。井上系统的地面机箱在现场测试环境下工作正常，机箱内部电路性能稳定，安装在切割工具上的两路声波传感器能够监测相应的超声波信号，并由机箱进行实时滤波、放大等预处理，然后传递给监测系统软件，通过监测系统软件上的数据处理功能对该信号进行相应的处理，识别后提取有用的切割信号，利用模型计算出切割进度等，并将信号及相应的切割进度进行实时显示，进而判断切割状况。

磨料射流喷射到水中检测到的声波信号及其处理后的功率谱和频谱如图1所示，该声波频率为450Hz左右，而磨料射流撞击套管检测到的声波信号及其处理后的功率谱和频谱如图2所示，该声波频率增加到1550Hz左右。声波信号处理软件显示结果表明整个检测系统满足现场应用要求，可应用于井下切割套管现场作业。

结 论

本文针对海上油气井套管切割作业开发了一套水下切割监测系统。水下切割套管试验声波采集测试表明磨料射流撞击套管声波频率明显大于其在水中运动的声波频率，水下切割监测系统满足现场应用要求，可应用于井下切割套管现场作业。

【参考文献】

[1] 张晓， 马春杰， 崔航等. 高压水磨料射流内切割技术的废弃平台拆除应用[J]. 船舶设计与建造， 2012， 35（8）： 23-25.

作者简介：王俊姬（1983-），女，山东烟台人，工程师，从事海洋石油钻完井工艺技术及配套工具研究。