于志軍 賈海平 張清龍 劉丹 王文軍 蒲曉莉 黃立華

(1.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司 2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司)

0 引 言

近10年來，我國連續(xù)管技術(shù)及裝備在油氣田開發(fā)領(lǐng)域取得了跨越式的發(fā)展[1]。長慶地區(qū)自采用連續(xù)管技術(shù)以來，作業(yè)總量保持了年均20%的高速增長，連續(xù)管作業(yè)技術(shù)已經(jīng)成為長慶油田降本增效、提升產(chǎn)量的主要技術(shù)手段。連續(xù)管技術(shù)在長慶油田地區(qū)的應(yīng)用大致經(jīng)歷兩個(gè)階段：第一階段，主要采用國外連續(xù)管裝備，作業(yè)主要以速度管柱和沖砂等簡單工藝為主；第二階段，主要采用國產(chǎn)連續(xù)管作業(yè)裝備，作業(yè)范圍更廣，工藝難度更大，主要以速度管柱、沖砂、洗井、鉆磨以及壓裂等為主[2]。

目前，雖然我國連續(xù)管裝備水平取得了長足的進(jìn)步，但連續(xù)管在應(yīng)用過程中還存在諸多不足[3]：①連續(xù)管裝備操作程序復(fù)雜，對現(xiàn)場操作人員要求高，容易出現(xiàn)操作不規(guī)范、維護(hù)不充分的情況，缺少及時(shí)的技術(shù)支持；②連續(xù)管裝備檢修、維護(hù)保養(yǎng)方案缺乏合理及時(shí)的安排，經(jīng)常因任務(wù)繁重而忽略或推遲對裝備的維護(hù)檢修，造成連續(xù)管裝備帶故障作業(yè)；③作業(yè)工藝復(fù)雜，現(xiàn)場不可預(yù)計(jì)情況多，異常情況出現(xiàn)時(shí)，現(xiàn)場人員處理不科學(xué)、不準(zhǔn)確等；④連續(xù)管安全使用缺乏科學(xué)合理的指導(dǎo)，導(dǎo)致連續(xù)管使用率較低而造成浪費(fèi)，或過度使用造成失效，從而產(chǎn)生極大的人力和財(cái)力損失。

針對上述情況，中國石油川慶鉆探工程表限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司與中石油江漢機(jī)械研究所有限公司合作，開展了連續(xù)管裝備信息化管理相關(guān)技術(shù)研究，研制了連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

為了切實(shí)提高連續(xù)管技術(shù)應(yīng)用的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管裝備的信息化管理，采用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)診斷技術(shù)

連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)診斷采用的是storm大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析技術(shù)[4-5]。該技術(shù)利用連續(xù)管數(shù)據(jù)共享平臺，收集大量連續(xù)管作業(yè)歷史數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析、挖掘，建立作業(yè)數(shù)據(jù)診斷規(guī)則庫，將規(guī)則庫與作業(yè)裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)診斷。

利用作業(yè)數(shù)據(jù)規(guī)則庫實(shí)現(xiàn)故障診斷方法如圖1所示。將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集參量作為作業(yè)數(shù)據(jù)診斷庫輸入?yún)⒘俊⑺休斎雲(yún)⒘?包括深度、速度、井口壓力、載荷、循環(huán)壓力、注入頭先導(dǎo)、注入頭剎車、注入頭夾緊和滾筒剎車等)傳輸至作業(yè)數(shù)據(jù)診斷庫。作業(yè)數(shù)據(jù)診斷庫需要針對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗與去噪，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量良好，便于后續(xù)診斷。

圖1 作業(yè)數(shù)據(jù)故障診斷Fig.1 Fault diagnosis by operation data

作業(yè)數(shù)據(jù)診斷庫具體診斷分為：①針對每個(gè)參量進(jìn)行上下超限判別；②針對每個(gè)參量數(shù)據(jù)變化率判別；③針對特定參量頻率特性判別；④針對組合參量控制邏輯判別，根據(jù)作業(yè)裝備多個(gè)作業(yè)參量的狀態(tài)，判斷作業(yè)狀態(tài)是否正常，判斷當(dāng)前是否發(fā)生遇阻、遇卡及溜管等異常狀態(tài)。

所有輸入?yún)⒘拷?jīng)過作業(yè)數(shù)據(jù)診斷庫4個(gè)層級的判別，如果每層判別結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常，則判定當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)無故障；如果某一層級判定結(jié)果異常，則可輸出故障判斷結(jié)果及產(chǎn)生異?？赡艿脑颉Ｈ绻l(fā)生遇阻、遇卡及溜管等緊急狀況，可以采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

1.2 連續(xù)管壽命綜合評估技術(shù)

連續(xù)管壽命綜合評估技術(shù)主要利用連續(xù)管疲勞損耗、局部缺陷以及壁厚減薄狀況來評估連續(xù)管使用壽命，對應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括連續(xù)管在役檢測技術(shù)和連續(xù)管疲勞壽命預(yù)測技術(shù)。

連續(xù)管在役檢測主要采用漏磁檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管缺陷和壁厚檢測[6]，其基本原理如圖2所示。利用永磁體對待測管體進(jìn)行軸向磁化。如果待測管體無局部缺陷，則管壁外產(chǎn)生的漏磁場穩(wěn)定且強(qiáng)度低；如果待測管體存在不同程度的局部缺陷，則管壁外漏磁場強(qiáng)度也會發(fā)生相應(yīng)變化。將電磁感應(yīng)元件放置在待測連續(xù)管壁外近表面，感應(yīng)元件可以測量漏磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，根據(jù)變化幅值大小可判斷是否存在局部缺陷和缺陷的嚴(yán)重程度。連續(xù)管壁厚檢測采用磁橋設(shè)計(jì)，電磁感應(yīng)元件放置于連鐵片的中間(見圖2)，通過檢測此位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化就可以知道連續(xù)管當(dāng)前位置的壁厚變化。

1—連續(xù)管；2—連鐵；3—永磁體。

連續(xù)管疲勞壽命預(yù)測的核心是建立疲勞壽命損耗預(yù)測模型。建立疲勞壽命損耗預(yù)測模型的方法如圖3所示。根據(jù)連續(xù)管彎折的瞬態(tài)受力變化，建立連續(xù)管現(xiàn)場作業(yè)物理模型；根據(jù)連續(xù)管的直徑、壁厚、彎曲半徑、壓力和屈服強(qiáng)度等參數(shù)，可以建立與無量綱參數(shù)ε、σ相關(guān)的連續(xù)管壽命損耗數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示。

N=f1(ε,σ,a,b,c)

(1)

式中：N為此規(guī)格連續(xù)管固定狀態(tài)可彎折的總次數(shù)；ε為標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)變大小，無量綱；σ為標(biāo)準(zhǔn)化周向應(yīng)力，無量綱；a、b、c為模型算法擬合常數(shù)，無量綱。

利用連續(xù)管疲勞試驗(yàn)機(jī)，對特定規(guī)格連續(xù)管進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并采用多維曲線擬合技術(shù)，可以確定該規(guī)格連續(xù)管模型擬合常數(shù)a、b、c，則疲勞壽命模型為：

N=f(ε,σ)

(2)

考慮不同連續(xù)管焊接與腐蝕的影響，獲取連續(xù)管單次疲勞壽命損耗模型，修正后如式(3)所示。

N=KcKsf(ε,σ)

(3)

式中：Kc、Ks分別表示腐蝕系數(shù)和焊接系數(shù)。

利用式(3)可以計(jì)算出單次彎折疲勞壽命損耗D為：

(4)

圖3 連續(xù)管疲勞壽命預(yù)測模型建立流程Fig.3 Process of building coiled tubing fatigue life prediction model

計(jì)算連續(xù)管出廠以來每次現(xiàn)場作業(yè)或場地操作的疲勞壽命損耗并累加，可以獲得連續(xù)管整體疲勞使用狀況，進(jìn)而預(yù)測連續(xù)管剩余疲勞壽命。

利用連續(xù)管數(shù)據(jù)共享平臺，對連續(xù)管整個(gè)使用周期內(nèi)的缺陷、壁厚變化及疲勞使用狀況進(jìn)行管理分析，建立連續(xù)管缺陷、壁厚變化、疲勞使用狀況與使用壽命的關(guān)聯(lián)，使連續(xù)管檢測與連續(xù)管疲勞使用結(jié)果成為連續(xù)管科學(xué)使用的重要參考。

2 連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)

結(jié)合以上關(guān)鍵技術(shù)，筆者將每臺連續(xù)管作業(yè)裝備作為信息終端，采用了無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)建連續(xù)管數(shù)據(jù)共享管理中心，研制了連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)管裝備及作業(yè)多層級、多角色的信息化管理。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。每臺連續(xù)管作業(yè)裝備及每盤連續(xù)管作為一個(gè)信息終端，作業(yè)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)、裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)及每盤連續(xù)管使用數(shù)據(jù)，經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)被傳輸至連續(xù)管數(shù)據(jù)服務(wù)器[7-8]，服務(wù)器針對每臺作業(yè)裝備及每盤連續(xù)管進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、存儲、統(tǒng)計(jì)和分析[9]。

圖4 連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall structure of total management system

2.2 系統(tǒng)硬件

綜合管理系統(tǒng)硬件組成如圖5所示。系統(tǒng)硬件主要包括數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、4G無線網(wǎng)絡(luò)、所有作業(yè)機(jī)及連續(xù)管信息終端，其中每個(gè)作業(yè)機(jī)終端包括參數(shù)獲取單元、本地監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊和信息接收終端設(shè)備，每盤連續(xù)管終端包括連續(xù)管在線檢測裝置和信息傳輸終端設(shè)備。

1—載荷傳感器；2—編碼器；3—循環(huán)&井口壓力傳感器；4—流量傳感器；5—控制壓力傳感器；6—發(fā)動(dòng)機(jī)ECU；7—本地監(jiān)測采集箱；8—遠(yuǎn)程傳輸模塊；9—4G網(wǎng)絡(luò)；10—服務(wù)器；11—手持信息終端；12—連續(xù)管疲勞壽命管理設(shè)備；13—連續(xù)管；14—連續(xù)管在線檢測裝置。

作業(yè)機(jī)終端參數(shù)獲取單元將每臺連續(xù)管作業(yè)裝備狀態(tài)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為特定電信號，并傳輸至本地監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)(包括載荷傳感器、井口壓力傳感器、控制壓力傳感器組、編碼器和底盤車狀態(tài)監(jiān)控單元等[10])。本地監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)將參數(shù)獲取單元的特定信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號，并存儲、分析和顯示。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊可實(shí)現(xiàn)每個(gè)本地終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線通信的關(guān)鍵部件。

連續(xù)管數(shù)據(jù)中心服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要作用是遠(yuǎn)程收集、存儲、分析每臺作業(yè)裝備及連續(xù)管的作業(yè)與維護(hù)信息，為連續(xù)管相關(guān)人員提供數(shù)據(jù)共享和管理平臺。連續(xù)管在線檢測裝置主要實(shí)現(xiàn)連續(xù)管缺陷、壁厚、直徑和橢圓度的跟蹤檢測。信息接收終端設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與接收，不同角色使用硬件設(shè)備不同，包括手機(jī)、平板和筆記本電腦。

2.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)配套軟件主要功能是為連續(xù)管相關(guān)人員提供人機(jī)接口，其軟件架構(gòu)如圖6所示。從圖6可以看出，系統(tǒng)軟件總體上分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務(wù)應(yīng)用和人機(jī)界面5大部分。數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲的主要功能是通過特定的軟硬件接口獲取連續(xù)管及其作業(yè)數(shù)據(jù)，并完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的持久化存儲；業(yè)務(wù)應(yīng)用層完成最終的數(shù)據(jù)監(jiān)測、預(yù)警管理及統(tǒng)計(jì)分析等功能；人機(jī)接口通過多終端的展示方式提供給系統(tǒng)的每個(gè)崗位和角色的用戶使用。

圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.6 System software architecture

3 系統(tǒng)部署

川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司與中石油江漢機(jī)械研究所有限公司合作，對2臺連續(xù)管作業(yè)機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)改進(jìn)及部署，每個(gè)作業(yè)車組安裝綜合管理系統(tǒng)1套，現(xiàn)場操作人員手持智能手機(jī)(安裝移動(dòng)版軟件)。對現(xiàn)有連續(xù)管作業(yè)裝備進(jìn)行部分硬件(見圖7)升級，具體如下：①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)升級為本地監(jiān)測預(yù)警采集箱(見圖7a)，更換信號采集箱，增加信號采集的通道數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同信號類型的采集；②遠(yuǎn)程傳輸功能模塊升級，安裝數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊(見圖7b)；③進(jìn)行連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件升級。

圖7 連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)部分硬件Fig.7 Hardware for total management system of coiled tubing

4 系統(tǒng)功能應(yīng)用

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)查看

驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)查看功能具體步驟：①作業(yè)過程中保持本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行，本地?cái)?shù)據(jù)采集軟件正常采集保存數(shù)據(jù)，確保遠(yuǎn)程通信功能正常，運(yùn)行連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)WEB版和移動(dòng)版，對比相同時(shí)間本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)；②在歷史數(shù)據(jù)查詢模塊中，查詢2019年9月15日作業(yè)數(shù)據(jù)與曲線，與作業(yè)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示。

4.2 數(shù)據(jù)故障診斷

驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)故障診斷具體步驟：①在確保系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測工作正常的情況下，啟用故障診斷設(shè)置；②隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不斷更新，進(jìn)行故障診斷測試，如表2所示，逐個(gè)參量開展測試。從表2可得系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)診斷結(jié)果。

表1 實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)值對比Table 1 Comparison of real-time monitoring data

表2 故障診斷測試Table 2 Fault diagnosis test

4.3 設(shè)備維護(hù)與檢修

設(shè)備維護(hù)與檢修功能通過設(shè)備管理人員與現(xiàn)場操作人員信息交互來實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。設(shè)備維護(hù)具體實(shí)現(xiàn)如圖8a所示，設(shè)備管理人員依據(jù)設(shè)備自身狀況和專業(yè)維護(hù)意見，個(gè)性化定義設(shè)備各關(guān)鍵部件集合的維護(hù)規(guī)則，軟件依據(jù)規(guī)則定期向現(xiàn)場設(shè)備管理人員推送設(shè)備維護(hù)任務(wù)?，F(xiàn)場設(shè)備管理人員利用移動(dòng)應(yīng)用終端接收推送的任務(wù)消息，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)操作，并將維護(hù)任務(wù)完成情況反饋至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端，形成維護(hù)任務(wù)→消息推送→消息接收→現(xiàn)場完成→消息反饋→任務(wù)核定的閉環(huán)。

圖8 設(shè)備維護(hù)與檢修任務(wù)信息交互Fig.8 Information interaction of equipment maintenance and overhaul task

為了驗(yàn)證設(shè)備維護(hù)功能，定制維護(hù)任務(wù)清單與維護(hù)規(guī)則如表3所示?，F(xiàn)場設(shè)備維護(hù)人員現(xiàn)場維護(hù)設(shè)備后，反饋維護(hù)結(jié)果，如圖9所示。定期維護(hù)任務(wù)中的整車檢查順利完成。

表3 維護(hù)清單定制Table 3 Maintenance list customization

圖9 維護(hù)任務(wù)結(jié)果Fig.9 Result of maintenance task

設(shè)備檢修功能具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖8b所示。設(shè)備管理人員根據(jù)現(xiàn)場故障，發(fā)布設(shè)備檢修任務(wù)，現(xiàn)場設(shè)備管理人員接收推送的任務(wù)消息，及時(shí)進(jìn)行檢修操作，并將檢修任務(wù)完成情況反饋至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端，形成檢修任務(wù)閉環(huán)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信異常時(shí)，定制檢修任務(wù)清單，如表4所示?，F(xiàn)場設(shè)備管理人員現(xiàn)場檢修后，反饋維護(hù)結(jié)果，根據(jù)檢修結(jié)果客觀判定系統(tǒng)故障原因。

4.4 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析模塊軟件根據(jù)特定裝備的作業(yè)記錄，分析裝備運(yùn)行的累計(jì)時(shí)長，統(tǒng)計(jì)裝備起下油管的總長度。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果對裝備健康狀況評估具有重要的參考價(jià)值。截至2019年9月15日，長慶井下35#作業(yè)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)長約1 908 h，累計(jì)起下長度約3 031 km。

表4 檢修任務(wù)清單Table 4 Overhaul list customization

4.5 連續(xù)管管理功能

利用連續(xù)管在線檢測裝置，定時(shí)跟蹤檢測連續(xù)管局部缺陷、壁厚變化、直徑及橢圓度變化，將每次檢測結(jié)果通過物聯(lián)網(wǎng)上傳至連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)，檢測結(jié)果如圖10所示。通過軟件可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)管檢測結(jié)果的信息化管理。

圖10 連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)在線檢測結(jié)果Fig.10 Online detection result management of total management system

利用連續(xù)管疲勞壽命管理軟件跟蹤連續(xù)管每次作業(yè)疲勞壽命損耗狀況，將每次疲勞壽命預(yù)測結(jié)果通過物聯(lián)網(wǎng)上傳至連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)，疲勞壽命預(yù)測結(jié)果如圖11所示。通過軟件可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)管疲勞壽命的信息化管理。

圖11 連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)疲勞壽命預(yù)測結(jié)果Fig.11 Fatigue life prediction result management of total management system

在連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)中，可以通過積累大量連續(xù)管使用的過程數(shù)據(jù)，探索連續(xù)管缺陷、壁厚變化及疲勞使用狀況與使用壽命的關(guān)系。

5 結(jié) 論

(1)在長慶井下作業(yè)技術(shù)公司3臺作業(yè)機(jī)上完成了連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)的部署。系統(tǒng)至今穩(wěn)定運(yùn)行超過300 d。連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用極大地提高了連續(xù)管作業(yè)裝備使用效率，降低了裝備現(xiàn)場應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能模塊能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地接收現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，并以數(shù)值、儀表及曲線等形式顯示接收的數(shù)據(jù)，滿足現(xiàn)場用戶應(yīng)用要求。

(3)連續(xù)管作業(yè)綜合管理系統(tǒng)支持歷史作業(yè)數(shù)據(jù)、工作進(jìn)尺與工作總時(shí)長的存儲及查詢。

(4)該系統(tǒng)支持科學(xué)定制設(shè)備檢修與維護(hù)任務(wù)，可提升裝備的維保作業(yè)水平，降低裝備帶故障作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)管局部缺陷、壁厚變化及疲勞使用狀況的信息化管理，可為連續(xù)管使用壽命評估系統(tǒng)的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。