鉆桿耐磨帶偏磨自動修復系統的開發

李明輝,向桂毅,李春嘯,杜旭鵬,孫等軍,李培梅,楊巍巍

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司管具公司 陜西 西安 710018)

0 引 言

在鉆井過程中,鉆桿任何部位的失效都會造成嚴重的后果,因此防止鉆桿磨損、延長鉆桿使用壽命成為了一個重點關注的課題。為了有效降低鉆桿接頭在鉆井過程中發生的磨損問題,目前通常采用的方法是在鉆桿母螺紋端接頭靠近斜坡位置焊接兩圈焊絲環形帶,俗稱鉆桿耐磨帶。從機理上講,鉆桿接頭耐磨帶實質上是一個隔離層[1-2],避免鉆桿接頭與套管壁或井壁直接接觸,同時利用焊絲材料的耐磨性,以保護鉆桿接頭和套管免遭強烈磨損[3]。但在實際鉆進過程中,耐磨帶與井壁接觸過程中的摩擦和碰撞使鉆桿的彎曲方向以及耐磨帶易磨損處會產生凹坑,從而產生不均勻性磨損。隨著不均勻性消失,鉆桿接頭將產生偏磨[4],而鉆桿耐磨帶偏磨可引起鉆桿螺紋失效,造成全角變化率擴大,甚至脫靶,導致鉆桿管體疲勞斷裂,降低鉆桿的使用壽命等后果[5]。經查閱相關文獻,目前耐磨帶研究的方向主要從優化工藝、提升材料性能和設備智能化控制方面展開,而鉆桿耐磨帶偏磨僅屬于敷焊時的一種特殊情況,因此目前針對性的研究較少。但隨著石油勘探開發技術和形勢的不斷發展變化,以長慶區域的鉆井生產為例,目前已轉向深井、超深井及大位移水平井等特殊工藝井[6],由于斜井段或大位移水平井段井眼曲率變大,下部鉆具拖壓,鍵槽或巖屑床等因素導致鉆桿偏磨加劇。據統計,長慶區域在2020-2022年間,每年因偏磨耐磨帶修復原因造成被迫降級、停用的鉆桿多達2 000余根,造成大量浪費。究其原因是傳統設備及目前市場上的主流設備在單根鉆桿耐磨帶修復過程中,鉆桿接頭轉動速度、焊接工藝參數均恒定不變,圓周方向不同位置金屬堆焊量相同,耐磨帶熔覆金屬量同步增加,所以無法有效解決耐磨帶偏磨這種特殊情況。

為此,根據現場實際使用情況和鉆井生產形勢,依據現有設備DP-500型噴焊機設計開發一套鉆桿耐磨帶自動修復系統,在耐磨帶修復過程中能夠自動采集分析鉆桿耐磨帶偏磨數據,并根據偏磨程度不同實時調整焊接工藝參數,以調整和優化敷焊金屬量,完成偏磨耐磨帶的自動修復。

1 系統設計

1.1 設計思路

現場調查表明,鉆桿耐磨帶出現偏磨的情況非常復雜,需要修復補焊的厚度變化很大,如圖1所示。從圖1可以看出,待補焊層在圓周方向厚度不均勻,差別較大,這就要求在制定焊接工藝時,需充分考慮到可能出現的各種情況,優化出最佳的焊接工藝參數,才能保證耐磨帶的修復質量。

圖1 耐磨帶截面示意圖

要實現不同補焊厚度下焊接工藝參數的自動調節過程,需要對焊接電壓、焊接電流(焊接速度)、焊槍擺動速度、工件旋轉速度等主要工藝參數進行綜合控制,才能夠精確控制最終堆焊耐磨帶的成形尺寸。

基于上述分析,自動修復過程可設計為:先采用激光傳感器測量鉆桿耐磨帶的實際輪廓尺寸,計算出各部分的磨損程度,之后再與標準的耐磨帶尺寸進行對比,計算出耐磨帶偏差量,即需要修復的耐磨帶厚度。修復時,控制系統根據上述需要修復的耐磨帶厚度,實時調整焊接和工裝的參數,從而完成自動修復過程,修復流程如圖2所示。

圖2 耐磨帶偏磨自動焊接修復流程圖

1.2 系統結構

鉆桿耐磨帶偏磨自動噴焊修復系統在原有DP-500型噴焊機上進行改造升級。

該系統包括焊接設備、控制模塊、焊接工裝、激光測量裝置等,如圖3所示。

圖3 系統結構示意圖

1)焊接設備由焊接電源、焊槍、送絲機構等組成,負責耐磨帶的堆焊。

2)焊接工裝主要由床身、主動回轉頭、焊接夾具、滾輪托架、自動焊接擺動器、焊槍軸向移動機構、焊槍提升機構部件組成[7],可實現鉆桿的自動送入和夾持,在焊接過程中鉆桿的旋轉、焊槍的擺動、高度調節等動作。擺動幅度、頻率及左右停止時間、焊槍高度和角度等可任意調整設定;工件由動力箱卡盤驅動,輔以獨立的滾輪支撐,適合超長鉆桿的焊接。

3)激光測量裝置以激光位移傳感器為測量工具[8],將待修復的鉆桿接頭的外觀形貌掃描后形成圓周的高度數據,并將測量所得數據傳回測量軟件。

4)控制模塊以PLC可編程控制器作為主控單元,配套噴焊機原有電源以及各動作的程序和保護等組成本專用噴焊設備電氣控制模塊?？刂颇K能夠準確控制焊接工藝參數的調整、機床的各種動作,控制模塊分兩部分:一是原有的控制模塊,為開環控制,在設定參數后,即可完成焊接修復工作,整個焊接過程中無法自動調整焊接工藝參數,無法調整焊接修復金屬量,適合于圓周方向均勻磨損的情況;二是改造的新的控制模塊,新控制模塊為閉環控制。焊接修復前由激光測量裝置采集待修復表面的高度數據,控制模塊的計算機讀取采集數據并進行分析,獲得圓周方向各處待修復高度,根據控制模塊內的運行程序確定圓周各處的焊接工藝參數,調整熔敷金屬量,實現偏磨鉆桿耐磨帶的修復。

改造的焊接修復系統全面實現自動化操作,用戶根據需要輸入指令和參數,啟動焊接主機電源后,可實現起弧、收弧、焊縫控制和敷焊厚度、焊縫寬度、焊縫搭接寬度等參數的自動調整。

2 系統開發

2.1 數據采集

依據現有設備的實際運行機構和控制方式經過詳細的分析論證,參考現行的成熟研究成果和產品經過討論和測試,決定設計的數據采集裝置采用非接觸式激光測距與X-Y精密移動平臺相結合的測量方式,達到實現鉆桿耐磨帶焊接位置的多截面輪廓測量。在這個過程中通過市場產品對比試驗選擇LK_H050漫反射型CMOS激光位移傳感器來完成采集相關數據。其具體設計原理是采用激光三角法測距原理,該裝置包含激光源、會聚透鏡、成像透鏡、探測器(CCD或PSD)及信號處理控制器等硬件。激光三角法測距原理如圖4所示,激光束經匯聚透鏡聚焦到待測物體平面上,散射光由透鏡收集成像于接收器的光敏面上,當待測物體表面的位置發生改變時,其像的位置在接收器上會產生相應的位移改變,通過像位移和實際位移之間的關系,可以計算出待測物體的真實位移[9/10]。激光測量示意圖如圖5所示。

圖4 激光測距原理圖

圖5 激光測量示意圖

2.2 控制模塊

在DP-500型噴焊機上進行系統改造,控制模塊結構如圖6所示。需要檢測或設定的變量有:偏磨耐磨層厚度為H1,該值可以通過激光檢測儀檢測,修復后耐磨層厚度為H2,其公差為±H3,激光傳感器檢測位置與焊槍夾角為α,修復鉆桿旋轉角度為β。需要控制的變量有:焊接電流I,焊接電壓U,鉆桿旋轉速度V1,焊槍擺動速度V2。則各變量之間的關系如下:

圖6 控制模塊結構示意圖

Y(I,U,V1,V2)=F(α,β,H1,H2,H3)

(1)

需要控制的變量和式中各參數的關系通過相關工藝試驗確定?？刂颇K采用閉環控制實現智能化控制?？刂颇K以PLC為核心,采用西門子PLC,通過控制柜面板上設置的控制柜按鈕調整控制模式,保障最佳堆焊效果。其中通過激光傳感器檢測到的偏磨耐磨層厚度值H1,修復鉆桿旋轉角度值β,通過相關接口電路輸入到PLC中。修復后耐磨層厚度值H2及其公差值±H3,激光傳感器檢測位置與焊槍夾角值α,通過程序設定于PLC中。需要輸出的控制變量焊接電流I、焊接電壓U、鉆桿旋轉速度V1、焊槍擺動速度V2則分別通過輸出接口電路輸出到焊機和噴焊設備控制柜中。輸出量與輸入量之間的關系根據公式(1)通過程序自動計算完成。

需要注意的是,在使用過程中因焊接強光源、高溫、飛濺以及煙塵等因素對激光傳感器有很強的干擾作用,為保證測量的準確性和使用安全,需專門設計機械防護裝置,測量時打開,焊接時關閉。

2.3 軟件模塊

軟件具體架構[9]如圖7所示。

圖7 軟件架構

軟件是該鉆桿耐磨帶偏磨自動修復系統開發的一個核心,它涉及到了計算機圖形學編程、激光位移傳感器的控制、步進電機的運動控制、數據處理、數據庫管理、測試結果打印輸出等。在設計時主要采取模塊化功能設計理念,是以Windows操作為基礎,以VC++作為平臺進行開發的。

3 效果驗證

按照上述設計和改造,設備經過現場實際使用,焊接參數實現了根據鉆桿耐磨帶偏磨量實時調整,焊接時可同時敷焊兩道耐磨帶,如圖8所示,敷焊后的偏磨鉆桿耐磨帶實物如圖9所示,統計數據見表1。通過對鉆桿前后的尺寸測量,改造后設備較好地完成了偏磨鉆桿耐磨帶的敷焊,且焊縫性能和外觀尺寸均達到使用標準,判定合格,改造后的設備能滿足現場鉆桿耐磨帶偏磨的修復工作。

圖8 偏磨耐磨帶敷焊示意圖

圖9 焊接修復后的鉆桿耐磨帶

4 結束語

1)由于深井、超深井、定向井等技術的發展,鉆桿在鉆進過程中的耐磨帶偏磨現象頻繁出現,在鉆桿接頭上實施耐磨帶的自動修復技術是解決這一問題最經濟有效的方式。

2)設計開發的鉆桿耐磨帶偏磨自動修復系統,在已有的設備上通過改造升級,實現了耐磨帶的自動修復過程,解決了原有生產線無法有效修復偏磨鉆桿耐磨帶的問題。

3)隨著鉆桿耐磨帶偏磨自動修復技術的推廣及應用,實現了舊鉆桿的科學分級,解決現場因鉆桿耐磨帶偏磨導致的降級、停用等問題,使長期閑置的舊鉆桿經過科學的檢測和修復得到充分的重復利用,不但提高了舊鉆桿的維修質量,也明顯減少了因鉆桿質量而導致的鉆井事故,取得了較大的經濟效益和社會效益。