XJ650修井機(jī)配套自動(dòng)化裝備安全控制技術(shù)方案

張喜慶

(勝利油田 勝機(jī)石油裝備有限公司，山東 東營 257000)

近年來,隨著大修修井作業(yè)裝備應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,修井作業(yè)中完全依靠人工“推、拉、搬、抬”的體力勞動(dòng)逐漸被機(jī)械化、自動(dòng)化裝備所替代。當(dāng)前以提高作業(yè)安全系數(shù)、改善修井作業(yè)施工環(huán)境、減少作業(yè)人員數(shù)量、降低作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度等為目標(biāo)的機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)裝備應(yīng)用技術(shù)已日漸成熟,自動(dòng)化修井機(jī)已經(jīng)開始在部分油田投入工業(yè)化應(yīng)用。目前國內(nèi)修井作業(yè)自動(dòng)化裝備配套考慮到成本投入、技術(shù)處于起步階段等問題,均采用了在原有修井機(jī)上進(jìn)行改造配套的模式。我公司與新松公司聯(lián)合開發(fā)的管柱自動(dòng)化處理裝備是在原有XJ650修井機(jī)上進(jìn)行的改造配套,主要由動(dòng)力貓道、液壓吊卡、動(dòng)力卡瓦、鐵鉆工、二層臺(tái)機(jī)械手、動(dòng)力控制系統(tǒng)等部分組成,可以實(shí)現(xiàn)鉆柱從排管架到立根臺(tái)排放全過程自動(dòng)化操作[1]。由于修井機(jī)與自動(dòng)化裝備間為各自獨(dú)立的控制系統(tǒng),彼此之間缺少控制信號和狀態(tài)信息的傳遞[2],導(dǎo)致了這種常規(guī)修井機(jī)“嫁接”自動(dòng)化裝備的配套模式存在一些安全與操作便利性問題。因此,開展研究設(shè)計(jì)各配套設(shè)備間的安全控制方案,完善相應(yīng)安全操作規(guī)范十分必要。

1 修井機(jī)配套自動(dòng)化裝備安全控制技術(shù)現(xiàn)狀

通過對XJ650修井機(jī)配套自動(dòng)化裝備的現(xiàn)場跟蹤服務(wù)發(fā)現(xiàn),目前配套的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)在操作安全與舒適便利性方面主要存在兩方面的問題。

1.1 設(shè)備間的安全防碰問題

(1)動(dòng)力貓道在自動(dòng)運(yùn)行模式下,通過PLC程序?qū)ω埖琅e升絞車旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的計(jì)數(shù),控制貓道滑道的送進(jìn)位置。在此運(yùn)動(dòng)過程中,鉆臺(tái)上操作人員若占據(jù)了滑道上行通道且并未發(fā)現(xiàn)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài),則極有可能造成頂撞的人身傷害事故。在手動(dòng)模式下,操作人員通過搖桿控制滑道運(yùn)動(dòng),當(dāng)操作人員疏忽誤操作時(shí),也存在設(shè)備碰人和設(shè)備之間發(fā)生碰撞的隱患。

(2)鐵鉆工與動(dòng)力卡瓦在工作過程中有交叉工作區(qū)域。當(dāng)動(dòng)力卡瓦支架在井口位置處于起升狀態(tài)時(shí),此時(shí)若誤操作鐵鉆工至井口位置,則會(huì)發(fā)生設(shè)備碰撞。當(dāng)鐵鉆工處于井口工作位置未完全退出干涉區(qū)域時(shí),此時(shí)若誤操作動(dòng)力卡瓦起升,同樣會(huì)發(fā)生設(shè)備碰撞,造成設(shè)備損壞。鐵鉆工與動(dòng)力卡瓦工作過程互鎖邏輯如不夠完善,缺少相互之間的協(xié)調(diào)控制,則會(huì)帶來相互碰撞的安全隱患。

(3)修井機(jī)提升剎車系統(tǒng)與二層臺(tái)機(jī)械手控制系統(tǒng)為兩套獨(dú)立的操作系統(tǒng),兩個(gè)系統(tǒng)之間沒有任何控制信號和狀態(tài)信息的傳遞,缺少運(yùn)動(dòng)過程中的安全關(guān)聯(lián),存在因操作人員操作不當(dāng)造成游動(dòng)滑車與二層臺(tái)機(jī)械手發(fā)生碰撞的安全隱患。

1.2 司鉆房控制系統(tǒng)的操作安全與便利性問題

司鉆控制系統(tǒng)是整套管柱處理系統(tǒng)的大腦和核心,集氣、液、電等各種控制信號、監(jiān)控視屏、觸摸控制和操作按鈕于一體[3],配套的自動(dòng)化裝備操控系統(tǒng)增加了視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、面板操作系統(tǒng)。雖然通過遠(yuǎn)程化控制技術(shù),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述各個(gè)部分在司鉆房內(nèi)的集中操作,但由于原司鉆房的設(shè)計(jì)與布局已比較緊湊,操作終端設(shè)計(jì)風(fēng)格不同,新增加的自動(dòng)化單元操作控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃,造成司鉆房內(nèi)布局混亂[4]。同時(shí)在配套了管子處理系統(tǒng)后,司鉆操控的工作量大幅增加,如何能夠?qū)ψ鳂I(yè)過程中出現(xiàn)意外情況進(jìn)行快速處理,既保證安全又不影響其他設(shè)備的運(yùn)行是安全控制系統(tǒng)需要解決的技術(shù)問題。

2 自動(dòng)化裝備安全控制方案

通過對修井機(jī)配套自動(dòng)化裝備安全控制技術(shù)現(xiàn)狀的分析,明確了裝備急需解決的安全技術(shù)問題,設(shè)計(jì)并完成了安全控制方案。通過現(xiàn)場試驗(yàn)和使用達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求后,形成了安全操作規(guī)程,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化修井裝備安全技術(shù)提高的目標(biāo)。

2.1 安全防碰技術(shù)方案

2.1.1 動(dòng)力貓道自動(dòng)防碰與警示功能

在滑道端部兩側(cè)設(shè)計(jì)激光距離感應(yīng)傳感器,設(shè)置信號掃描的節(jié)點(diǎn),確?；肋M(jìn)入鉆臺(tái)前的正常啟動(dòng)與工作,當(dāng)滑道進(jìn)入鉆臺(tái)后,控制程序開始接收傳感器掃描檢測信號,當(dāng)在距離滑道端部0.5 m的特定扇形區(qū)域內(nèi)檢測到人或其他障礙物時(shí),程序控制切斷絞車提升動(dòng)力并剎車,滑道自動(dòng)停止,如圖1所示,防碰剎車距離在(0.5± 0.2 m)范圍內(nèi)。同時(shí)在鉆臺(tái)上設(shè)置安全警示燈,當(dāng)貓道運(yùn)行時(shí),安全警示燈自動(dòng)閃爍,貓道停止運(yùn)行時(shí),指示燈自動(dòng)關(guān)閉,隨時(shí)提示操作人員注意周邊安全。

2.1.2 鐵鉆工與動(dòng)力卡瓦開合防碰技術(shù)方案

在程序中設(shè)定好鐵鉆工與動(dòng)力卡瓦的各自工作區(qū)域范圍,通過軟件程序?qū)崟r(shí)計(jì)算各自的實(shí)際位置與工作狀態(tài),利用程序邏輯互鎖關(guān)系防止因誤操作造成鐵鉆工與卡瓦發(fā)生碰撞。當(dāng)卡瓦打開前,程序判斷鐵鉆工是否在井口工作區(qū)域,鐵鉆工不在井口工作區(qū)域時(shí)卡瓦方能執(zhí)行打開動(dòng)作。鐵鉆工伸出到井口前,通過程序判斷卡瓦狀態(tài),卡瓦處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)鐵鉆工方能執(zhí)行伸出動(dòng)作?；ユi開關(guān)可在觸摸屏內(nèi)根據(jù)實(shí)際工作需求進(jìn)行設(shè)置,確保檢修等其他工作狀態(tài)下的靈活操控。

圖1 貓道端部激光傳感器掃描范圍模擬

2.1.3 提升剎車系統(tǒng)與二層臺(tái)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)安全互鎖方案

該機(jī)構(gòu)主要由剎車手柄、手柄轉(zhuǎn)軸、剎車手柄連桿、滾輪、滾輪座、執(zhí)行氣缸、氣缸控制組件等組成(圖2)。其控制互鎖原理是將氣缸直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成剎車手柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),再通過電氣程序控制,即二層臺(tái)機(jī)械手伸出至與游動(dòng)滑車干涉區(qū)域時(shí),使盤剎處于剎車狀態(tài),游車不能升降運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)游車與二層臺(tái)機(jī)械手的互鎖功能,防碰距離(0.5±0.1 m)。

圖2 剎車互鎖機(jī)構(gòu)方案圖

二層臺(tái)機(jī)械手在伸出猴臺(tái)時(shí),機(jī)械手直線位移傳感器給剎車氣缸控制信號,剎車氣缸縮回到位,將剎車手柄限制為剎車狀態(tài),此時(shí)人員無法控制游車升降,防止了因誤操作導(dǎo)致的滑車與二層臺(tái)機(jī)械手碰撞。當(dāng)二層臺(tái)機(jī)械手退出井口工作范圍時(shí),二層臺(tái)機(jī)械手給剎車氣缸控制信號,剎車氣缸伸出到位,此時(shí)剎車機(jī)構(gòu)解除限位限制,人員可自由操作游車升降?；ユi設(shè)置可以通過人機(jī)界面進(jìn)行解除,用于對一些特殊情況的處理。

2.2 司鉆房安全操作控制系統(tǒng)方案

(1)設(shè)計(jì)多級安全急停機(jī)制。首先,動(dòng)力貓道、鐵鉆工、二層臺(tái)機(jī)械手遙控盒上均設(shè)有使能按鍵與軟急停按鈕,在進(jìn)行某些操作時(shí)需要按住使能按鍵才能對設(shè)備進(jìn)行操作,防止誤碰開關(guān)導(dǎo)致設(shè)備動(dòng)作,急停按鈕僅針對本設(shè)備發(fā)生緊急情況下的急停,不影響其他設(shè)備運(yùn)行。其次,操作面板上設(shè)置了遙控/面板切換轉(zhuǎn)換開關(guān),當(dāng)設(shè)備在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下出現(xiàn)緊急情況時(shí),可以通過切換此轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟急停。最后,在面板上設(shè)置了總急停按鈕,用于切斷電源、動(dòng)力,使所有設(shè)備停止并保持在當(dāng)前工作狀態(tài),該急停采用通訊直連方式,避免由于PLC控制器出現(xiàn)故障導(dǎo)致設(shè)備無法停機(jī)的情況發(fā)生,提高應(yīng)急系統(tǒng)的可靠性。

(2)設(shè)計(jì)開發(fā)了故障報(bào)警提示功能,數(shù)據(jù)記錄功能。在設(shè)備自動(dòng)控制流程發(fā)生故障時(shí),人機(jī)界面將自動(dòng)彈出故障報(bào)警提示,同時(shí)報(bào)警信息記錄進(jìn)行自動(dòng)存檔,用于幫助對設(shè)備的故障分析和診斷。此外,設(shè)計(jì)了專用數(shù)據(jù)記錄服務(wù)程序,實(shí)現(xiàn)了對鐵鉆工工作參數(shù)以及上卸扣扭矩等數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ),方便進(jìn)行查閱和追溯。

(3)原司鉆操作面板置于司鉆左手側(cè)偏后的位置,操作不夠舒適和便利,相關(guān)指示不便觀察,現(xiàn)將司鉆面前主控臺(tái)上的儀表、儀器進(jìn)行重新規(guī)劃布置,將操作面板與指重表集成在主控臺(tái),其他輔助儀表、儀器置于兩側(cè),方便司鉆操作,如圖3所示。同時(shí),控制面板應(yīng)用“一鍵多能,多鍵協(xié)作”的理念實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中控制與監(jiān)視,徹底改善常規(guī)司鉆房的零散布局,提高司鉆的可操作性和舒適性[5]。

圖3 司鉆房內(nèi)操作臺(tái)布局

2.3 安全操作規(guī)范

在對整個(gè)安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)后,結(jié)合修井作業(yè)安全要求,形成了一整套管柱自動(dòng)化處理的安全操作規(guī)范,規(guī)范中明確了各設(shè)備運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、使用、維護(hù)等方面的安全操作要求,指導(dǎo)操作者對配套自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行正確的操作,實(shí)現(xiàn)人員操作安全與設(shè)備本質(zhì)安全同步提升。

3 產(chǎn)品應(yīng)用情況

對配套自動(dòng)化裝備安全控制系統(tǒng)完善升級后,設(shè)備先后在勝利油田辛68-16井、濱FJB173×14井等多口生產(chǎn)井完成了大修作業(yè),累計(jì)完成立柱起下61.3×104m。通過對自動(dòng)化控制系統(tǒng)在本質(zhì)安全上的提升以及對操作人員的安全操作培訓(xùn),大大降低了人身傷害與設(shè)備事故風(fēng)險(xiǎn),獲得了用戶的肯定。

4 結(jié)束語

由勝機(jī)石油裝備有限公司聯(lián)合新松公司開發(fā)升級的裝備安全控制系統(tǒng)采用可編程控制技術(shù)、氣動(dòng)液壓控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等,通過軟件編程與硬件的設(shè)計(jì)制造,實(shí)現(xiàn)了修井機(jī)配套各個(gè)自動(dòng)化工作單元的有效關(guān)聯(lián),從設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人之間的安全防碰角度、司鉆操作控制系統(tǒng)的操作安全與舒適性角度,提高了整套自動(dòng)化裝備的本質(zhì)安全,在減少用工數(shù)量,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步解決了設(shè)備潛在的安全隱患問題,大大提高了修井作業(yè)自動(dòng)化裝備的安全技術(shù)水平。