趙長(zhǎng)海,曹瀚軒,李如峰,李 霞,袁李峰
(1.冀東油田井下作業(yè)公司,遼寧盤(pán)錦 124010;2.中國(guó)石油遼河油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,遼寧盤(pán)錦 124010;3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司,遼寧盤(pán)錦 124010)
在石油開(kāi)采過(guò)程中,維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行是開(kāi)采工作順利進(jìn)行的保障。因此,電源補(bǔ)償修井機(jī)在很多石油企業(yè)的開(kāi)采作業(yè)中得到應(yīng)用,隨著科技的進(jìn)步,修井機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能也在不斷改進(jìn)。
修井機(jī)的主要組成部分是電源和補(bǔ)償系統(tǒng),電源補(bǔ)償設(shè)備安裝在絞車(chē)上,車(chē)下設(shè)計(jì)的是自走底盤(pán)。圖1是某公司設(shè)計(jì)的電動(dòng)修井機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成。修井機(jī)的設(shè)計(jì)原則:車(chē)身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于操作;整體機(jī)身重量小、燃油消耗量低,且造價(jià)低;安裝補(bǔ)償系統(tǒng),防止修井機(jī)工作過(guò)程中突然停電;將操作室和修井機(jī)隔離開(kāi)來(lái),方便工作人員操作,同時(shí)設(shè)計(jì)遙控系統(tǒng),技術(shù)員即使不在操作室也能控制修井機(jī)。
圖1 修井機(jī)結(jié)構(gòu)
阻磁電機(jī)能量來(lái)源是采油現(xiàn)場(chǎng)的電源,若出現(xiàn)斷電情況,車(chē)上的補(bǔ)償系統(tǒng)會(huì)為電機(jī)提供電能。與電機(jī)相連的聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給柱塞變量泵。動(dòng)力傳遞同時(shí)液壓系統(tǒng)在液壓缸的作用下驅(qū)動(dòng)絞車(chē)動(dòng)作,與鋼絲繩連接的大鉤會(huì)在液壓系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng),完成相應(yīng)的作業(yè)過(guò)程[1]。普通柱塞泵與異步電機(jī)相連,作用是幫助液壓零部件實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)。電氣系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,并輔助PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)控制器完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。在修井機(jī)的設(shè)計(jì)中,著重考慮的參數(shù)包括鉤載、提速、井架高度、電壓及滾筒直徑等,其中鉤載又分為額定值和最大值。
修井機(jī)的底盤(pán)需要有較強(qiáng)的承載力,且能適應(yīng)較差的野外環(huán)境,可以驅(qū)動(dòng)車(chē)輪在井場(chǎng)快速移動(dòng)。絞車(chē)?yán)玫氖且簤夯芈罚到y(tǒng)通過(guò)液壓缸的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng),利用方向盤(pán)掌握轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)高速度的靈活轉(zhuǎn)換,減少操作員工作量。電氣系統(tǒng)安裝有蓄電池,在維持壓力恒定的情況下,可作為應(yīng)急電源使用。電源補(bǔ)償系統(tǒng)使用UPS(Uninterrupted Power Supply,不間斷電源)電池,可對(duì)井場(chǎng)電量起到良好的補(bǔ)償作用。阻磁電機(jī)由液壓泵控制啟動(dòng),電流較小且電路簡(jiǎn)易,有較好的節(jié)能作用。
2.1.1 方案對(duì)比和選擇
傳統(tǒng)修井機(jī)大多使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式,通過(guò)液力變矩器、鏈條等力的傳遞,大鉤實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械式傳動(dòng)修井機(jī)組裝繁瑣,結(jié)構(gòu)件體積大,整車(chē)重量大,移動(dòng)過(guò)程的油耗量較大。復(fù)雜結(jié)構(gòu)件在安裝精度上要求較高,企業(yè)在組裝時(shí)需要投入較高成本,且難以控制速度變化。有載情況下,修井機(jī)運(yùn)行過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)。電動(dòng)修井機(jī)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)機(jī)械的弊端得到很大改善。新型修井機(jī)將機(jī)械傳動(dòng)改變?yōu)橐簤候?qū)動(dòng),為石油開(kāi)采過(guò)程帶來(lái)很大便利,新型修井機(jī)的優(yōu)點(diǎn):無(wú)級(jí)變速,只要各零部件正常,絞車(chē)速度隨時(shí)可變,車(chē)輛轉(zhuǎn)向順暢;電機(jī)可以帶載啟動(dòng),且修井機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性不受影響;新型修井及持續(xù)工作時(shí)間延長(zhǎng),減少機(jī)械休息時(shí)間,提升工作效率;石油開(kāi)采過(guò)程符合經(jīng)濟(jì)性原則,減少成本投入的同時(shí)保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。通過(guò)兩類(lèi)傳動(dòng)方案的對(duì)比,電動(dòng)修井機(jī)成為現(xiàn)代石油企業(yè)使用的主要采油設(shè)備,機(jī)械式修井機(jī)逐漸被淘汰。
2.1.2 絞車(chē)調(diào)速設(shè)計(jì)
帶動(dòng)絞車(chē)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零部件是閉式液壓泵,該泵的優(yōu)點(diǎn):油液在泵中能夠自主循環(huán),在沒(méi)有其他系統(tǒng)的參與下能獨(dú)立完成循環(huán)工作;泵口和元件直接連在一起,從其他系統(tǒng)返回的油液可以直接進(jìn)入封閉式泵腔。吸油過(guò)程性能良好;閉式泵體積較小,結(jié)構(gòu)間隙小,自身重量小,運(yùn)行中油耗大大降低。為保證速度和方向調(diào)節(jié)的靈活性,設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的是雙向變量泵,該泵的存在代替換向閥的作用,施工中能減少油液的損失。雙向泵需結(jié)合阻磁電機(jī),才能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn),再加上PLC調(diào)節(jié),泵工作狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到控制終端,實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員對(duì)絞車(chē)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2.1.3 選擇設(shè)備型號(hào)
泵和絞車(chē)的設(shè)計(jì)選型直接影響后期石油開(kāi)采的順利程度,需要計(jì)算的參數(shù)包括扭矩、轉(zhuǎn)速和排量,計(jì)算的這些參數(shù)都是額定值。絞車(chē)、馬達(dá)和泵都需要計(jì)算這3個(gè)參數(shù),計(jì)算完成后,選擇稍大于額定值的設(shè)備。
上位機(jī)、阻磁電機(jī)、PLC等都是電氣設(shè)計(jì)中需要著重考慮的系統(tǒng),這幾類(lèi)系統(tǒng)是電氣系統(tǒng)最重要的部分,缺少任何一個(gè)系統(tǒng),修井機(jī)都無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心,為防止電氣系統(tǒng)爆炸,組裝過(guò)程中通常會(huì)安置相應(yīng)的防爆裝置。
2.2.1 阻磁電機(jī)
電機(jī)是控制速度快慢的系統(tǒng),該系統(tǒng)由電機(jī)、電路以及檢測(cè)裝置組成。修井機(jī)各項(xiàng)工作參數(shù)通過(guò)控制終端轉(zhuǎn)化成電機(jī)可識(shí)別和接收的電信號(hào),電機(jī)接收到信號(hào)后會(huì)對(duì)信息做出反應(yīng),然后將整機(jī)速度控制在最佳范圍內(nèi)。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是雙閉環(huán)形式,且能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,三相繞組上的電壓、電流可通過(guò)對(duì)脈沖寬度的控制實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,在速度調(diào)節(jié)過(guò)程中整機(jī)能穩(wěn)定工作,機(jī)身不會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)。該系統(tǒng)的傳感器通過(guò)紅外線實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的精確定位,定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂平K端,可精準(zhǔn)控制電機(jī)的相關(guān)動(dòng)作。
2.2.2 集成控制系統(tǒng)
集成控制系統(tǒng)控制的內(nèi)容主要包括速度、啟停狀態(tài)等。集成系統(tǒng)可以對(duì)修井機(jī)整個(gè)工作過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)上位機(jī)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)反饋給中央控制器,控制器對(duì)數(shù)據(jù)快速分析整理,并繪制表格和曲線圖。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,技術(shù)人員就能對(duì)絞車(chē)運(yùn)動(dòng)、蓄電池組等系統(tǒng)有針對(duì)性的控制。
2.2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓缸、大鉗以及絞車(chē)啟停裝置是液壓系統(tǒng)的重要組成部分,液壓缸工作過(guò)程:操作人員按下相應(yīng)按鈕,電路高速運(yùn)轉(zhuǎn)將電信號(hào)傳遞給PLC系統(tǒng),集成系統(tǒng)命令電磁閥動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)缸體的上升和下降。絞車(chē)工作過(guò)程也是由PLC系統(tǒng)控制,與液壓缸操作相似,操作員首先需要按下按鈕,PLC接收信號(hào)后發(fā)出指令。由于絞車(chē)中的泵是雙向的,集成系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)也必須是雙向電流,雙向電流能有效控制柱塞泵的輸出壓力,絞車(chē)能在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間靈活切換,遇到緊急情況可以立即制動(dòng)。
2.3.1 原理介紹
電源補(bǔ)償在交整流系統(tǒng)和電源相互配合下完成,缺少任何一個(gè)系統(tǒng),修井機(jī)工作時(shí)可能出現(xiàn)電量不足現(xiàn)象。電池組是儲(chǔ)存電能的主要設(shè)備,具有通交流隔直流的特點(diǎn),當(dāng)交整流系統(tǒng)將直流電充入電池組時(shí),電池將電能儲(chǔ)存起來(lái),直至電能飽和。當(dāng)修井機(jī)電能較低或發(fā)生突然性停電,修井機(jī)中阻磁電機(jī)的電壓低于蓄電池,此時(shí)電池組在壓差作用下自動(dòng)放電,達(dá)到為阻磁電機(jī)提供充足電能的目的。電池組儲(chǔ)能方式是浮充充電,當(dāng)蓄電池電量過(guò)低,井場(chǎng)電源會(huì)自動(dòng)分出一部分電能向蓄電池輸送。
2.3.2 種類(lèi)選擇
電池組的選擇要以經(jīng)濟(jì)性為原則。長(zhǎng)期實(shí)踐證明鉛酸蓄電池性能優(yōu)良,電池容量大于普通電池,且原材料價(jià)格低適合大批量生產(chǎn)。目前我國(guó)大多數(shù)石油企業(yè)使用的是鉛酸蓄電池。
2.3.3 確定電池個(gè)數(shù)
電池個(gè)數(shù)需要根據(jù)石油開(kāi)采的實(shí)際情況確定。
設(shè)計(jì)完成后,工作人員要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求采購(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)的材料,并嚴(yán)格遵守材料入場(chǎng)制度。在工廠中完成修井機(jī)的組裝工作,并做好前期調(diào)試。各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)正常后,將修井機(jī)運(yùn)進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。
(1)噪聲排放試驗(yàn)。將噪聲檢測(cè)裝置連接到修井機(jī)后啟動(dòng)修井機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的采油施工,檢測(cè)裝置同時(shí)連接在計(jì)算機(jī)上。修井機(jī)產(chǎn)生的噪聲以振動(dòng)波的形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中,通過(guò)對(duì)不同波段的分析就能精確計(jì)算最高噪聲,并判斷噪聲是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。若噪聲太大,需要返廠檢修。
(2)油耗試驗(yàn)。保持修井機(jī)在正常工作狀態(tài),從啟動(dòng)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),1 h后切斷修井機(jī)電源。將該試驗(yàn)重復(fù)多次,以6~8次為宜,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均。同時(shí)對(duì)機(jī)械式修井機(jī)每小時(shí)油耗量進(jìn)行測(cè)試。
與傳統(tǒng)修井機(jī)相比,電動(dòng)修井機(jī)工作過(guò)程的安全性、節(jié)能性能得到極大提升,徹底改善機(jī)械式修井機(jī)的缺陷。電動(dòng)修井機(jī)的缺點(diǎn)在于電網(wǎng)停電時(shí)修井機(jī)就會(huì)停止工作,停電時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)石油開(kāi)采工作越不利。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可知,電動(dòng)修井機(jī)油耗量是機(jī)械式修井機(jī)的2/3。隨著石油開(kāi)采量的增加,電動(dòng)修井機(jī)在石油企業(yè)逐漸普及,改善了傳統(tǒng)石油開(kāi)采中的事故多發(fā)現(xiàn)象。電源補(bǔ)償修井機(jī)是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物,能使燃油短缺問(wèn)題得到緩解,相信在科技的支撐下,未來(lái)的石油修井機(jī)性能將更加優(yōu)越。