不壓井修井機(jī)過程控制研究

劉程

摘 要：現(xiàn)如今，各領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，促進(jìn)油田的不斷改革和快速發(fā)展，油田設(shè)備需求量也在增大，修井設(shè)備的好壞直接影響到修井作業(yè)的工作效率，先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，不僅可以保證油田的產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)我國(guó)實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大意義。

關(guān)鍵詞：不壓井；修井機(jī)；過程控制

引言

不壓井作業(yè)技術(shù)是在帶壓條件下由專業(yè)技術(shù)人員操作特殊設(shè)備起下管柱的一種方法。這種方法主要在于它能夠保護(hù)和維持地層的原始生態(tài)，減少酸化和壓裂等增產(chǎn)措施的次數(shù)，降低設(shè)備自動(dòng)化程度低所帶來的負(fù)面影響，為油氣田的長(zhǎng)期開發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好的基礎(chǔ)。

1 修井機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

不壓井修井機(jī)是一種集成度高、作業(yè)效率高、安全可靠、操作方便的先進(jìn)設(shè)備。設(shè)備控制系統(tǒng)中液壓控制是設(shè)備的主要?jiǎng)恿?，作用機(jī)構(gòu)為液壓缸和液壓馬達(dá)，液壓控制系統(tǒng)主要通過液壓缸進(jìn)行控制作業(yè)，其應(yīng)用在井架作業(yè)平臺(tái)、井架平移與翻轉(zhuǎn)裝置、井架上下移動(dòng)裝置、高溫防噴器以及卡瓦夾緊裝置等系統(tǒng)內(nèi)。設(shè)備工作原理：先將修井設(shè)備連接在井口上。控制系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)井架翻轉(zhuǎn)裝置中液壓缸作用井架，將井架系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)豎立，接著控制井架平移與上下移動(dòng)裝置中的液壓缸運(yùn)作完成井架系統(tǒng)與井口對(duì)接。修井作業(yè)以起升管柱操作為例，由吊卡帶動(dòng)管柱以一定的速度上提，當(dāng)下端處的感應(yīng)器監(jiān)測(cè)到管柱的管箍時(shí)，將信號(hào)傳給控制中心，通過液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開下端防噴器，同時(shí)關(guān)閉上端防噴器，另外，在兩個(gè)防噴器之間裝有壓力、溫度和氣體檢測(cè)器，以檢測(cè)井下氣體的壓力、溫度變化情況以及氣體中是否含有有毒氣體，若含有則需要進(jìn)行處理后再排放。繼續(xù)上提管柱，當(dāng)上端處的感應(yīng)器監(jiān)測(cè)到管柱的管箍時(shí)，同樣將信號(hào)傳給控制中心，通過液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開上端防噴器，同時(shí)關(guān)閉下端防噴器。當(dāng)上一節(jié)管柱完全可以卸載時(shí)，移動(dòng)卡瓦機(jī)構(gòu)夾緊下一節(jié)管柱管箍下端處，接著液壓大鉗完成卸載管柱，同時(shí)機(jī)械手進(jìn)行扶持管柱并將其運(yùn)送到地面。設(shè)備下放管柱過程與之相反。

2 車體系統(tǒng)

車體系統(tǒng)為修井作業(yè)前的準(zhǔn)備工作系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.1 支撐油缸系統(tǒng)

當(dāng)車體到達(dá)指定工作位置停穩(wěn)后，通過伸出車體外的支撐油缸，將車身穩(wěn)定。油缸組分為兩組，位于車體兩側(cè)，系統(tǒng)為人工手動(dòng)控制方式。4個(gè)油缸相關(guān)數(shù)據(jù)相同，同為行程250mm，推力250000N，直徑160mm，推出速度300mm/min，工作壓力13MPa，工作流量6.03L/min。每個(gè)油缸分別由一路多路換向閥單獨(dú)手動(dòng)控制。液壓鎖使油缸進(jìn)出油路互鎖，防止油缸自由滑動(dòng)，單向節(jié)流閥可調(diào)節(jié)油缸移動(dòng)速度。4個(gè)多路閥兩個(gè)一組對(duì)應(yīng)安裝在車體兩側(cè)，方便人員查看及控制支腿的工作情況。

2.2 井架翻轉(zhuǎn)油缸及其前后、左右平移系統(tǒng)

該系統(tǒng)的功能是將井架翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)并調(diào)整水平位置，使井架對(duì)準(zhǔn)井口，準(zhǔn)備修井作業(yè)。受工作空間限制，井架翻轉(zhuǎn)油缸由兩組并聯(lián)同時(shí)工作的二級(jí)伸縮缸組成，行程3385mm，推力280000N，直徑130mm，工作壓力14MPa，工作流量6.0L/min，由多路閥單獨(dú)手動(dòng)控制。單向外控式順序閥是防止油缸推出、縮回過程中受到超越負(fù)載時(shí)油缸出現(xiàn)失速下滑，有效控制速度的穩(wěn)定性。油路上并聯(lián)兩個(gè)節(jié)流口和換向閥，其作用是當(dāng)井架起降缸體處于將近豎直或水平時(shí)，關(guān)閉多路閥，打開兩個(gè)電磁換向閥（兩個(gè)電磁換向閥為聯(lián)動(dòng)，一個(gè)信號(hào)控制），使油缸前后腔連通油箱，讓油缸依靠自重慢慢落到穩(wěn)定位置，之后關(guān)閉電磁閥鎖死油路（電磁閥采用進(jìn)口ATOS錐閥系列，有效防止泄漏），這樣可防止人工操作多路閥時(shí)，如操作不當(dāng)可能造成的沖擊。兩個(gè)固定節(jié)流口的作用是調(diào)節(jié)下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。前后、左右平移油缸均為雙油缸，行程分別為100及60mm，推力100000N，直徑100mm，工作壓力13MPa。分別由多路閥獨(dú)立手動(dòng)控制，依靠人員觀察對(duì)準(zhǔn)，油路上分別安裝液壓鎖阻止油缸自由滑動(dòng)，單向節(jié)流閥為控制油缸伸出、縮回時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。

3 起降系統(tǒng)

起降系統(tǒng)用于提升和下放管柱，工況復(fù)雜，具有超越負(fù)載。系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.1管柱起降系統(tǒng)

在起降系統(tǒng)工作過程中，負(fù)載會(huì)隨時(shí)間變化而且具有超越負(fù)載，當(dāng)起降系統(tǒng)開始提升管柱時(shí)負(fù)載最大，最大負(fù)載為600kN，隨著管柱慢慢提升，管柱減少，負(fù)載也隨之減小。下降管柱時(shí)，負(fù)載力向下，隨著管柱慢慢加長(zhǎng)負(fù)載變大，此時(shí)要求起降卷揚(yáng)施加向上的力，同時(shí)向下釋放管柱。在上述兩個(gè)過程中管柱都有可能在某一時(shí)刻突然遭受向上的負(fù)載力，其最大值可達(dá)400kN，在這種情況下，如何迅速保持較穩(wěn)定的起降速度將是一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)上述特殊負(fù)載工況，經(jīng)過對(duì)不同控制方案的研究，其中包括外控式順序閥、馬達(dá)前后腔安裝比例節(jié)流閥等控制方案，最終確定使用比例泵、比例換向閥、馬達(dá)、減速機(jī)及編碼器構(gòu)成閉環(huán)速度控制系，計(jì)算機(jī)模擬及仿真顯示該系統(tǒng)能夠較好地滿足此種特殊要求?？刂圃砜驁D如圖3所示。

根據(jù)上述原理，比例溢流閥和比例換向閥選擇ATOS產(chǎn)品，控制液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；油路上安裝有防氣蝕閥和安全閥，兩個(gè)壓力傳感器隨時(shí)監(jiān)測(cè)液壓馬達(dá)的進(jìn)出油口壓力，監(jiān)測(cè)反向負(fù)載沖擊瞬間，計(jì)算機(jī)控制比例換向閥穩(wěn)定輸出起降速度；液壓馬達(dá)進(jìn)出油口間安裝固定節(jié)流口用以調(diào)節(jié)馬達(dá)泄漏量，優(yōu)化馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性。馬達(dá)及減速機(jī)為國(guó)產(chǎn)力士樂產(chǎn)品，減速機(jī)自帶抱閘制動(dòng)系統(tǒng)，馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速為22.7r/min，工作時(shí)最高壓力25MPa，最大工作流量350L/min。

3.2 減速機(jī)抱閘控制系統(tǒng)

為安全起見，采用帶有抱閘系統(tǒng)的減速機(jī)，當(dāng)控制油口無壓時(shí)，抱閘抱死。減速機(jī)抱閘系統(tǒng)對(duì)起降系統(tǒng)提供制動(dòng)功能，工作機(jī)制是“機(jī)械鎖死，液壓松開”。通過溢流閥控制出油口油液壓力。另外，該系統(tǒng)的液壓泵同時(shí)為起降系統(tǒng)的比例泵提供外部控制油，壓力依靠減壓閥調(diào)節(jié)。

4 井架系統(tǒng)

井架系統(tǒng)由兩個(gè)環(huán)形防噴器和一個(gè)三閘板防噴器組成，用于對(duì)井下氣體介質(zhì)監(jiān)測(cè)、置換，及保證管柱順利通過且井內(nèi)高壓不外泄工作，井架系統(tǒng)液壓原理如圖4所示。

4.1 環(huán)形防噴器及固定卡瓦

環(huán)形防噴器用于提升與下放管柱過程中卡緊管柱，以防造成管口油噴及井內(nèi)氣體介質(zhì)外泄。為了便于管箍順利通過，采用上下兩組環(huán)形防噴器結(jié)構(gòu)，作業(yè)過程中，將兩個(gè)環(huán)形防噴器同時(shí)控制關(guān)閉來密封環(huán)進(jìn)行強(qiáng)制起下管柱，當(dāng)有管箍經(jīng)過時(shí)，上下環(huán)形防噴器交替打開，可以有效地防止井內(nèi)氣體介質(zhì)外泄及油噴。環(huán)形防噴器設(shè)定額定工作壓力為21MPa，活塞運(yùn)動(dòng)行程為125mm，工作流量為120L/min，同時(shí)，在兩個(gè)環(huán)形防噴器之間安裝冷卻系統(tǒng)，對(duì)管柱進(jìn)行降溫。

4.2 三閘板防噴器

三閘板防噴器是修井機(jī)的安全防噴設(shè)備，在井口發(fā)生緊急故障時(shí)，三閘板防噴器觸發(fā)啟動(dòng)，切斷管柱并夾緊管柱，以防管柱由于壓力變化掉入井內(nèi)；另外，三閘板及時(shí)進(jìn)行封住井口，以防井口發(fā)生井噴現(xiàn)象及井內(nèi)介質(zhì)外泄。三閘板結(jié)構(gòu)分為全封閘板、剪切閘板和半封閘板，設(shè)定額定工作壓力為21MPa，工作流量為120L/min。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵元器件工作狀態(tài)及無人化操作過程中井下氣體介質(zhì)的監(jiān)測(cè)。在修井機(jī)上提與下放管柱的過程中，當(dāng)管箍通過上、下環(huán)形防噴器時(shí)，井下有害氣體介質(zhì)可能隨著管柱一起排出，因此，若發(fā)現(xiàn)有害氣體，則需處理后再排除。同時(shí)還需對(duì)壓力及溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證設(shè)備性能的穩(wěn)定性及安全性。系統(tǒng)線路由儀表觸點(diǎn)和報(bào)警指示燈組成，當(dāng)其中某項(xiàng)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將會(huì)觸動(dòng)儀表觸點(diǎn)，閉合回路，這時(shí)相對(duì)應(yīng)的報(bào)警指示燈將會(huì)閃亮，便于工作人員調(diào)節(jié)與控制。

5 液壓泵站

液壓泵站向起升系統(tǒng)、強(qiáng)制起下系統(tǒng)、井架系統(tǒng)及機(jī)械手控制系統(tǒng)等液壓執(zhí)行設(shè)備提供液壓油，即向液壓設(shè)備元件提供動(dòng)力和壓力，使液壓設(shè)備完成規(guī)定的動(dòng)作，如圖5所示。

液壓泵站由液壓泵、防爆電機(jī)、液壓油、溢流閥、節(jié)流閥、方向閥及控制閥等液壓裝置構(gòu)成，另外還包括水冷與風(fēng)冷卻裝置、溫度傳感器及液位計(jì)等輔助裝置。修井機(jī)工作過程中，有時(shí)多個(gè)液壓設(shè)備同時(shí)工作，因此泵站采用3個(gè)油泵，其中1、2泵共用一個(gè)防爆電機(jī)，同時(shí)為節(jié)約油液，油泵共用一個(gè)油箱。在石油開采現(xiàn)場(chǎng)，修井設(shè)備需晝夜不停地工作，液壓泵站也將持續(xù)工作，導(dǎo)致泵站內(nèi)部設(shè)備元件溫度可能升高，這樣容易損壞設(shè)備，同時(shí)安全保障也存在隱患，因此，需在泵站安裝水冷及風(fēng)冷裝置，給相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行降溫處理。另外，修井設(shè)備所處環(huán)境較惡劣，開采工作常年進(jìn)行，工作溫度為-40～50℃，液壓泵站內(nèi)部則需安裝溫度傳感器，對(duì)設(shè)備元件及油液進(jìn)行監(jiān)測(cè)，冬天溫度過低時(shí)，設(shè)備元件選用耐低溫材料，對(duì)油液進(jìn)行加熱處理。

5 結(jié)語

目前設(shè)備正在油田使用中，運(yùn)行狀況良好，通過該設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、使用可以得出如下結(jié)論：液控系統(tǒng)能夠方便、直觀、可靠地完成對(duì)舉升缸、防噴器等執(zhí)行元件的控制工作。采用防爆比例減壓閥控制比例變量泵的技術(shù)方案既滿足了液壓系統(tǒng)改變流量的要求，又達(dá)到了電器系統(tǒng)對(duì)防爆特性的要求，是一個(gè)較理想的解決方案。電器系統(tǒng)能夠很好地控制泵以及電磁閥等元件的啟停，顯示各執(zhí)行元件的工作狀態(tài)，并且在出現(xiàn)狀況是能夠發(fā)出警報(bào)。

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