鉆井氣密封檢測(cè)作業(yè)用液壓絞車防吊改進(jìn)研究

楊如意，段立俊，楊 毅，馬曉偉，于成龍

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

進(jìn)行氣密封檢測(cè)作業(yè)時(shí)，需要通過液壓絞車對(duì)封隔器進(jìn)行起吊，實(shí)現(xiàn)封隔器下至套管內(nèi)合適位置進(jìn)行坐封以及封隔器解封后吊出套管進(jìn)入小鼠洞下一根套管內(nèi)的功能。液壓絞車通常采用手動(dòng)操作方式，通過操作手柄控制絞車滾筒收繩、放繩和停止位。

雖然在井場(chǎng)會(huì)使用鋼絲繩對(duì)絞車本體進(jìn)行固定，但是在氣密封檢測(cè)作業(yè)過程中，由于封隔器卡落時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力特別大，還是常常會(huì)出現(xiàn)液壓絞車被反吊起的現(xiàn)象，具體有兩種情況（見圖1）。

圖1 液壓絞車被反吊起兩種情況

（1）絞車收繩時(shí)由于套管內(nèi)部結(jié)冰或者封隔器橡膠材料在套管內(nèi)部擠壓摩擦導(dǎo)致封隔器卡住，絞車滾筒持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，反吊起絞車。

（2）絞車手柄處于中位、絞車滾筒停止時(shí)，由于下套管作業(yè)人員誤以為封隔器已解封，開始進(jìn)行下套管作業(yè)，帶動(dòng)封隔器下落，由于絞車滾筒不轉(zhuǎn)動(dòng)，從而反吊起絞車。

由于整個(gè)氣密封檢測(cè)作業(yè)過程中作業(yè)人員一直在操作絞車手柄，一旦絞車被反吊起，就會(huì)在空中來回悠蕩，對(duì)工作人員的人身安全將產(chǎn)生巨大的威脅，同時(shí)絞車在被吊起的瞬間會(huì)受到較大的沖擊力，其使用壽命也會(huì)受到一定的影響。

1 整體技術(shù)路線

針對(duì)前面兩種液壓絞車被反吊起的情況進(jìn)行分析，從而確定改進(jìn)思路：

第一種情況：封隔器卡住時(shí)→初步改進(jìn)思路：絞車滾筒立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)或者自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉爬K狀態(tài)；

第二種情況：封隔器未解封隨套管下落時(shí)→初步改進(jìn)思路：絞車自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉爬K狀態(tài)。

綜上，可以確定總體改進(jìn)思路：當(dāng)封隔器出現(xiàn)以上兩種情況時(shí)，液壓絞車滾筒自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉爬K狀態(tài)。

針對(duì)前面的改進(jìn)思路可以確定液壓絞車改進(jìn)的整體技術(shù)路線（見圖2）。

圖2 液壓絞車改進(jìn)整體技術(shù)路線

2 技術(shù)分析

2.1 絞車液壓系統(tǒng)改進(jìn)研究

2.1.1 現(xiàn)有絞車液壓原理

這里的技術(shù)分析針對(duì)的絞車型號(hào)為BTJ2.5T液壓絞車，負(fù)載能力為2.5t，系統(tǒng)壓力16MPa，絞車的液壓工作原理見圖3（a），它主要是通過Y 型手動(dòng)三位四通換向閥實(shí)現(xiàn)絞車收繩、停止和放繩三個(gè)工作狀態(tài)。

制動(dòng)系統(tǒng)通過梭閥進(jìn)行控制，Y 型手動(dòng)三位四通換向閥處于中間停止位時(shí)，梭閥兩個(gè)輸入端壓力相同，無輸出，馬達(dá)制動(dòng)器工作；當(dāng)Y型手動(dòng)三位四通換向閥導(dǎo)通、絞車滾筒處于收繩或放繩狀態(tài)時(shí)，梭閥兩端輸入壓力不同，輸出端帶壓，馬達(dá)制動(dòng)器停止工作。

為避免絞車放繩過程中吊物發(fā)生失重情況，絞車液壓系統(tǒng)還引入了平衡閥來克服“負(fù)負(fù)載”現(xiàn)象。

絞車收繩時(shí)，Y型手動(dòng)三位四通換向閥右側(cè)導(dǎo)通，進(jìn)油口P、回油口T 打開，工作油口A 進(jìn)油、B 出油，平衡閥導(dǎo)通，梭閥右側(cè)輸入端壓力高，梭閥輸出端帶壓，馬達(dá)制動(dòng)器停止制動(dòng)，馬達(dá)在液壓油的帶動(dòng)下帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)收繩；絞車放繩時(shí)，Y 型手動(dòng)三位四通換向閥左側(cè)導(dǎo)通，進(jìn)油口P、回油口T 打開，工作油口B 進(jìn)油、A 出油，平衡閥在檢測(cè)B 口進(jìn)油壓力達(dá)到設(shè)定值后導(dǎo)通，梭閥左側(cè)輸出端壓力高，梭閥輸出端帶壓，馬達(dá)制動(dòng)器停止制動(dòng)，馬達(dá)在液壓油的帶動(dòng)下帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)放繩；絞車處于停止位時(shí)，Y 型手動(dòng)三位四通換向閥處于中間位，進(jìn)油口P 關(guān)閉，工作油口A、B 與回油口T 相通，液壓系統(tǒng)處于浮動(dòng)狀態(tài)，梭閥兩端壓力相同，輸出端無壓力，馬達(dá)制動(dòng)器工作，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)[1-5]。

2.1.2 絞車液壓系統(tǒng)改進(jìn)

針對(duì)改進(jìn)思路這里提出了兩種改進(jìn)方案（以收繩時(shí)封隔器卡住為例進(jìn)行原理說明）：

（1）引入四個(gè)兩位兩通電磁閥[見圖3（b）]。絞車收繩時(shí)電磁閥①、②處于打開狀態(tài)，③、④處于關(guān)閉狀態(tài)。封隔器出現(xiàn)卡住情況后，4 個(gè)電磁閥立即動(dòng)作，電磁閥①、②立即關(guān)閉，③、④立即開啟，絞車從收繩狀態(tài)立即轉(zhuǎn)換成放繩狀態(tài)，從而解決絞車反吊起問題。絞車處于停止位時(shí)封隔器未解封隨套管下落的情況原理與之類似[6]。

（2）Y 型手動(dòng)三位四通換向閥改成Y 型比例三位四通電磁閥+電位計(jì)[見圖3（c）]。正常操作時(shí)與原絞車操作方式相似，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位計(jì)控制絞車收放繩狀態(tài)和停止位。

收繩時(shí)Y 型比例三位四通電磁閥右側(cè)導(dǎo)通，封隔器出現(xiàn)卡住情況后，電磁閥立即動(dòng)作，切換至左側(cè)導(dǎo)通，絞車立刻切換至放繩狀態(tài)，從而解決絞車反吊起問題。絞車處于停止位時(shí)封隔器未解封隨套管下落的情況原理與之類似[7]。

2.1.3 兩種改進(jìn)方式比較

（1）引入四個(gè)兩位兩通電磁閥。

優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，僅需通過控制四個(gè)電磁閥動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)絞車防吊功能；

缺點(diǎn)：改進(jìn)的絞車液壓系統(tǒng)需引入4 個(gè)電磁閥，整體占用空間大，結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。

（2）Y 型手動(dòng)三位四通換向閥改成Y 型比例三位四通電磁閥+電位計(jì)。

優(yōu)點(diǎn)：液壓系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)改動(dòng)不大，僅需將手動(dòng)換向閥更換成比例電磁閥；

缺點(diǎn)：電位計(jì)的設(shè)計(jì)、手動(dòng)和自動(dòng)切換功能的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)較復(fù)雜。

綜合以上兩種改進(jìn)方法，綜合考慮到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難易程度以及絞車液壓系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)復(fù)雜性，并充分征求氣密封現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員意見，決定采用手動(dòng)換向閥改成比例電磁閥+電位計(jì)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

2.2 傳感器研選

針對(duì)封隔器卡落現(xiàn)象發(fā)生時(shí)絞車各部分可能產(chǎn)生的參數(shù)變化，可采用三種傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集及傳輸功能。

（1）拉力傳感器：安裝在鋼絲繩與封隔器之間，可直接檢測(cè)封隔器卡落狀態(tài)，進(jìn)行拉力信號(hào)采集傳輸。缺點(diǎn)：井場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，需采用無線傳感器，成本較高。

圖3 液壓絞車改進(jìn)原理圖

（2）扭矩傳感器：安裝在滾筒與液壓馬達(dá)之間，可直接監(jiān)測(cè)絞車傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩變化，進(jìn)行扭矩信號(hào)采集傳輸。缺點(diǎn)：安裝時(shí)需對(duì)原有絞車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，成本較高，且需根據(jù)不同井場(chǎng)絞車的位置進(jìn)行保護(hù)預(yù)警值計(jì)算。

（3）稱重傳感器：安裝在絞車底部，可直接監(jiān)測(cè)絞車本體受力狀態(tài)，進(jìn)行重力信號(hào)采集傳輸。缺點(diǎn)：井場(chǎng)地面不平，傳感器測(cè)值不準(zhǔn)，若加裝水平調(diào)平裝置，則增加成本及作業(yè)人員工作量。

考慮到傳感器安裝的難易程度以及實(shí)際使用過程中的簡(jiǎn)便性，決定采用無線拉力傳感器。由于封隔器需要進(jìn)入套管工作，所以對(duì)傳感器的尺寸要求很嚴(yán)格，因此需特制無線拉力傳感器組件（見圖4）。

圖4 無線拉力傳感器組件

特制的無線拉力傳感器組件主要由拉環(huán)、續(xù)航電池盒、應(yīng)變式拉力計(jì)、無線采集節(jié)點(diǎn)以及無線網(wǎng)關(guān)組成。除無線網(wǎng)關(guān)需放置在絞車本體內(nèi)部外，其余部件均需組裝在定制結(jié)構(gòu)中，并保證可以進(jìn)入套管內(nèi)部，考慮到四寸半套管外徑為114.3mm，壁厚8.56mm，因此定制結(jié)構(gòu)最大外徑需小于97.2mm，且外殼應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。傳感器無線傳輸同步精度為1ms，測(cè)量范圍在0～1t 之間（封隔器重量約為150kg），使用環(huán)境溫度范圍為-40℃～+60℃，具備防水功能[8-10]。

2.3 顯示操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣密封檢測(cè)作業(yè)人員反饋，絞車顯示操作系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）告警功能——封隔器出現(xiàn)卡落現(xiàn)象時(shí)發(fā)出報(bào)警；

（2）顯示功能——顯示當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)；

（3）輸入功能——可根據(jù)不同井場(chǎng)條件設(shè)定輸入給定參數(shù)；

（4）急停、復(fù)位功能——系統(tǒng)發(fā)生故障（如電磁閥不動(dòng)作等）時(shí)可手動(dòng)停止防吊保護(hù)系統(tǒng)工作；自動(dòng)放繩狀態(tài)下作業(yè)人員可手動(dòng)停止當(dāng)前放繩狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位[11]。

2.4 控制策略研究

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是液壓絞車實(shí)現(xiàn)防吊起功能的關(guān)鍵。圖5是改進(jìn)液壓絞車控制系統(tǒng)策略示意圖。

圖5 改進(jìn)液壓絞車控制系統(tǒng)策略示意圖

在氣密封檢測(cè)作業(yè)之前、固定絞車之后，應(yīng)打開保護(hù)控制系統(tǒng)電源，設(shè)定給定值F1和F2（其中F1是大于封隔器重量的特定值，F(xiàn)2是小于封隔器重量的特定值），然后解開急停開關(guān)，通過調(diào)節(jié)電位計(jì)控制比例電磁閥工作，使用絞車進(jìn)行氣密封檢測(cè)作業(yè)，此時(shí)絞車處于手動(dòng)操作狀態(tài)。

在氣密封檢測(cè)作業(yè)進(jìn)行的過程中拉力傳感器實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)傳輸采集到的拉力信號(hào)，當(dāng)采集值F 大于F1（超過封隔器重力）時(shí)，表明封隔器出現(xiàn)卡住或未解封隨套管下落情況，此時(shí)報(bào)警燈亮，控制系統(tǒng)立即斷開手動(dòng)操作回路，并控制比例電磁閥立即動(dòng)作，絞車自動(dòng)切換至放繩狀態(tài)，并維持10s（給作業(yè)人員預(yù)留的反應(yīng)時(shí)間）延時(shí)，供作業(yè)人員緊急處置[12-14]。

在延時(shí)的10s過程中，當(dāng)傳感器采集值F小于F2（小于封隔器重力）時(shí)，控制系統(tǒng)立即停止延時(shí)，并立即切換至手動(dòng)操作方式。這是因?yàn)樽鳂I(yè)人員通常在10s以內(nèi)即可采取有效措施保證絞車不會(huì)再被吊起，如在封隔器未解封隨套管下落時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)切換至放繩狀態(tài)后，司鉆可能在5s 內(nèi)就停止下套管操作，此時(shí)封隔器不再下落，絞車不再有被反吊起的風(fēng)險(xiǎn)，繼續(xù)放繩時(shí)傳感器采集值就會(huì)小于F2，若繼續(xù)放繩至10s延時(shí)結(jié)束，封隔器解封后由于鋼絲繩垂落較長(zhǎng)，它會(huì)立即在套管內(nèi)做自由落體運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)絞車本體產(chǎn)生一定的沖擊。因此，為了防止這種情況發(fā)生，控制系統(tǒng)要在傳感器采集值F小于F2的瞬間立即停止延時(shí)并切換至手動(dòng)操作方式。

在控制系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作的過程中，為防止系統(tǒng)誤判斷或放繩延時(shí)超時(shí)的情況發(fā)生，作業(yè)人員可通過按下復(fù)位按鈕將絞車切換至手動(dòng)操作狀態(tài)。

同時(shí)為了防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)硬件問題等現(xiàn)場(chǎng)無法解決的故障從而影響絞車的正常使用，這里設(shè)置了急停開關(guān)，按下急停開關(guān)后，控制保護(hù)系統(tǒng)不再工作，絞車僅有手動(dòng)操作方式。

絞車工作結(jié)束后，也需按下急停開關(guān)，并關(guān)閉控制保護(hù)系統(tǒng)電源。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這里針對(duì)市場(chǎng)上常用的幾種控制器進(jìn)行了優(yōu)選：

（1）單片機(jī)（MCU)。

優(yōu)點(diǎn)：適用于簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，價(jià)格低，使用方便；

缺點(diǎn)：主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)等因素的影響導(dǎo)致不易擴(kuò)展。

（2）DSP。

優(yōu)點(diǎn)：主要用于信號(hào)處理，適用于一些計(jì)算能力要求較高的場(chǎng)合，如視頻圖像處理、智能機(jī)器人等；

缺點(diǎn)：成本較單片機(jī)高。

（3）PLC。

優(yōu)點(diǎn)：主要適用于工業(yè)場(chǎng)合，是已調(diào)試成熟的單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性；

缺點(diǎn)：對(duì)于采集模擬量不多的系統(tǒng)，成本相對(duì)較高。

考慮到改進(jìn)絞車控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，且需要盡量減少控制系統(tǒng)占用的空間，以及成本因素，決定選用單片機(jī)控制系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。拉力計(jì)檢測(cè)的拉力信號(hào)被無線采集節(jié)點(diǎn)組件采集，然后無線傳輸?shù)浇g車內(nèi)部的無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)接收到信號(hào)后向單片機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理模塊傳輸，信號(hào)經(jīng)過處理后，通過向數(shù)字輸入/輸出模塊輸入相應(yīng)的設(shè)定值，再經(jīng)過單片機(jī)的控制電路模塊進(jìn)行運(yùn)算和輸出，就可以控制比例電磁閥動(dòng)作，從而控制絞車液壓系統(tǒng)的液壓馬達(dá)和滾筒，實(shí)現(xiàn)絞車的自動(dòng)放繩狀態(tài)的切換[15-18]。

圖6 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意圖

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的改進(jìn)液壓絞車通過引入三位四通比例電磁閥+電位計(jì)的組合控制系統(tǒng)，能夠有效防止氣密封檢測(cè)作業(yè)過程中封隔器發(fā)生卡落現(xiàn)象時(shí)絞車被反吊起的情況發(fā)生，保障了作業(yè)人員安全，減少了對(duì)絞車設(shè)備的瞬間沖擊，提高了絞車使用壽命。

（2）為改進(jìn)絞車開發(fā)的控制系統(tǒng)，充分考慮到了封隔器卡落現(xiàn)象發(fā)生時(shí)可能存在的各種情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)了兩個(gè)給定值F1和F2，同時(shí)附加了復(fù)位按鈕和急停開關(guān)，且整體改進(jìn)對(duì)原有絞車結(jié)構(gòu)未做太多更改，改進(jìn)成本低廉，使用方便。

（3）由于本改進(jìn)是針對(duì)絞車的液壓系統(tǒng)進(jìn)行的，而絞車液壓系統(tǒng)切換的反應(yīng)時(shí)間無法確定，不排除存在封隔器卡落現(xiàn)象發(fā)生后絞車被吊起再回落地面的情況，因此本改進(jìn)的效果還需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，但可以肯定的是，本改進(jìn)會(huì)大大減少原有絞車被吊起時(shí)對(duì)作業(yè)人員產(chǎn)生的威脅。