液壓吊卡液壓系統(tǒng)優(yōu)化設計的探討

羅志遠 黃芳飛 馮起贈 孫明遠 劉雙瑩

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075；2.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，廊坊 065000）

在現(xiàn)代陸地和海洋石油鉆井系統(tǒng)中，液壓吊卡廣泛應用，特別是在高端自升式平臺、半潛式平臺以及鉆井船智能化鉆采系統(tǒng)中，已成為不可或缺的工具。在鉆桿、套管和油管等起下鉆過程中，使用液壓吊卡可以實現(xiàn)遠程操作，避免人員在井架二層臺作業(yè)，有效減少高空落物，使鉆臺環(huán)境更加安全[1]，降低了人員受傷風險。在新型液壓吊卡中應用，可求解出液壓吊卡各系統(tǒng)中可靠性的變化規(guī)律，找出系統(tǒng)的薄弱點，指出使用中需要注意的事項[2]。使用者可以提前進行預防性檢查和采取相應的應對風險措施，極大地提高了鉆井作業(yè)的安全性。傳統(tǒng)形式的純機械式吊卡存在較多缺點，如無法保證安全，現(xiàn)場工人工作勞動強度大，自動化程度低，無法使用同一個吊卡完成不同尺寸油桿管的作業(yè)，作業(yè)成本高[3]。液壓吊卡的出現(xiàn)大大簡化了傳統(tǒng)起下鉆或下套管操作工藝，提高了鉆修井作業(yè)效率，減輕了工人的勞動強度，增加了操作安全性，具有常規(guī)吊卡無法比擬的優(yōu)勢，是國內(nèi)外研究開發(fā)的重點，滿足了石油機械的自動化要求，是未來吊卡技術發(fā)展的必然趨勢[4]。

目前，NOV的BX系列液壓吊卡在全球范圍內(nèi)最具廣泛性，且成熟性高。但是，長期使用該產(chǎn)品后，相關人員發(fā)現(xiàn)其液壓控制系統(tǒng)存在安全隱患，需要對其進行研究并提出改進方案。

1 BX系列液壓吊卡結構組成及液壓控制原理

BX系列液壓吊卡由吊卡主體、補芯、吊卡左右門、門鎖、門鎖開關鉸鏈機構、門鎖機械鎖緊機構、吊卡旋裝置、門和鎖執(zhí)行液缸、液壓閥組以及液壓控制系統(tǒng)等組件組成，如圖1所示。

BX系列液壓吊卡由門和鎖液缸來控制液壓吊卡的左右門和門鎖關閉。裝備可根據(jù)鉆具尺寸大小選擇不同的補心進行更換。其中，補心由彈簧鎖緊銷軸鎖緊在吊卡上，更換十分方便。4片補心分別有安全繩連接，可以防止出現(xiàn)補心意外掉落，從而避免事故的發(fā)生。當鉆具觸碰吊卡中間補心時，補心會擠壓其后面的銷軸，引起銷軸移動，導致關閉吊卡的液壓換向閥換向，從而自動關閉液壓吊卡的門和鎖。液壓吊卡右門裝配彈簧復位的豎直機械鎖銷。該鎖銷在補心受到豎直向下負載時，通過連桿機構傳遞，在門鎖外面伸出，會阻止液壓吊卡鎖的打開，從而保證液壓吊卡門不會打開，起到安全保護的作用。當液壓吊卡關閉到位后，液壓吊卡會返回一個經(jīng)過減壓的壓強（約為6.895 MPa）。當頂驅(qū)上的液壓傳感器檢測到該壓強值時，控制系統(tǒng)默認液壓吊卡門和鎖緊機構已經(jīng)關閉到位，同時液壓吊卡返回另一路未經(jīng)減壓的液壓信號。它會控制液壓吊卡的旋轉(zhuǎn)裝置，使液缸處于浮動自由狀態(tài)（旋轉(zhuǎn)裝置液缸大小腔室連通），防止液壓吊卡從貓道機上扣住鉆具后，在頂驅(qū)提升過程中液壓吊卡旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化時旋轉(zhuǎn)裝置液缸被憋壓，導致液壓密封損壞泄漏。BX系列液壓吊卡外觀圖片如圖2所示。

2 BX系列液壓吊卡關閉過程原理

BX系列液壓吊卡原理圖如圖3所示。液壓吊卡處于打開狀態(tài)，主閥F閥芯處于中位。當鉆桿觸碰吊卡補心時，觸碰桿被壓縮進觸碰閥L，使觸碰閥L處于下位；壓強P從1管連接5管，推動主閥F閥芯，使主閥閥芯處于左位；壓強P通過主閥從1管連接7管，使門液缸活塞開始伸出；同時，壓強從7管通過液控單向閥Y到達液缸，液缸使活塞桿伸出，保持觸碰桿觸碰閥L挺桿，使閥L閥芯處于下位。當門液缸活塞伸出超過信號孔時，吊卡門已經(jīng)關閉到位，壓強從信號孔到達10管，打開液控單向閥K、X，壓強從7管到達11管，門鎖液缸活塞開始伸出。當門鎖液缸活塞將門鎖關閉后，壓強從門鎖液缸的信號孔到達12管，打開單向閥G，使壓強從7管經(jīng)G閥、24管、X閥、40管，再經(jīng)過Z閥到4管，然后經(jīng)減壓閥D減壓到約6.895 MPa，最后經(jīng)單向閥C返回XP，到達頂驅(qū)上的壓力傳感器（見圖4）。壓力傳感器接收到約6.895 MPa后，為司鉆傳遞吊卡已經(jīng)關閉到位信息。

關閉液壓吊卡時，有XP=6.895 MPa，P=13.790 MPa，F(xiàn)LOAT=P=13.790 MPa，T=MAX1.379 MPa。

3 BX系列液壓吊卡打開過程原理

由圖3和圖4可知，當司鉆通過觸屏控制使電磁閥FC1得電動作時，XP=15.168 MPa（至少大于壓強P13.790 MPa，才能推動F閥閥芯）時，閥E處于左位，3管壓強連通6管，推動F閥閥芯處于右位。同時，單向閥M被打開，壓強通過14管使門鎖液缸活塞回收，打開門鎖。此時，壓強通過門鎖液缸信號孔到達12管，打開液控單向閥閥H、G，壓強經(jīng)H閥使門液缸活塞回收，打開液壓吊卡門。另外，9管上的壓強打開液控單向閥閥Y，使觸碰桿液缸泄壓回收，TRIGGER回收，閥L在彈簧力作用下復位，閥芯處于上位，將5管壓強泄壓。此時，司鉆控制使電磁閥FC1失電，XP壓強消除，F(xiàn)閥閥芯兩端壓強解除，在閥芯彈簧力作用下，F(xiàn)閥閥芯回歸中位，完成打開液壓吊卡。

打開液壓吊卡時，有XP=15.168 MPa；P=13.790 MPa；FLOAT=0 MPa；T=MAX1.379 MPa。

4 現(xiàn)有技術的缺點

筆者在中海油服“凱旋一號”海上鉆井平臺使用液壓吊卡作業(yè)。多次故障原因表明，BX系列液壓吊卡在起下鉆過程中（見圖5），由于卸鉆具接頭時經(jīng)常由鉆井液（泥漿）流到液壓吊卡上，導致泥漿或其他雜質(zhì)從觸碰頂桿與閥體之間的間隙進入液壓控制系統(tǒng)到達觸碰閥L，導致觸碰閥L閥芯卡死在下位，彈簧力無法使閥芯回復到上位，從而導致液壓吊卡功能異常。取消頂驅(qū)操作權限后，打開液壓吊卡XP壓強泄壓，壓強P中的殘留壓強通過觸碰閥L閥到達主換向閥F左端，導致主換向閥F閥芯處在左位（正常閥芯處在中位），未經(jīng)觸碰機構，壓強P中的殘留壓強使液壓吊卡自動關閉（正常需要觸碰機構后，液壓吊卡才會關閉），存在較大的安全隱患。

國內(nèi)中海油服渤海某鉆井平臺鉆工更換BX系列液壓吊卡補心時，司鉆取消頂驅(qū)操作權限后，殘留壓強導致液壓吊卡意外關閉，鉆工被液壓吊卡夾傷大腿。事后檢查分析液壓吊卡意外關閉的原因，在于液壓吊卡觸碰閥L閥芯卡死在下位，因此必須對其進行改進，使系統(tǒng)運行更安全。BX系列吊卡換向閥L和換向閥F，如圖6所示。

5 改進措施

根據(jù)現(xiàn)場使用情況，筆者提出了一套控制液壓吊卡關閉方案。其中，取消液壓控制系統(tǒng)中控制液壓吊卡關閉的觸碰機構，引進另一路液壓源，改用3位4通電磁閥來控制液壓，從而關閉液壓吊卡，并在該控制關閉液壓油路中加裝小型濾芯，有效過濾在使用過程中因井口環(huán)境惡劣連接液壓接頭可能引入的雜質(zhì)，從而消除因雜質(zhì)進入觸碰閥L使其閥芯卡死導致功能異常的情況。另外，巧妙運用液壓互鎖原理設置互鎖液壓油路，防止液壓吊卡在使用過程中意外打開，提高液壓吊卡使用的安全性。

改進的吊卡液壓原理圖，如圖7和圖8所示。為了取代觸碰機構，引入一路3位4通電磁閥FC1來控制油路XP2[5]，XP2經(jīng)濾芯J、2位3通閥S、液控單向閥R到達L閥下部，作為L閥的控制油路。關閉BX系列液壓吊卡過程如下：司鉆通過操作按鈕使電磁閥FC1（見圖8）右側線圈得電動作，處于右位；控制油路到達XP2，XP2經(jīng)濾芯J和2位3通閥S使S閥閥芯移動，處于左位；控制油路經(jīng)過S閥往上到達液控單向閥R后再到L閥下部，推動L閥的閥芯，此時L閥的閥芯處在下位；接通主油路P的分路1和分路5，油路5推動主閥F閥芯，使主閥F閥芯處于左位，關閉液壓吊卡（由前面液壓吊卡關閉原理可知，主閥F閥芯處于左位時液壓吊卡會關閉）；當液壓吊卡關閉后，會返回一個表明液壓吊卡關閉的壓強信號，經(jīng)減壓閥D減壓到6.895 MPa，到達XP作為反饋信號；將該反饋信號引到液控單向閥N，打開單向閥N，使主油路P到達L閥下部，保證即使關閉指令結束，電磁閥FC1失電，導致XP2油路失壓；通過液控單向閥N的主油路P，也能保證L閥的閥芯處在下位不變，保證液壓吊卡大門一直處于關閉狀態(tài)；當液壓吊卡關閉后，司鉆通過操作按鈕使電磁閥FC1右側線圈失電；電磁閥在復位彈簧作業(yè)下，復位回到中位，XP2油路失壓，變?yōu)? MPa。改進的吊卡液壓外部控制原理圖，如圖8所示。

當打開液壓吊卡時，司鉆通過操作按鈕使電磁閥FC1（見圖8）左側線圈得電動作，處于左位，此時XP為15.168 MPa。XP壓強經(jīng)濾芯B、2位3通閥E到達主閥F閥芯右端，使主閥F閥芯處于右位，液壓吊卡打開。同時，把經(jīng)濾芯B的XP油路引一分路3到達液控單向閥R，打開液控單向閥R，將L閥下部壓強泄壓，使L閥閥芯在彈簧力作用下復位，L閥閥芯處于上位，將主閥F左端壓強卸除。打開指令結束后，司鉆通過操作按鈕使電磁閥FC1失電，此時XP為0 MPa，主閥F兩端控制壓強都為0 MPa。主閥F在兩端復位彈簧力作用下處于中位，液壓吊卡始終處于打開狀態(tài)。

從2018年9月至2020年5月，通過改進優(yōu)化的BX系列液壓吊卡控制系統(tǒng)，在國內(nèi)渤海灣中海油服某高端式自升式鉆井平臺上得到測試應用（見圖9），累計使用鉆井進尺達6 000 m。起下鉆過程中，液壓吊卡開關次數(shù)達1 000次以上，暫未出現(xiàn)開關異常故障問題，達到了預期改進優(yōu)化的目的。

6 結語

基于BX系列液壓吊卡液壓控制系統(tǒng)的研究和海上鉆井平臺現(xiàn)場應用出現(xiàn)的缺陷，研究設計了一套控制液壓吊卡開關的控制系統(tǒng)（圖7增加部分）。相對市場已有的BX系列產(chǎn)品，該系統(tǒng)取消了液壓控制系統(tǒng)中控制液壓吊卡關閉的觸碰機構，采用電磁閥控制壓強來關閉液壓吊卡，改進優(yōu)化液壓吊卡液壓系統(tǒng)開關互鎖邏輯關系，并在該控制關閉液壓油路中加裝小型濾芯，有效過濾在使用過程中因井口環(huán)境惡劣拆裝液壓接頭可能引入的雜質(zhì)，消除因雜質(zhì)進入觸碰閥存在的閥芯卡死隱患。即使液壓吊卡在起下鉆時受到鉆井泥漿澆灑的惡劣環(huán)境影響，依然能夠可靠安全高效工作。從2018年9月至2020年5月，改進的BX系列液壓吊卡控制系統(tǒng)在國內(nèi)渤海灣中海油服某高端式自升式鉆井平臺上得到測試應用，累計使用鉆井進尺達6 000 m。起下鉆過程中，液壓吊卡開關次數(shù)達1 000次以上，暫未出現(xiàn)開關異常故障問題。現(xiàn)場使用表明，改進優(yōu)化后的液壓吊卡在環(huán)境非常惡劣的鉆井工況下各動作工作正常穩(wěn)定，有效提升了液壓吊卡的穩(wěn)定性，使得工作更加安全穩(wěn)定可靠，達到了預期的改進優(yōu)化目的。