“單吊環”事故預防裝置

孟海軍++李娜++趙愛兵

摘 要：“單吊環”事故在鉆井、井下作業中發生的機率是較大的，使井口操作人員人身安全受到極大的威脅，造成嚴重的經濟損失。本文采用先進的傳感器技術，開發研制一種“單吊環”事故預防裝置，解決鉆井特別是井下作業中的”單吊環”問題。該裝置由吊環狀態檢測電路、信號邏輯判斷和處理電路、信號傳輸電路、自動控制系統、顯示及報警系統、供電系統等部分組成，能適應惡劣的井口環境，隨時監控負荷的變化，帶有危險狀態報警功能。

關鍵詞：石油；鉆井；井下；單吊環；預防

一、目的及意義

起、下鉆是鉆井、井下作業中的一種經常性、長時間、勞動強度大的聯合作業，由于司鉆和井口人員的操作失誤，就會在剛剛起鉆上提時發生“單吊環”事故。造成“單吊環”事故的原因大致有兩個方面：一是井內管柱遇卡，在上提管柱時造成跳鉆現象，一邊吊卡銷子飛出，吊環脫離吊卡，造成“單吊環”事故；二是井口操作工配合不當，當井口人員沒有同時掛上吊環時，司鉆起鉆，引發“單吊環”事故，導致掉鉆具、掉套管。

“單吊環”事故在鉆井、井下作業中發生的機率是較大的。以井下修井作業為例：一個班次起、下鉆高達200～300多次，工人的勞動強度大，易疲勞，易造成司鉆和井口人員的操作失誤，從而發生“單吊環”事故?！皢蔚醐h”事故一方面使井口操作人員人身安全受到極大的威脅，輕者受傷，重者死亡；另一方面導致掉鉆具、掉套管，造成的經濟損失輕者數萬元，重者導致井廢，損失上百萬元，屬于嚴重的惡性安全事故。

本項目研究的目的是采用先進的傳感器技術、可靠的自動控制電路和靈敏的剎車裝置，提供一種有效地防止“單吊環”和“危險吊環”起鉆的自動控制裝置，其有工作可靠、結構簡單、易于操作的特點，可以從根本上杜絕“單吊環”事故的發生。

二、國內現有技術分析

當前，在現場防止井口”單吊環”事故的方法大部分是在吊卡銷子上進行各種各樣的改進，也有少部分防止“單吊環”起鉆的自動控制裝置，但由于沒有考慮到惡劣的井口環境，只能停留在理論上，還不能在實際中進行應用?？傊?，目前在現場還沒有一種從根本上杜絕“單吊環”事故發生的方法，而作業現場迫切需要解決這一問題，來確保安全生產。

三、技術方案

本裝置由吊環狀態檢測電路、信號邏輯判斷和處理電路、信號傳輸電路、自動控制系統、顯示及報警系統、供電系統等部分組成，并分別安裝在吊環大鉤、司鉆操作箱上，利用現有的剎車裝置來完成控制。

（一）吊環狀態檢測電路

經分析，在起鉆時兩只吊環共有三種工作狀態，（1）正常吊環起鉆，當司鉆給氣上提時，兩只吊環都掛入了吊環的耳梁內，且均就位于耳梁的凹部；（2）掛”單吊環”起鉆，很明顯這就是指只有一只被掛入了吊環的耳梁內而進行的起鉆；（3）掛危吊環起鉆，兩只吊環雖然都已經掛入吊環的耳梁內，但在給氣上提到一定噸位之后（一般指是提升力≤大鉤行程彈簧的噸位），其吊環的一只甚至是兩只仍不能夠自行滑向耳梁的凹部——即不到位，這就定義為掛危吊環起鉆，因為它在繼續上提的過程中，很大的可能會發生脫環事故。

通過在各個取樣點設置各類信號采集裝置，分別檢測出危險區域、“單吊環”狀態、“危吊環”狀態、正常起下鉆狀態、提升負荷的大小等所需的各類電信號。在設計中考慮到井口的惡劣環境，欲采用先進的檢測技術以消除各種錯誤信號的產生，保證執行機構不發生誤動作。

（二）信號邏輯判斷和處理電路

將采集裝置采集到的各種信號在這里進行邏輯分析、判斷、放大，最終輸出控制系統所要的控制指令。此部分可采用專用的集成電路來完成信號的分析、判斷和放大。

（三）信號傳輸電路

該部分完成控制指令從信號邏輯判斷和處理電路到自動控制系統的信號傳輸，由于吊環的特殊工作方式，本裝置需選擇合理的傳輸結構來完成這一過程。

（四）自動控制系統

獲取自動控制指令后，自動控制系統要驅動執行機構動作，為鉆機剎車裝置提供動作命令，此裝置同時提供各類采集信號的顯示和報警信號，以提醒司鉆做出相應的判斷。

（五）供電系統

由于現場情況的特殊性，使供電電源成為一個必須解決的問題，為此設計了專用的供電系統，以保證各種電路的正常工作。

四、主要技術指標

（一）隨時監控負荷的變化，帶有危險狀態報警功能；

（二）傳感器的設置靈敏、可靠，檢測精度±0.5%，機構誤動作為零；

（三）工作電源電壓為DC+12V和DC+24V；

（四）安裝自動控制系統后不影響正常的井口作業；

（五）具有防水、防震、防泥漿等功能，能適應惡劣的井口環境；

（六）長期連續工作，且有較高的可靠性，系統故障率≤0.1‰；

（七）在-30℃～+60℃的環境溫度下，可保持系統可靠運行。

五、現場試驗

先后在華北石油井控中心、華北石油采油一廠作業大隊、華北石油利德機電總廠進行了現場試驗，結果如下：

（一）安裝簡單，該裝置是在現有修井作業機的游車大鉤和司鉆操作臺的基礎上進行安裝的，不需要其它輔助設備，通過簡單連接組件就可以完成。

（二）能適應惡劣的井口環境。由于采用特殊的防水、防油污、防泥漿的措施，該裝置的各個部件防護級別都為IP65級。

（三）傳感器靈敏可靠，報警指示準確，剎車動作可靠，能夠有效的防止“單吊環”事故的發生。

（四）供電時間長、電氣部分能耗低。由于采用高能量鋰離子充電電池組供電和低能耗的設計思想，本裝置能耗低，供電時間長，完全能夠保證兩個井下作業班次的需要。

六、結論

（一）本裝置采用硅微機械傳感器技術和霍爾傳感器技術，解決了惡劣井口環境信號取樣難的問題。

（二）設置了串口數據通訊接口，便于取樣和控制參數的設定。

（三）設計、加工、裝配、檢測工藝已成熟，已具備批量生產的條件。

（四）整體結構設計合理，主要技術參數和性能指標均達到設計要求。

（五）現場應用表明，效果顯著，運行平穩可靠，具有較高的應用、推廣價值。

參考文獻：

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