一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)扭矩控制的防單吊環(huán)事故裝置

馬繼光，鄒濤，馬利進(jìn)

（1．西部鉆探工程有限公司設(shè)備處，新疆 烏魯木齊 830000；2．天水電氣工程有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000）

起鉆是鉆井作業(yè)中一種長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)性、高強(qiáng)度的配合作業(yè)，由于人為違反操作規(guī)程導(dǎo)致操作失誤，如兩只吊環(huán)其中一只沒有掛入吊卡內(nèi)，就會(huì)在剛起鉆上提時(shí)發(fā)生“單吊環(huán)”事故，即井內(nèi)油管折彎或折斷、鉆具落井、吊環(huán)彈起傷人等。單吊環(huán)事故屬于石油鉆井行業(yè)極易發(fā)生且損失巨大的事故。傳統(tǒng)的吊環(huán)保護(hù)裝置大多用氣路、液路控制盤剎、離合器的方式來實(shí)現(xiàn)，對(duì)操作人員要求高，改變司鉆常規(guī)操作習(xí)慣，普遍存在保護(hù)延時(shí)、中斷、失效等風(fēng)險(xiǎn)，而且多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用時(shí)間過長(zhǎng)，也會(huì)增加設(shè)備出問題的風(fēng)險(xiǎn)[1－4]。有些研究人員著眼于吊環(huán)保護(hù)的輔助系統(tǒng)，從監(jiān)測(cè)、建模、分析等角度出發(fā)，盡量避免單吊環(huán)事故的發(fā)生，并未從根本原因去解決問題。根據(jù)鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)所反映的情況，插銷的結(jié)構(gòu)也是難點(diǎn)，能否適配各個(gè)吊卡型號(hào)也是學(xué)者所探究的問題。

本文所提出的防單吊環(huán)事故主要構(gòu)成裝置插銷盒控制箱利用無線智能感應(yīng)插銷檢測(cè)插銷是否正常，當(dāng)滿足保護(hù)運(yùn)行條件時(shí)，裝置預(yù)防單吊環(huán)保護(hù)功能啟動(dòng)，連鎖變頻器動(dòng)態(tài)輸出扭矩值。為了解決傳統(tǒng)裝置的缺陷，該裝置首先在插銷結(jié)構(gòu)層面采用一體式鑄造方式，外部無任何機(jī)械結(jié)構(gòu)及電纜，用304不銹鋼澆筑而成，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)增加插銷的便攜性，內(nèi)置470MHZ無線信號(hào)發(fā)射板，遠(yuǎn)程傳輸狀態(tài)信號(hào)，便于HMI實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)插銷狀態(tài)，并通過PLC與變頻器連鎖輸出控制電纜限制絞車出力，實(shí)現(xiàn)單吊環(huán)事故發(fā)生時(shí)絞車無法上提操作，從而避免造成人員傷亡、設(shè)備損壞的情況。

1 分段保護(hù)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)提升系統(tǒng)的核心包括井架、天車、游車、大鉤、鋼絲繩和絞車等設(shè)備組成如圖1所示。提升系統(tǒng)的運(yùn)行總體是司鉆發(fā)出指令，指令信號(hào)輸入變頻器，由變頻器驅(qū)動(dòng)絞車電機(jī)，再由操作人員進(jìn)行手柄給定，電機(jī)帶動(dòng)滾筒正向（反向）旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生拉力[5]。電機(jī)的扭矩越大，可帶動(dòng)的負(fù)載量越大，當(dāng)變頻調(diào)速器在額定頻率50HZ向下調(diào)速時(shí)，電機(jī)輸出功率變小，但是輸出扭矩不變，以額定的扭矩輸出。

圖1 鉆機(jī)提升系統(tǒng)示意圖

油鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)單吊環(huán)事故發(fā)生的范圍一般是在離吊卡坐落于鉆臺(tái)面上0～1m內(nèi)，當(dāng)司鉆進(jìn)行提鉆操作時(shí)，針對(duì)吊環(huán)卡入吊卡、插銷是否到位、扭矩是否到限定值的工況，通過零位、上提、插入及扭矩的變化來判斷起鉆裝置是否動(dòng)作；針對(duì)空吊環(huán)上提運(yùn)行、吊環(huán)帶吊卡但插銷未插入的工況，可以司鉆判斷解除保護(hù)，同時(shí)扭矩不做為判斷條件，達(dá)到控制的起鉆裝置是否動(dòng)作；由于保護(hù)只在吊環(huán)卡入吊卡正式上提時(shí)起作用，如果正式上提由司鉆判斷，控制保護(hù)主動(dòng)投入，則零位、上提、扭矩都不作為判斷條件，只判斷插銷是否插入實(shí)現(xiàn)控制起鉆裝置是否動(dòng)作的目的，分段保護(hù)流程圖如圖2所示。

圖2 分段保護(hù)流程圖

一般一根鉆柱高度約為30m左右，當(dāng)離鉆臺(tái)面0～1m范圍內(nèi)且上提時(shí)，本裝置啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，其余位置無論上提還是下放操作，都不進(jìn)行扭矩限制，絞車可進(jìn)行正常操作。當(dāng)出現(xiàn)吊卡插銷在保護(hù)范圍內(nèi)插銷未插到位的情況，將該工況下的信號(hào)傳輸?shù)阶冾l器，并在變頻器中做相應(yīng)的自適應(yīng)編程，實(shí)現(xiàn)扭矩動(dòng)態(tài)限幅。

本預(yù)防單吊環(huán)事故裝置需要一體式插銷2件、主控制箱1件、編碼器1件、電源電纜1根、連鎖控制電纜1根、編碼器電纜2根，針對(duì)模擬直流電控房設(shè)計(jì)扭矩限制值，便于動(dòng)態(tài)扭矩控制輸出。

2 動(dòng)態(tài)扭矩限幅

由于本裝置直接限定靜態(tài)扭矩值會(huì)導(dǎo)致負(fù)載量＞拉升力，尤其在絞車有一定位移的情況下，會(huì)導(dǎo)致鉆具下溜的現(xiàn)象發(fā)生[6－8]。以ABB變頻器ACS800為例，通過外部繼電器與連鎖控制線、絞車變頻器控制柜硬線連接如圖3所示。內(nèi)部采用自適應(yīng)編程，當(dāng)鉆機(jī)處于空游車狀態(tài)，在保護(hù)區(qū)間范圍內(nèi)絞車上提，插銷有一個(gè)未插到位或兩個(gè)都未插到位，扭矩限制觸發(fā)，此時(shí)允許空游車在保護(hù)范圍內(nèi)可以動(dòng)但是不能提動(dòng)任何鉆具。當(dāng)鉆機(jī)游車在保護(hù)范圍內(nèi)帶鉆具上提時(shí)，扭矩限制輸出不能提動(dòng)任何鉆具，如果鉆具重量大于扭矩限制值，則根據(jù)懸重變化情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)扭矩值，否則，就按空游車扭矩限幅輸出。

圖3 ACS800絞車A原理圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本裝置在Windows10 TIA Portal v16下進(jìn)行軟件編程，運(yùn)用Siemens HMI作為司鉆操作界面，便于觀察和操作，主要包括主監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、消息記錄界面、報(bào)警界面，分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 主監(jiān)控界面

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

圖6 消息記錄界面

圖7 報(bào)警界面

如圖4所示，“編碼器故障復(fù)位”按鈕，當(dāng)編碼器出現(xiàn)故障時(shí)，需人為確認(rèn)該故障，若無問題，點(diǎn)擊“編碼器故障復(fù)位”按鈕即可復(fù)位編碼器故障；“大鉤位置校零”按鈕，當(dāng)編碼器出現(xiàn)位置偏差時(shí)，點(diǎn)擊“大鉤位置校零”按鈕，位置還原為初始0m位置；“大鉤位置”顯示框上提下放游車，大鉤位置發(fā)生變化；“吊卡保護(hù)設(shè)定位置”表示單吊環(huán)事故發(fā)生區(qū)間位置一般0．3～0．5m，因此可設(shè)定保護(hù)區(qū)間范圍為0～1m；“起鉆模式激活”及“起鉆模式激活確認(rèn)”按鈕表示模式選擇開關(guān)旋至旁路時(shí)，觸摸屏起鉆模式激活指示燈顯示灰色，當(dāng)旋至起鉆模式并點(diǎn)擊“起鉆模式激活按鈕”時(shí)，起鉆模式激活指示燈變?yōu)榫G色并且系統(tǒng)投入保護(hù)；“進(jìn)入吊卡保護(hù)區(qū)間”表示當(dāng)大鉤位置位于吊卡保護(hù)區(qū)間內(nèi)時(shí)，進(jìn)入吊卡作業(yè)保護(hù)區(qū)間指示由灰色變?yōu)榫G色；“左、右插銷狀態(tài)”表示當(dāng)左右插銷分別插入吊卡且被檢測(cè)后，觸摸屏上左吊卡插銷狀態(tài)和右吊卡插銷狀態(tài)指示由灰色變?yōu)榫G色；“扭矩限制輸出”表示當(dāng)在保護(hù)狀態(tài)下插銷沒插到位時(shí)，觸摸屏上扭矩限狀態(tài)由灰色變?yōu)榧t色，智能控制箱的警報(bào)蜂鳴器變?yōu)榧t色并發(fā)出報(bào)警聲，繼電器動(dòng)作，扭矩限幅功能激活。

如圖5所示，參數(shù)設(shè)置界面相關(guān)參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)際設(shè)置，相關(guān)參數(shù)越精確，大鉤位置計(jì)算越準(zhǔn)確，當(dāng)大鉤顯示位置與實(shí)際位置有偏差時(shí)，可根據(jù)校正系數(shù)比例進(jìn)行微調(diào)大鉤位置操作。

如圖6所示，消息記錄界面主要將歷史報(bào)警記錄都進(jìn)行存儲(chǔ)，并存儲(chǔ)為文檔形式，方便故障追溯。

如圖7所示，報(bào)警功能界面主要從報(bào)警緩沖區(qū)獲取報(bào)警信息，掉電易消失，不具備存儲(chǔ)功能。

本裝置在巴州70088井隊(duì)及80005井隊(duì)功能已經(jīng)得到驗(yàn)證，70088井隊(duì)電控設(shè)備是直流模擬電控房，以下是實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

試驗(yàn)一：絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．506V

當(dāng)絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．506V時(shí)，電流限制過小，導(dǎo)致絞車以貓頭速度無法啟動(dòng)。

試驗(yàn)二：絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．475V

當(dāng)絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．475V時(shí)，絞車以貓頭速度可以啟動(dòng)，踩下腳踏后，絞車無法空游車上提。

試驗(yàn)三：絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．427V

當(dāng)絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．427V時(shí)，絞車以貓頭速度可以啟動(dòng)，踩下腳踏后，絞車無法空游車上提。

試驗(yàn)四：絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．393V

當(dāng)絞車電流限幅點(diǎn)調(diào)至0．393V時(shí)，絞車以貓頭速度可以啟動(dòng)，踩下腳踏后，空游車可輕微上提，當(dāng)噸位大于空游車噸位后，絞車上提無效。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 70088井隊(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

80005井隊(duì)電控設(shè)備是交流變頻電控房，以下是實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

單吊環(huán)保護(hù)裝置采用一體式插銷，分別對(duì)絞車單機(jī)、雙機(jī)工作情況進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)發(fā)生單耳環(huán)保護(hù)時(shí)，絞車上提噸位控制在5噸以內(nèi)。隨后，單耳環(huán)保護(hù)裝置投入實(shí)際使用，完成了一趟起下鉆工作（井深6300米），使用效果良好。滿足保護(hù)效果。具體測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。

表2 80005井隊(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

該裝置采用一體式插銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕巧、電池續(xù)航能力強(qiáng)、檢測(cè)穩(wěn)定可靠、使用非常便捷。在保護(hù)過程中，插銷狀態(tài)檢測(cè)可靠、信號(hào)傳輸穩(wěn)定，聯(lián)鎖控制輸出準(zhǔn)確，觸摸屏直觀顯示各類狀態(tài)信息。整套系統(tǒng)檢測(cè)保護(hù)功能可靠，單吊環(huán)保護(hù)時(shí)上提噸位可控制在5噸以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)功能應(yīng)用。系統(tǒng)具有旁路功能，故障時(shí)方便切出，不影響正常起下鉆。