孟海軍++李娜++趙愛兵
摘 要:“單吊環(huán)”事故在鉆井、井下作業(yè)中發(fā)生的機(jī)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(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文采用先進(jìn)的傳感器技術(shù),開發(fā)研制一種“單吊環(huán)”事故預(yù)防裝置,解決鉆井特別是井下作業(yè)中的”單吊環(huán)”問題。該裝置由吊環(huán)狀態(tài)檢測(cè)電路、信號(hào)邏輯判斷和處理電路、信號(hào)傳輸電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)、顯示及報(bào)警系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等部分組成,能適應(yīng)惡劣的井口環(huán)境,隨時(shí)監(jiān)控負(fù)荷的變化,帶有危險(xiǎn)狀態(tài)報(bào)警功能。
關(guān)鍵詞:石油;鉆井;井下;單吊環(huán);預(yù)防
一、目的及意義
起、下鉆是鉆井、井下作業(yè)中的一種經(jīng)常性、長(zhǎng)時(shí)間、勞動(dòng)強(qiáng)度大的聯(lián)合作業(yè),由于司鉆和井口人員的操作失誤,就會(huì)在剛剛起鉆上提時(shí)發(fā)生“單吊環(huán)”事故。造成“單吊環(huán)”事故的原因大致有兩個(gè)方面:一是井內(nèi)管柱遇卡,在上提管柱時(shí)造成跳鉆現(xiàn)象,一邊吊卡銷子飛出,吊環(huán)脫離吊卡,造成“單吊環(huán)”事故;二是井口操作工配合不當(dāng),當(dāng)井口人員沒有同時(shí)掛上吊環(huán)時(shí),司鉆起鉆,引發(fā)“單吊環(huán)”事故,導(dǎo)致掉鉆具、掉套管。
“單吊環(huán)”事故在鉆井、井下作業(yè)中發(fā)生的機(jī)率是較大的。以井下修井作業(yè)為例:一個(gè)班次起、下鉆高達(dá)200~300多次,工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大,易疲勞,易造成司鉆和井口人員的操作失誤,從而發(fā)生“單吊環(huán)”事故?!皢蔚醐h(huán)”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(dǎo)致掉鉆具、掉套管,造成的經(jīng)濟(jì)損失輕者數(shù)萬元,重者導(dǎo)致井廢,損失上百萬元,屬于嚴(yán)重的惡性安全事故。
本項(xiàng)目研究的目的是采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、可靠的自動(dòng)控制電路和靈敏的剎車裝置,提供一種有效地防止“單吊環(huán)”和“危險(xiǎn)吊環(huán)”起鉆的自動(dòng)控制裝置,其有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作的特點(diǎn),可以從根本上杜絕“單吊環(huán)”事故的發(fā)生。
二、國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)分析
當(dāng)前,在現(xiàn)場(chǎng)防止井口”單吊環(huán)”事故的方法大部分是在吊卡銷子上進(jìn)行各種各樣的改進(jìn),也有少部分防止“單吊環(huán)”起鉆的自動(dòng)控制裝置,但由于沒有考慮到惡劣的井口環(huán)境,只能停留在理論上,還不能在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用??傊壳霸诂F(xiàn)場(chǎng)還沒有一種從根本上杜絕“單吊環(huán)”事故發(fā)生的方法,而作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)迫切需要解決這一問題,來確保安全生產(chǎn)。
三、技術(shù)方案
本裝置由吊環(huán)狀態(tài)檢測(cè)電路、信號(hào)邏輯判斷和處理電路、信號(hào)傳輸電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)、顯示及報(bào)警系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等部分組成,并分別安裝在吊環(huán)大鉤、司鉆操作箱上,利用現(xiàn)有的剎車裝置來完成控制。
(一)吊環(huán)狀態(tài)檢測(cè)電路
經(jīng)分析,在起鉆時(shí)兩只吊環(huán)共有三種工作狀態(tài),(1)正常吊環(huán)起鉆,當(dāng)司鉆給氣上提時(shí),兩只吊環(huán)都掛入了吊環(huán)的耳梁內(nèi),且均就位于耳梁的凹部;(2)掛”單吊環(huán)”起鉆,很明顯這就是指只有一只被掛入了吊環(huán)的耳梁內(nèi)而進(jìn)行的起鉆;(3)掛危吊環(huán)起鉆,兩只吊環(huán)雖然都已經(jīng)掛入吊環(huán)的耳梁內(nèi),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(huán)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(huán)起鉆,因?yàn)樗诶^續(xù)上提的過程中,很大的可能會(huì)發(fā)生脫環(huán)事故。
通過在各個(gè)取樣點(diǎn)設(shè)置各類信號(hào)采集裝置,分別檢測(cè)出危險(xiǎn)區(qū)域、“單吊環(huán)”狀態(tài)、“危吊環(huán)”狀態(tài)、正常起下鉆狀態(tài)、提升負(fù)荷的大小等所需的各類電信號(hào)。在設(shè)計(jì)中考慮到井口的惡劣環(huán)境,欲采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)以消除各種錯(cuò)誤信號(hào)的產(chǎn)生,保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)不發(fā)生誤動(dòng)作。
(二)信號(hào)邏輯判斷和處理電路
將采集裝置采集到的各種信號(hào)在這里進(jìn)行邏輯分析、判斷、放大,最終輸出控制系統(tǒng)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(hào)的分析、判斷和放大。
(三)信號(hào)傳輸電路
該部分完成控制指令從信號(hào)邏輯判斷和處理電路到自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸,由于吊環(huán)的特殊工作方式,本裝置需選擇合理的傳輸結(jié)構(gòu)來完成這一過程。
(四)自動(dòng)控制系統(tǒng)
獲取自動(dòng)控制指令后,自動(dòng)控制系統(tǒng)要驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,為鉆機(jī)剎車裝置提供動(dòng)作命令,此裝置同時(shí)提供各類采集信號(hào)的顯示和報(bào)警信號(hào),以提醒司鉆做出相應(yīng)的判斷。
(五)供電系統(tǒng)
由于現(xiàn)場(chǎng)情況的特殊性,使供電電源成為一個(gè)必須解決的問題,為此設(shè)計(jì)了專用的供電系統(tǒng),以保證各種電路的正常工作。
四、主要技術(shù)指標(biāo)
(一)隨時(shí)監(jiān)控負(fù)荷的變化,帶有危險(xiǎn)狀態(tài)報(bào)警功能;
(二)傳感器的設(shè)置靈敏、可靠,檢測(cè)精度±0.5%,機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作為零;
(三)工作電源電壓為DC+12V和DC+24V;
(四)安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)后不影響正常的井口作業(yè);
(五)具有防水、防震、防泥漿等功能,能適應(yīng)惡劣的井口環(huán)境;
(六)長(zhǎng)期連續(xù)工作,且有較高的可靠性,系統(tǒng)故障率≤0.1‰;
(七)在-30℃~+60℃的環(huán)境溫度下,可保持系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
五、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
先后在華北石油井控中心、華北石油采油一廠作業(yè)大隊(duì)、華北石油利德機(jī)電總廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果如下:
(一)安裝簡(jiǎn)單,該裝置是在現(xiàn)有修井作業(yè)機(jī)的游車大鉤和司鉆操作臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行安裝的,不需要其它輔助設(shè)備,通過簡(jiǎn)單連接組件就可以完成。
(二)能適應(yīng)惡劣的井口環(huán)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(gè)部件防護(hù)級(jí)別都為IP65級(jí)。
(三)傳感器靈敏可靠,報(bào)警指示準(zhǔn)確,剎車動(dòng)作可靠,能夠有效的防止“單吊環(huán)”事故的發(fā)生。
(四)供電時(shí)間長(zhǎng)、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(shè)計(jì)思想,本裝置能耗低,供電時(shí)間長(zhǎng),完全能夠保證兩個(gè)井下作業(yè)班次的需要。
六、結(jié)論
(一)本裝置采用硅微機(jī)械傳感器技術(shù)和霍爾傳感器技術(shù),解決了惡劣井口環(huán)境信號(hào)取樣難的問題。
(二)設(shè)置了串口數(shù)據(jù)通訊接口,便于取樣和控制參數(shù)的設(shè)定。
(三)設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢測(cè)工藝已成熟,已具備批量生產(chǎn)的條件。
(四)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
(五)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,效果顯著,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,具有較高的應(yīng)用、推廣價(jià)值。
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