羅志遠(yuǎn) 黃芳飛 馮起贈(zèng) 孫明遠(yuǎn) 劉雙瑩

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)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(yīng)用，特別是在高端自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)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(guò)程中，使用液壓吊卡可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，避免人員在井架二層臺(tái)作業(yè)，有效減少高空落物，使鉆臺(tái)環(huán)境更加安全[1]，降低了人員受傷風(fēng)險(xiǎn)。在新型液壓吊卡中應(yīng)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(diǎn)，指出使用中需要注意的事項(xiàng)[2]。使用者可以提前進(jìn)行預(yù)防性檢查和采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(jī)械式吊卡存在較多缺點(diǎn)，如無(wú)法保證安全，現(xiàn)場(chǎng)工人工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度低，無(wú)法使用同一個(gè)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(jiǎn)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(dòng)強(qiáng)度，增加了操作安全性，具有常規(guī)吊卡無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，滿(mǎn)足了石油機(jī)械的自動(dòng)化要求，是未來(lái)吊卡技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[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(zhǎng)期使用該產(chǎn)品后，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)其液壓控制系統(tǒng)存在安全隱患，需要對(duì)其進(jìn)行研究并提出改進(jìn)方案。

1 BX系列液壓吊卡結(jié)構(gòu)組成及液壓控制原理

BX系列液壓吊卡由吊卡主體、補(bǔ)芯、吊卡左右門(mén)、門(mén)鎖、門(mén)鎖開(kāi)關(guān)鉸鏈機(jī)構(gòu)、門(mén)鎖機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)、吊卡旋裝置、門(mén)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(mén)和鎖液缸來(lái)控制液壓吊卡的左右門(mén)和門(mén)鎖關(guān)閉。裝備可根據(jù)鉆具尺寸大小選擇不同的補(bǔ)心進(jìn)行更換。其中，補(bǔ)心由彈簧鎖緊銷(xiāo)軸鎖緊在吊卡上，更換十分方便。4片補(bǔ)心分別有安全繩連接，可以防止出現(xiàn)補(bǔ)心意外掉落，從而避免事故的發(fā)生。當(dāng)鉆具觸碰吊卡中間補(bǔ)心時(shí)，補(bǔ)心會(huì)擠壓其后面的銷(xiāo)軸，引起銷(xiāo)軸移動(dòng)，導(dǎo)致關(guān)閉吊卡的液壓換向閥換向，從而自動(dòng)關(guān)閉液壓吊卡的門(mén)和鎖。液壓吊卡右門(mén)裝配彈簧復(fù)位的豎直機(jī)械鎖銷(xiāo)。該鎖銷(xiāo)在補(bǔ)心受到豎直向下負(fù)載時(shí)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)傳遞，在門(mén)鎖外面伸出，會(huì)阻止液壓吊卡鎖的打開(kāi)，從而保證液壓吊卡門(mén)不會(huì)打開(kāi)，起到安全保護(hù)的作用。當(dāng)液壓吊卡關(guān)閉到位后，液壓吊卡會(huì)返回一個(gè)經(jīng)過(guò)減壓的壓強(qiáng)（約為6.895 MPa）。當(dāng)頂驅(qū)上的液壓傳感器檢測(cè)到該壓強(qiáng)值時(shí)，控制系統(tǒng)默認(rèn)液壓吊卡門(mén)和鎖緊機(jī)構(gòu)已經(jīng)關(guān)閉到位，同時(shí)液壓吊卡返回另一路未經(jīng)減壓的液壓信號(hào)。它會(huì)控制液壓吊卡的旋轉(zhuǎn)裝置，使液缸處于浮動(dòng)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(jī)上扣住鉆具后，在頂驅(qū)提升過(guò)程中液壓吊卡旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化時(shí)旋轉(zhuǎn)裝置液缸被憋壓，導(dǎo)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(guān)閉過(guò)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(kāi)狀態(tài)，主閥F閥芯處于中位。當(dāng)鉆桿觸碰吊卡補(bǔ)心時(shí)，觸碰桿被壓縮進(jìn)觸碰閥L，使觸碰閥L處于下位；壓強(qiáng)P從1管連接5管，推動(dòng)主閥F閥芯，使主閥閥芯處于左位；壓強(qiáng)P通過(guò)主閥從1管連接7管，使門(mén)液缸活塞開(kāi)始伸出；同時(shí)，壓強(qiáng)從7管通過(guò)液控單向閥Y到達(dá)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(dāng)門(mén)液缸活塞伸出超過(guò)信號(hào)孔時(shí)，吊卡門(mén)已經(jīng)關(guān)閉到位，壓強(qiáng)從信號(hào)孔到達(dá)10管，打開(kāi)液控單向閥K、X，壓強(qiáng)從7管到達(dá)11管，門(mén)鎖液缸活塞開(kāi)始伸出。當(dāng)門(mén)鎖液缸活塞將門(mén)鎖關(guān)閉后，壓強(qiáng)從門(mén)鎖液缸的信號(hào)孔到達(dá)12管，打開(kāi)單向閥G，使壓強(qiáng)從7管經(jīng)G閥、24管、X閥、40管，再經(jīng)過(guò)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(dá)頂驅(qū)上的壓力傳感器（見(jiàn)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(guān)閉到位信息。

關(guān)閉液壓吊卡時(shí)，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(kāi)過(guò)程原理

由圖3和圖4可知，當(dāng)司鉆通過(guò)觸屏控制使電磁閥FC1得電動(dòng)作時(shí)，XP=15.168 MPa（至少大于壓強(qiáng)P13.790 MPa，才能推動(dòng)F閥閥芯）時(shí)，閥E處于左位，3管壓強(qiáng)連通6管，推動(dòng)F閥閥芯處于右位。同時(shí)，單向閥M被打開(kāi)，壓強(qiáng)通過(guò)14管使門(mén)鎖液缸活塞回收，打開(kāi)門(mén)鎖。此時(shí)，壓強(qiáng)通過(guò)門(mén)鎖液缸信號(hào)孔到達(dá)12管，打開(kāi)液控單向閥閥H、G，壓強(qiáng)經(jīng)H閥使門(mén)液缸活塞回收，打開(kāi)液壓吊卡門(mén)。另外，9管上的壓強(qiáng)打開(kāi)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(fù)位，閥芯處于上位，將5管壓強(qiáng)泄壓。此時(shí)，司鉆控制使電磁閥FC1失電，XP壓強(qiáng)消除，F(xiàn)閥閥芯兩端壓強(qiáng)解除，在閥芯彈簧力作用下，F(xiàn)閥閥芯回歸中位，完成打開(kāi)液壓吊卡。

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

4 現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)

筆者在中海油服“凱旋一號(hào)”海上鉆井平臺(tái)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(guò)程中（見(jiàn)圖5），由于卸鉆具接頭時(shí)經(jīng)常由鉆井液（泥漿）流到液壓吊卡上，導(dǎo)致泥漿或其他雜質(zhì)從觸碰頂桿與閥體之間的間隙進(jìn)入液壓控制系統(tǒng)到達(dá)觸碰閥L，導(dǎo)致觸碰閥L閥芯卡死在下位，彈簧力無(wú)法使閥芯回復(fù)到上位，從而導(dǎo)致液壓吊卡功能異常。取消頂驅(qū)操作權(quán)限后，打開(kāi)液壓吊卡XP壓強(qiáng)泄壓，壓強(qiáng)P中的殘留壓強(qiáng)通過(guò)觸碰閥L閥到達(dá)主換向閥F左端，導(dǎo)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(jī)構(gòu)，壓強(qiáng)P中的殘留壓強(qiáng)使液壓吊卡自動(dòng)關(guān)閉（正常需要觸碰機(jī)構(gòu)后，液壓吊卡才會(huì)關(guān)閉），存在較大的安全隱患。

國(guó)內(nèi)中海油服渤海某鉆井平臺(tái)鉆工更換BX系列液壓吊卡補(bǔ)心時(shí)，司鉆取消頂驅(qū)操作權(quán)限后，殘留壓強(qiáng)導(dǎo)致液壓吊卡意外關(guān)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(guān)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，筆者提出了一套控制液壓吊卡關(guān)閉方案。其中，取消液壓控制系統(tǒng)中控制液壓吊卡關(guān)閉的觸碰機(jī)構(gòu)，引進(jìn)另一路液壓源，改用3位4通電磁閥來(lái)控制液壓，從而關(guān)閉液壓吊卡，并在該控制關(guān)閉液壓油路中加裝小型濾芯，有效過(guò)濾在使用過(guò)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(jìn)入觸碰閥L使其閥芯卡死導(dǎo)致功能異常的情況。另外，巧妙運(yùn)用液壓互鎖原理設(shè)置互鎖液壓油路，防止液壓吊卡在使用過(guò)程中意外打開(kāi)，提高液壓吊卡使用的安全性。

改進(jìn)的吊卡液壓原理圖，如圖7和圖8所示。為了取代觸碰機(jī)構(gòu)，引入一路3位4通電磁閥FC1來(lái)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(dá)L閥下部，作為L(zhǎng)閥的控制油路。關(guān)閉BX系列液壓吊卡過(guò)程如下：司鉆通過(guò)操作按鈕使電磁閥FC1（見(jiàn)圖8）右側(cè)線圈得電動(dòng)作，處于右位；控制油路到達(dá)XP2，XP2經(jīng)濾芯J和2位3通閥S使S閥閥芯移動(dòng)，處于左位；控制油路經(jīng)過(guò)S閥往上到達(dá)液控單向閥R后再到L閥下部，推動(dòng)L閥的閥芯，此時(shí)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(dòng)主閥F閥芯，使主閥F閥芯處于左位，關(guān)閉液壓吊卡（由前面液壓吊卡關(guān)閉原理可知，主閥F閥芯處于左位時(shí)液壓吊卡會(huì)關(guān)閉）；當(dāng)液壓吊卡關(guān)閉后，會(huì)返回一個(gè)表明液壓吊卡關(guān)閉的壓強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)減壓閥D減壓到6.895 MPa，到達(dá)XP作為反饋信號(hào)；將該反饋信號(hào)引到液控單向閥N，打開(kāi)單向閥N，使主油路P到達(dá)L閥下部，保證即使關(guān)閉指令結(jié)束，電磁閥FC1失電，導(dǎo)致XP2油路失壓；通過(guò)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(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)液壓吊卡關(guān)閉后，司鉆通過(guò)操作按鈕使電磁閥FC1右側(cè)線圈失電；電磁閥在復(fù)位彈簧作業(yè)下，復(fù)位回到中位，XP2油路失壓，變?yōu)? MPa。改進(jìn)的吊卡液壓外部控制原理圖，如圖8所示。

當(dāng)打開(kāi)液壓吊卡時(shí)，司鉆通過(guò)操作按鈕使電磁閥FC1（見(jiàn)圖8）左側(cè)線圈得電動(dòng)作，處于左位，此時(shí)XP為15.168 MPa。XP壓強(qiáng)經(jīng)濾芯B、2位3通閥E到達(dá)主閥F閥芯右端，使主閥F閥芯處于右位，液壓吊卡打開(kāi)。同時(shí)，把經(jīng)濾芯B的XP油路引一分路3到達(dá)液控單向閥R，打開(kāi)液控單向閥R，將L閥下部壓強(qiáng)泄壓，使L閥閥芯在彈簧力作用下復(fù)位，L閥閥芯處于上位，將主閥F左端壓強(qiáng)卸除。打開(kāi)指令結(jié)束后，司鉆通過(guò)操作按鈕使電磁閥FC1失電，此時(shí)XP為0 MPa，主閥F兩端控制壓強(qiáng)都為0 MPa。主閥F在兩端復(fù)位彈簧力作用下處于中位，液壓吊卡始終處于打開(kāi)狀態(tài)。

從2018年9月至2020年5月，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化的BX系列液壓吊卡控制系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)渤海灣中海油服某高端式自升式鉆井平臺(tái)上得到測(cè)試應(yīng)用（見(jiàn)圖9），累計(jì)使用鉆井進(jìn)尺達(dá)6 000 m。起下鉆過(guò)程中，液壓吊卡開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)1 000次以上，暫未出現(xiàn)開(kāi)關(guān)異常故障問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期改進(jìn)優(yōu)化的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

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(tái)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用出現(xiàn)的缺陷，研究設(shè)計(jì)了一套控制液壓吊卡開(kāi)關(guān)的控制系統(tǒng)（圖7增加部分）。相對(duì)市場(chǎng)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(guān)閉的觸碰機(jī)構(gòu)，采用電磁閥控制壓強(qiáng)來(lái)關(guān)閉液壓吊卡，改進(jìn)優(yōu)化液壓吊卡液壓系統(tǒng)開(kāi)關(guān)互鎖邏輯關(guān)系，并在該控制關(guān)閉液壓油路中加裝小型濾芯，有效過(guò)濾在使用過(guò)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(jìn)入觸碰閥存在的閥芯卡死隱患。即使液壓吊卡在起下鉆時(shí)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(jìn)的BX系列液壓吊卡控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)渤海灣中海油服某高端式自升式鉆井平臺(tái)上得到測(cè)試應(yīng)用，累計(jì)使用鉆井進(jìn)尺達(dá)6 000 m。起下鉆過(guò)程中，液壓吊卡開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)1 000次以上，暫未出現(xiàn)開(kāi)關(guān)異常故障問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)使用表明，改進(jìn)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(dòng)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(dá)到了預(yù)期的改進(jìn)優(yōu)化目的。