集成式帶壓作業(yè)修井機液壓控制系統(tǒng)研究

齊潔，劉世峰，吳開磊

（中石油渤海裝備中成裝備制造公司，天津 300280）

在中石油《帶壓作業(yè)技術(shù)推廣》項目實施過程中，發(fā)現(xiàn)完成帶壓作業(yè)的設備——集成式帶壓作業(yè)修井機的核心裝置液壓控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)設計不規(guī)范、控制元件匹配不合理、接口標準不統(tǒng)一，接頭數(shù)量偏多，邏輯控制閥組增多，故障點增多，成本增加等問題；現(xiàn)場作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)液壓元件易滲漏、易磨損、使用壽命偏短，可靠性差等問題。本文旨在研究1套高安全性、高可靠性、高效率的液壓控制系統(tǒng)，提高帶壓作業(yè)修井機的可靠性和現(xiàn)場表現(xiàn)水平，從而進一步拓寬帶壓作業(yè)的推廣范圍和領域。

1 集成式帶壓作業(yè)修井機控制原理研究

通過對比國內(nèi)主要帶壓作業(yè)裝置生產(chǎn)廠家的液壓功能原理圖，對其控制原理、控制方式、控制功能等進行研究，發(fā)現(xiàn)各廠家液壓系統(tǒng)的設計“大同小異”。“大同”說明各廠家設計的液壓系統(tǒng)均能實現(xiàn)帶壓作業(yè)的基本功能要求；“小異”體現(xiàn)出設計者對實際工況的理解為實現(xiàn)功能選擇的液壓元件不同。由此說明，只有合理的、符合工況的設計才能確保液壓系統(tǒng)的可靠性，否則會導致較高的故障率，造成施工和維修不便。設計人員充分考慮其他廠家液控原理的優(yōu)缺點，結(jié)合用戶使用需求，將帶壓作業(yè)機液控系統(tǒng)與帶壓作業(yè)裝置液控系統(tǒng)進行集成設計。這種設計有效避免了作業(yè)時，經(jīng)常出現(xiàn)的多人配合失誤的情況，嚴重影響帶壓作業(yè)的施工進度，施工過程中易形成安全隱患。集成設計后的液控系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成，分別為修井機控制系統(tǒng)、防噴器組控制系統(tǒng)、升降油缸控制系統(tǒng)、修井機與升降油缸單獨控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅符合中石油帶壓修井作業(yè)的井控要求，并且可實現(xiàn)調(diào)壓、換向、差動、互鎖、安全防噴器、兩處控制等全部功能，以上3家國內(nèi)主要帶壓作業(yè)裝置生產(chǎn)廠家并不能實現(xiàn)上述全部功能。修井機控制系統(tǒng)：液壓油路通過1個排量為80ml/r的單聯(lián)泵，向三聯(lián)閥供油，三聯(lián)閥中兩聯(lián)為修井機主機上2個三噸液壓絞車供油，一聯(lián)為八聯(lián)閥或液壓鉗供油。防噴器組控制系統(tǒng)：液壓油通過1個排量為63ml/r的液壓泵，先流向蓄能器，為蓄能器提供能量，同時蓄能器釋放流量同63ml/r的液壓泵一起為帶壓作業(yè)裝置的防噴器和卡瓦供油，以達到控制帶壓作業(yè)裝置的目的。升降油缸控制系統(tǒng)：液壓油通過80ml/r單聯(lián)泵和150ml/r液壓泵雙泵合流，共同為帶壓作業(yè)裝置的升降油缸供油，確保帶壓起下管柱的效率。

2 集成式帶壓作業(yè)修井機液控系統(tǒng)液壓泵、閥件及管路配置設計計算

對帶壓作業(yè)修井機液控系統(tǒng)進行分解可知：帶壓作業(yè)裝置主體控制部分執(zhí)行元件：主起升油缸。修井機控制部分執(zhí)行元件：起升液缸、伸縮液缸、千斤液缸、液壓小絞車、液壓大鉗等。帶壓作業(yè)裝置輔助控制部分執(zhí)行元件：單閘板油缸、雙閘板油缸、環(huán)形防噴器油缸、卡瓦油缸、平衡油缸和蓄能器等。設計人員對各子系統(tǒng)及元件進行分析計算，形成了帶壓作業(yè)修井機液路系統(tǒng)設計計算書。以帶壓作業(yè)裝置主體控制部分計算為例。

帶壓作業(yè)裝置主體控制部分壓力確定。主起升液缸起升時設計提升力為600kN，回落時設計下壓力為大于280kN。則：主起升液缸起升時壓力為：

初步設定帶壓作業(yè)裝置主體控制部分壓力為20MPa。通過以上計算，確定了整機的設計方案及參數(shù)。

修井機的系統(tǒng)參數(shù)：

修井機系統(tǒng)工作壓力：14MPa；

起升缸最大行程：5000mm；

伸縮缸最大行程：9500mm；

千斤支腿最大行程：300～500mm。

液壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)：

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雙聯(lián)泵排量：150/63ml/；

單聯(lián)泵排量：80ml/r；

油箱總?cè)莘e：1.9m3；

蓄能器容量：25L×4；

蓄能器工作壓力：21MPa。

帶壓作業(yè)系統(tǒng)參數(shù)：

油缸液壓系統(tǒng)工作壓力：21MPa；

升降油缸最大行程：2800mm；

升降油缸活塞直徑：φ150/90；

液控系統(tǒng)工作壓力：10.5MPa；

蓄能器工作壓力：21MPa。

3 集成式帶壓作業(yè)修井機液控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 遠程電控液技術(shù)及無線遙控技術(shù)研究

針對集成式帶壓作業(yè)修井機特點及用戶使用要求，液壓控制系統(tǒng)采用遠程電控液控制技術(shù)。設計人員通過電控液技術(shù)實現(xiàn)了游動卡瓦、固定卡瓦互鎖控制和安全防噴器遠程無線遙控等安全防護措施。這種技術(shù)應用結(jié)構(gòu)簡單、控制精準、反應迅速、安裝方便。整個電路控制共分為兩部分。一部分為常規(guī)防噴器組的控制系統(tǒng)，司鉆操作電控手柄，信號經(jīng)繼電器，控制電磁閥換向，實現(xiàn)對防噴器組的控制。另一部分為安全防噴器兩處控制系統(tǒng)，分為兩種工況，常規(guī)工況：司鉆操作電控手柄，信號經(jīng)繼電器，控制電磁閥換向，實現(xiàn)對安全防噴器的控制；遠程無線遙控工況：司鉆人員操作遠程遙控器，信號被信號接收器接收并進行處理，經(jīng)繼電器控制電磁閥換向，實現(xiàn)對安全防噴器的控制。

3.2 液壓集成控制閥塊的設計

技術(shù)人員在液控系統(tǒng)的設計過程中，以液控原理圖為依據(jù)，充分考慮就近閥件的可集成性，設計出液壓集成控制閥塊。這種閥塊的優(yōu)勢在于節(jié)約了大量的管線接頭，減少了系統(tǒng)漏點，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；元件距離近，油道短，壓力損失小，效率高；閥件的安裝、使用、維護方便，同時工藝性好，便于批量生產(chǎn)。（1）調(diào)壓與換向集成控制閥組的設計。液控系統(tǒng)中，操控主油缸上升下降功能的閥塊，集成前需要由主油缸調(diào)壓閥、換向控制閥、差動控制閥3種閥塊共同進行控制，集成后將主油缸調(diào)壓控制、換向控制、差動控制及壓力檢測等功能集成到同一個控制閥塊上，形成了調(diào)壓與換向集成控制閥組，不僅減少液壓管線接頭數(shù)量、節(jié)約安裝空間，同時方便后續(xù)監(jiān)測、維修。（2）蓄能器集成控制閥塊的設計。操控調(diào)控蓄能器充壓壓力及卸荷功能的閥塊，集成之前需要由蓄能器調(diào)壓閥、蓄能器卸荷閥進行功能性控制，而集成后將蓄能器與蓄能器調(diào)壓閥、卸荷閥、壓力檢測集成設計為蓄能器組，整體安裝，減少液壓管線與接頭，節(jié)省安裝空間，便于后續(xù)維護保養(yǎng)。

4 現(xiàn)場應用情況

設計人員將本文表述的液壓控制系統(tǒng)設計應用于為吉林油田設計的集成式帶壓作業(yè)修井機上。設備持續(xù)運轉(zhuǎn)2個月5400h，完成了17井次的帶壓作業(yè)，暫時沒有發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)故障。證明該系統(tǒng)可以很好地適應吉林油田的帶壓作業(yè)環(huán)境，下一步該設計進一步推廣應用于其他油田的集成式帶壓作業(yè)修井機控制系統(tǒng)。

5 結(jié)語

（1）設計人員汲取國內(nèi)優(yōu)秀液壓廠家液控原理的優(yōu)點，將整機液控原理及帶壓作業(yè)裝置液控原理進行集成設計，優(yōu)化了液控原理圖，使液控流程更加簡潔、可靠。

（2）對液控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算校核，優(yōu)選適合的液壓元件及管路配置。

（3）應用電控液、閥塊集成設計等關(guān)鍵技術(shù)對液控系統(tǒng)中的主要功能元件進行集成，使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約大量管線接頭，降低了液控系統(tǒng)成本，提高了液控系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

（4）采用操作控制集成設計，修井機操作箱與帶壓作業(yè)裝置控制箱合二為一，減少1個帶壓作業(yè)裝置操作人員，減少因兩人配合造成的失誤，提高了設計操作安全性及操作舒適性。