不壓井修井機過程控制研究

劉程

摘 要：現(xiàn)如今，各領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，促進油田的不斷改革和快速發(fā)展，油田設(shè)備需求量也在增大，修井設(shè)備的好壞直接影響到修井作業(yè)的工作效率，先進的生產(chǎn)設(shè)備，不僅可以保證油田的產(chǎn)量，同時對我國實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大意義。

關(guān)鍵詞：不壓井；修井機；過程控制

引言

不壓井作業(yè)技術(shù)是在帶壓條件下由專業(yè)技術(shù)人員操作特殊設(shè)備起下管柱的一種方法。這種方法主要在于它能夠保護和維持地層的原始生態(tài)，減少酸化和壓裂等增產(chǎn)措施的次數(shù)，降低設(shè)備自動化程度低所帶來的負面影響，為油氣田的長期開發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好的基礎(chǔ)。

1 修井機控制系統(tǒng)的工作原理

不壓井修井機是一種集成度高、作業(yè)效率高、安全可靠、操作方便的先進設(shè)備。設(shè)備控制系統(tǒng)中液壓控制是設(shè)備的主要動力，作用機構(gòu)為液壓缸和液壓馬達，液壓控制系統(tǒng)主要通過液壓缸進行控制作業(yè)，其應(yīng)用在井架作業(yè)平臺、井架平移與翻轉(zhuǎn)裝置、井架上下移動裝置、高溫防噴器以及卡瓦夾緊裝置等系統(tǒng)內(nèi)。設(shè)備工作原理：先將修井設(shè)備連接在井口上。控制系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動井架翻轉(zhuǎn)裝置中液壓缸作用井架，將井架系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)豎立，接著控制井架平移與上下移動裝置中的液壓缸運作完成井架系統(tǒng)與井口對接。修井作業(yè)以起升管柱操作為例，由吊卡帶動管柱以一定的速度上提，當(dāng)下端處的感應(yīng)器監(jiān)測到管柱的管箍時，將信號傳給控制中心，通過液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)打開下端防噴器，同時關(guān)閉上端防噴器，另外，在兩個防噴器之間裝有壓力、溫度和氣體檢測器，以檢測井下氣體的壓力、溫度變化情況以及氣體中是否含有有毒氣體，若含有則需要進行處理后再排放。繼續(xù)上提管柱，當(dāng)上端處的感應(yīng)器監(jiān)測到管柱的管箍時，同樣將信號傳給控制中心，通過液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)打開上端防噴器，同時關(guān)閉下端防噴器。當(dāng)上一節(jié)管柱完全可以卸載時，移動卡瓦機構(gòu)夾緊下一節(jié)管柱管箍下端處，接著液壓大鉗完成卸載管柱，同時機械手進行扶持管柱并將其運送到地面。設(shè)備下放管柱過程與之相反。

2 車體系統(tǒng)

車體系統(tǒng)為修井作業(yè)前的準備工作系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.1 支撐油缸系統(tǒng)

當(dāng)車體到達指定工作位置停穩(wěn)后，通過伸出車體外的支撐油缸，將車身穩(wěn)定。油缸組分為兩組，位于車體兩側(cè)，系統(tǒng)為人工手動控制方式。4個油缸相關(guān)數(shù)據(jù)相同，同為行程250mm，推力250000N，直徑160mm，推出速度300mm/min，工作壓力13MPa，工作流量6.03L/min。每個油缸分別由一路多路換向閥單獨手動控制。液壓鎖使油缸進出油路互鎖，防止油缸自由滑動，單向節(jié)流閥可調(diào)節(jié)油缸移動速度。4個多路閥兩個一組對應(yīng)安裝在車體兩側(cè)，方便人員查看及控制支腿的工作情況。

2.2 井架翻轉(zhuǎn)油缸及其前后、左右平移系統(tǒng)

該系統(tǒng)的功能是將井架翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)并調(diào)整水平位置，使井架對準井口，準備修井作業(yè)。受工作空間限制，井架翻轉(zhuǎn)油缸由兩組并聯(lián)同時工作的二級伸縮缸組成，行程3385mm，推力280000N，直徑130mm，工作壓力14MPa，工作流量6.0L/min，由多路閥單獨手動控制。單向外控式順序閥是防止油缸推出、縮回過程中受到超越負載時油缸出現(xiàn)失速下滑，有效控制速度的穩(wěn)定性。油路上并聯(lián)兩個節(jié)流口和換向閥，其作用是當(dāng)井架起降缸體處于將近豎直或水平時，關(guān)閉多路閥，打開兩個電磁換向閥（兩個電磁換向閥為聯(lián)動，一個信號控制），使油缸前后腔連通油箱，讓油缸依靠自重慢慢落到穩(wěn)定位置，之后關(guān)閉電磁閥鎖死油路（電磁閥采用進口ATOS錐閥系列，有效防止泄漏），這樣可防止人工操作多路閥時，如操作不當(dāng)可能造成的沖擊。兩個固定節(jié)流口的作用是調(diào)節(jié)下落時的運動速度。前后、左右平移油缸均為雙油缸，行程分別為100及60mm，推力100000N，直徑100mm，工作壓力13MPa。分別由多路閥獨立手動控制，依靠人員觀察對準，油路上分別安裝液壓鎖阻止油缸自由滑動，單向節(jié)流閥為控制油缸伸出、縮回時的運動速度。

3 起降系統(tǒng)

起降系統(tǒng)用于提升和下放管柱，工況復(fù)雜，具有超越負載。系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.1管柱起降系統(tǒng)

在起降系統(tǒng)工作過程中，負載會隨時間變化而且具有超越負載，當(dāng)起降系統(tǒng)開始提升管柱時負載最大，最大負載為600kN，隨著管柱慢慢提升，管柱減少，負載也隨之減小。下降管柱時，負載力向下，隨著管柱慢慢加長負載變大，此時要求起降卷揚施加向上的力，同時向下釋放管柱。在上述兩個過程中管柱都有可能在某一時刻突然遭受向上的負載力，其最大值可達400kN，在這種情況下，如何迅速保持較穩(wěn)定的起降速度將是一個難點。針對上述特殊負載工況，經(jīng)過對不同控制方案的研究，其中包括外控式順序閥、馬達前后腔安裝比例節(jié)流閥等控制方案，最終確定使用比例泵、比例換向閥、馬達、減速機及編碼器構(gòu)成閉環(huán)速度控制系，計算機模擬及仿真顯示該系統(tǒng)能夠較好地滿足此種特殊要求。控制原理框圖如圖3所示。

根據(jù)上述原理，比例溢流閥和比例換向閥選擇ATOS產(chǎn)品，控制液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；油路上安裝有防氣蝕閥和安全閥，兩個壓力傳感器隨時監(jiān)測液壓馬達的進出油口壓力，監(jiān)測反向負載沖擊瞬間，計算機控制比例換向閥穩(wěn)定輸出起降速度；液壓馬達進出油口間安裝固定節(jié)流口用以調(diào)節(jié)馬達泄漏量，優(yōu)化馬達動態(tài)特性。馬達及減速機為國產(chǎn)力士樂產(chǎn)品，減速機自帶抱閘制動系統(tǒng)，馬達最高轉(zhuǎn)速為22.7r/min，工作時最高壓力25MPa，最大工作流量350L/min。

3.2 減速機抱閘控制系統(tǒng)

為安全起見，采用帶有抱閘系統(tǒng)的減速機，當(dāng)控制油口無壓時，抱閘抱死。減速機抱閘系統(tǒng)對起降系統(tǒng)提供制動功能，工作機制是“機械鎖死，液壓松開”。通過溢流閥控制出油口油液壓力。另外，該系統(tǒng)的液壓泵同時為起降系統(tǒng)的比例泵提供外部控制油，壓力依靠減壓閥調(diào)節(jié)。

4 井架系統(tǒng)

井架系統(tǒng)由兩個環(huán)形防噴器和一個三閘板防噴器組成，用于對井下氣體介質(zhì)監(jiān)測、置換，及保證管柱順利通過且井內(nèi)高壓不外泄工作，井架系統(tǒng)液壓原理如圖4所示。

4.1 環(huán)形防噴器及固定卡瓦

環(huán)形防噴器用于提升與下放管柱過程中卡緊管柱，以防造成管口油噴及井內(nèi)氣體介質(zhì)外泄。為了便于管箍順利通過，采用上下兩組環(huán)形防噴器結(jié)構(gòu)，作業(yè)過程中，將兩個環(huán)形防噴器同時控制關(guān)閉來密封環(huán)進行強制起下管柱，當(dāng)有管箍經(jīng)過時，上下環(huán)形防噴器交替打開，可以有效地防止井內(nèi)氣體介質(zhì)外泄及油噴。環(huán)形防噴器設(shè)定額定工作壓力為21MPa，活塞運動行程為125mm，工作流量為120L/min，同時，在兩個環(huán)形防噴器之間安裝冷卻系統(tǒng)，對管柱進行降溫。

4.2 三閘板防噴器

三閘板防噴器是修井機的安全防噴設(shè)備，在井口發(fā)生緊急故障時，三閘板防噴器觸發(fā)啟動，切斷管柱并夾緊管柱，以防管柱由于壓力變化掉入井內(nèi)；另外，三閘板及時進行封住井口，以防井口發(fā)生井噴現(xiàn)象及井內(nèi)介質(zhì)外泄。三閘板結(jié)構(gòu)分為全封閘板、剪切閘板和半封閘板，設(shè)定額定工作壓力為21MPa，工作流量為120L/min。

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對關(guān)鍵元器件工作狀態(tài)及無人化操作過程中井下氣體介質(zhì)的監(jiān)測。在修井機上提與下放管柱的過程中，當(dāng)管箍通過上、下環(huán)形防噴器時，井下有害氣體介質(zhì)可能隨著管柱一起排出，因此，若發(fā)現(xiàn)有害氣體，則需處理后再排除。同時還需對壓力及溫度等進行監(jiān)測，以保證設(shè)備性能的穩(wěn)定性及安全性。系統(tǒng)線路由儀表觸點和報警指示燈組成，當(dāng)其中某項未達到標準時，將會觸動儀表觸點，閉合回路，這時相對應(yīng)的報警指示燈將會閃亮，便于工作人員調(diào)節(jié)與控制。

5 液壓泵站

液壓泵站向起升系統(tǒng)、強制起下系統(tǒng)、井架系統(tǒng)及機械手控制系統(tǒng)等液壓執(zhí)行設(shè)備提供液壓油，即向液壓設(shè)備元件提供動力和壓力，使液壓設(shè)備完成規(guī)定的動作，如圖5所示。

液壓泵站由液壓泵、防爆電機、液壓油、溢流閥、節(jié)流閥、方向閥及控制閥等液壓裝置構(gòu)成，另外還包括水冷與風(fēng)冷卻裝置、溫度傳感器及液位計等輔助裝置。修井機工作過程中，有時多個液壓設(shè)備同時工作，因此泵站采用3個油泵，其中1、2泵共用一個防爆電機，同時為節(jié)約油液，油泵共用一個油箱。在石油開采現(xiàn)場，修井設(shè)備需晝夜不停地工作，液壓泵站也將持續(xù)工作，導(dǎo)致泵站內(nèi)部設(shè)備元件溫度可能升高，這樣容易損壞設(shè)備，同時安全保障也存在隱患，因此，需在泵站安裝水冷及風(fēng)冷裝置，給相應(yīng)設(shè)備進行降溫處理。另外，修井設(shè)備所處環(huán)境較惡劣，開采工作常年進行，工作溫度為-40～50℃，液壓泵站內(nèi)部則需安裝溫度傳感器，對設(shè)備元件及油液進行監(jiān)測，冬天溫度過低時，設(shè)備元件選用耐低溫材料，對油液進行加熱處理。

5 結(jié)語

目前設(shè)備正在油田使用中，運行狀況良好，通過該設(shè)備的設(shè)計、制造、使用可以得出如下結(jié)論：液控系統(tǒng)能夠方便、直觀、可靠地完成對舉升缸、防噴器等執(zhí)行元件的控制工作。采用防爆比例減壓閥控制比例變量泵的技術(shù)方案既滿足了液壓系統(tǒng)改變流量的要求，又達到了電器系統(tǒng)對防爆特性的要求，是一個較理想的解決方案。電器系統(tǒng)能夠很好地控制泵以及電磁閥等元件的啟停，顯示各執(zhí)行元件的工作狀態(tài)，并且在出現(xiàn)狀況是能夠發(fā)出警報。

參考文獻

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