鉆井氣密封檢測作業用液壓絞車防吊改進研究

楊如意，段立俊，楊 毅，馬曉偉，于成龍

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

進行氣密封檢測作業時，需要通過液壓絞車對封隔器進行起吊，實現封隔器下至套管內合適位置進行坐封以及封隔器解封后吊出套管進入小鼠洞下一根套管內的功能。液壓絞車通常采用手動操作方式，通過操作手柄控制絞車滾筒收繩、放繩和停止位。

雖然在井場會使用鋼絲繩對絞車本體進行固定，但是在氣密封檢測作業過程中，由于封隔器卡落時產生的瞬時沖擊力特別大，還是常常會出現液壓絞車被反吊起的現象，具體有兩種情況（見圖1）。

圖1 液壓絞車被反吊起兩種情況

（1）絞車收繩時由于套管內部結冰或者封隔器橡膠材料在套管內部擠壓摩擦導致封隔器卡住，絞車滾筒持續轉動，反吊起絞車。

（2）絞車手柄處于中位、絞車滾筒停止時，由于下套管作業人員誤以為封隔器已解封，開始進行下套管作業，帶動封隔器下落，由于絞車滾筒不轉動，從而反吊起絞車。

由于整個氣密封檢測作業過程中作業人員一直在操作絞車手柄，一旦絞車被反吊起，就會在空中來回悠蕩，對工作人員的人身安全將產生巨大的威脅，同時絞車在被吊起的瞬間會受到較大的沖擊力，其使用壽命也會受到一定的影響。

1 整體技術路線

針對前面兩種液壓絞車被反吊起的情況進行分析，從而確定改進思路：

第一種情況：封隔器卡住時→初步改進思路：絞車滾筒立即停止轉動或者自動轉變為放繩狀態；

第二種情況：封隔器未解封隨套管下落時→初步改進思路：絞車自動轉變為放繩狀態。

綜上，可以確定總體改進思路：當封隔器出現以上兩種情況時，液壓絞車滾筒自動轉變為放繩狀態。

針對前面的改進思路可以確定液壓絞車改進的整體技術路線（見圖2）。

圖2 液壓絞車改進整體技術路線

2 技術分析

2.1 絞車液壓系統改進研究

2.1.1 現有絞車液壓原理

這里的技術分析針對的絞車型號為BTJ2.5T液壓絞車，負載能力為2.5t，系統壓力16MPa，絞車的液壓工作原理見圖3（a），它主要是通過Y 型手動三位四通換向閥實現絞車收繩、停止和放繩三個工作狀態。

制動系統通過梭閥進行控制，Y 型手動三位四通換向閥處于中間停止位時，梭閥兩個輸入端壓力相同，無輸出，馬達制動器工作；當Y型手動三位四通換向閥導通、絞車滾筒處于收繩或放繩狀態時，梭閥兩端輸入壓力不同，輸出端帶壓，馬達制動器停止工作。

為避免絞車放繩過程中吊物發生失重情況，絞車液壓系統還引入了平衡閥來克服“負負載”現象。

絞車收繩時，Y型手動三位四通換向閥右側導通，進油口P、回油口T 打開，工作油口A 進油、B 出油，平衡閥導通，梭閥右側輸入端壓力高，梭閥輸出端帶壓，馬達制動器停止制動，馬達在液壓油的帶動下帶動滾筒旋轉收繩；絞車放繩時，Y 型手動三位四通換向閥左側導通，進油口P、回油口T 打開，工作油口B 進油、A 出油，平衡閥在檢測B 口進油壓力達到設定值后導通，梭閥左側輸出端壓力高，梭閥輸出端帶壓，馬達制動器停止制動，馬達在液壓油的帶動下帶動滾筒旋轉放繩；絞車處于停止位時，Y 型手動三位四通換向閥處于中間位，進油口P 關閉，工作油口A、B 與回油口T 相通，液壓系統處于浮動狀態，梭閥兩端壓力相同，輸出端無壓力，馬達制動器工作，馬達停止轉動，滾筒停止轉動[1-5]。

2.1.2 絞車液壓系統改進

針對改進思路這里提出了兩種改進方案（以收繩時封隔器卡住為例進行原理說明）：

（1）引入四個兩位兩通電磁閥[見圖3（b）]。絞車收繩時電磁閥①、②處于打開狀態，③、④處于關閉狀態。封隔器出現卡住情況后，4 個電磁閥立即動作，電磁閥①、②立即關閉，③、④立即開啟，絞車從收繩狀態立即轉換成放繩狀態，從而解決絞車反吊起問題。絞車處于停止位時封隔器未解封隨套管下落的情況原理與之類似[6]。

（2）Y 型手動三位四通換向閥改成Y 型比例三位四通電磁閥+電位計[見圖3（c）]。正常操作時與原絞車操作方式相似，通過手動調節電位計控制絞車收放繩狀態和停止位。

收繩時Y 型比例三位四通電磁閥右側導通，封隔器出現卡住情況后，電磁閥立即動作，切換至左側導通，絞車立刻切換至放繩狀態，從而解決絞車反吊起問題。絞車處于停止位時封隔器未解封隨套管下落的情況原理與之類似[7]。

2.1.3 兩種改進方式比較

（1）引入四個兩位兩通電磁閥。

優點：控制系統設計較簡單，僅需通過控制四個電磁閥動作即可實現絞車防吊功能；

缺點：改進的絞車液壓系統需引入4 個電磁閥，整體占用空間大，結構相對較復雜。

（2）Y 型手動三位四通換向閥改成Y 型比例三位四通電磁閥+電位計。

優點：液壓系統整體結構改動不大，僅需將手動換向閥更換成比例電磁閥；

缺點：電位計的設計、手動和自動切換功能的控制系統設計相對較復雜。

綜合以上兩種改進方法，綜合考慮到控制系統設計的難易程度以及絞車液壓系統機械結構的改進復雜性，并充分征求氣密封現場作業人員意見，決定采用手動換向閥改成比例電磁閥+電位計的改進結構。

2.2 傳感器研選

針對封隔器卡落現象發生時絞車各部分可能產生的參數變化，可采用三種傳感器實現信號采集及傳輸功能。

（1）拉力傳感器：安裝在鋼絲繩與封隔器之間，可直接檢測封隔器卡落狀態，進行拉力信號采集傳輸。缺點：井場環境復雜，需采用無線傳感器，成本較高。

圖3 液壓絞車改進原理圖

（2）扭矩傳感器：安裝在滾筒與液壓馬達之間，可直接監測絞車傳動軸轉矩變化，進行扭矩信號采集傳輸。缺點：安裝時需對原有絞車機械結構進行改造，成本較高，且需根據不同井場絞車的位置進行保護預警值計算。

（3）稱重傳感器：安裝在絞車底部，可直接監測絞車本體受力狀態，進行重力信號采集傳輸。缺點：井場地面不平，傳感器測值不準，若加裝水平調平裝置，則增加成本及作業人員工作量。

考慮到傳感器安裝的難易程度以及實際使用過程中的簡便性，決定采用無線拉力傳感器。由于封隔器需要進入套管工作，所以對傳感器的尺寸要求很嚴格，因此需特制無線拉力傳感器組件（見圖4）。

圖4 無線拉力傳感器組件

特制的無線拉力傳感器組件主要由拉環、續航電池盒、應變式拉力計、無線采集節點以及無線網關組成。除無線網關需放置在絞車本體內部外，其余部件均需組裝在定制結構中，并保證可以進入套管內部，考慮到四寸半套管外徑為114.3mm，壁厚8.56mm，因此定制結構最大外徑需小于97.2mm，且外殼應具有一定的強度。傳感器無線傳輸同步精度為1ms，測量范圍在0～1t 之間（封隔器重量約為150kg），使用環境溫度范圍為-40℃～+60℃，具備防水功能[8-10]。

2.3 顯示操作系統設計

根據氣密封檢測作業人員反饋，絞車顯示操作系統應設計為可實現以下功能：

（1）告警功能——封隔器出現卡落現象時發出報警；

（2）顯示功能——顯示當前狀態參數；

（3）輸入功能——可根據不同井場條件設定輸入給定參數；

（4）急停、復位功能——系統發生故障（如電磁閥不動作等）時可手動停止防吊保護系統工作；自動放繩狀態下作業人員可手動停止當前放繩狀態，對系統進行復位[11]。

2.4 控制策略研究

控制系統的設計是液壓絞車實現防吊起功能的關鍵。圖5是改進液壓絞車控制系統策略示意圖。

圖5 改進液壓絞車控制系統策略示意圖

在氣密封檢測作業之前、固定絞車之后，應打開保護控制系統電源，設定給定值F1和F2（其中F1是大于封隔器重量的特定值，F2是小于封隔器重量的特定值），然后解開急停開關，通過調節電位計控制比例電磁閥工作，使用絞車進行氣密封檢測作業，此時絞車處于手動操作狀態。

在氣密封檢測作業進行的過程中拉力傳感器實時向控制系統傳輸采集到的拉力信號，當采集值F 大于F1（超過封隔器重力）時，表明封隔器出現卡住或未解封隨套管下落情況，此時報警燈亮，控制系統立即斷開手動操作回路，并控制比例電磁閥立即動作，絞車自動切換至放繩狀態，并維持10s（給作業人員預留的反應時間）延時，供作業人員緊急處置[12-14]。

在延時的10s過程中，當傳感器采集值F小于F2（小于封隔器重力）時，控制系統立即停止延時，并立即切換至手動操作方式。這是因為作業人員通常在10s以內即可采取有效措施保證絞車不會再被吊起，如在封隔器未解封隨套管下落時控制系統自動切換至放繩狀態后，司鉆可能在5s 內就停止下套管操作，此時封隔器不再下落，絞車不再有被反吊起的風險，繼續放繩時傳感器采集值就會小于F2，若繼續放繩至10s延時結束，封隔器解封后由于鋼絲繩垂落較長，它會立即在套管內做自由落體運動，從而對絞車本體產生一定的沖擊。因此，為了防止這種情況發生，控制系統要在傳感器采集值F小于F2的瞬間立即停止延時并切換至手動操作方式。

在控制系統保護動作的過程中，為防止系統誤判斷或放繩延時超時的情況發生，作業人員可通過按下復位按鈕將絞車切換至手動操作狀態。

同時為了防止控制系統出現硬件問題等現場無法解決的故障從而影響絞車的正常使用，這里設置了急停開關，按下急停開關后，控制保護系統不再工作，絞車僅有手動操作方式。

絞車工作結束后，也需按下急停開關，并關閉控制保護系統電源。

3 控制系統設計

這里針對市場上常用的幾種控制器進行了優選：

（1）單片機（MCU)。

優點：適用于簡單的測控系統，功能相對簡單，體積小，質量輕，價格低，使用方便；

缺點：主控板受制版工藝、布局結構等因素的影響導致不易擴展。

（2）DSP。

優點：主要用于信號處理，適用于一些計算能力要求較高的場合，如視頻圖像處理、智能機器人等；

缺點：成本較單片機高。

（3）PLC。

優點：主要適用于工業場合，是已調試成熟的單片機控制系統，具有良好的穩定性和抗干擾性；

缺點：對于采集模擬量不多的系統，成本相對較高。

考慮到改進絞車控制系統功能實現較簡單，且需要盡量減少控制系統占用的空間，以及成本因素，決定選用單片機控制系統，其具體結構框架如圖6所示。拉力計檢測的拉力信號被無線采集節點組件采集，然后無線傳輸到絞車內部的無線網關，無線網關接收到信號后向單片機控制系統的信號調理模塊傳輸，信號經過處理后，通過向數字輸入/輸出模塊輸入相應的設定值，再經過單片機的控制電路模塊進行運算和輸出，就可以控制比例電磁閥動作，從而控制絞車液壓系統的液壓馬達和滾筒，實現絞車的自動放繩狀態的切換[15-18]。

圖6 單片機控制系統結構框架示意圖

4 結論

（1）設計的改進液壓絞車通過引入三位四通比例電磁閥+電位計的組合控制系統，能夠有效防止氣密封檢測作業過程中封隔器發生卡落現象時絞車被反吊起的情況發生，保障了作業人員安全，減少了對絞車設備的瞬間沖擊，提高了絞車使用壽命。

（2）為改進絞車開發的控制系統，充分考慮到了封隔器卡落現象發生時可能存在的各種情況，優化設計了兩個給定值F1和F2，同時附加了復位按鈕和急停開關，且整體改進對原有絞車結構未做太多更改，改進成本低廉，使用方便。

（3）由于本改進是針對絞車的液壓系統進行的，而絞車液壓系統切換的反應時間無法確定，不排除存在封隔器卡落現象發生后絞車被吊起再回落地面的情況，因此本改進的效果還需要通過現場試驗進一步驗證，但可以肯定的是，本改進會大大減少原有絞車被吊起時對作業人員產生的威脅。