一種動態調節扭矩控制的防單吊環事故裝置

馬繼光，鄒濤，馬利進

（1．西部鉆探工程有限公司設備處，新疆 烏魯木齊 830000；2．天水電氣工程有限責任公司，甘肅 天水 741000）

起鉆是鉆井作業中一種長時間反復性、高強度的配合作業，由于人為違反操作規程導致操作失誤，如兩只吊環其中一只沒有掛入吊卡內，就會在剛起鉆上提時發生“單吊環”事故，即井內油管折彎或折斷、鉆具落井、吊環彈起傷人等。單吊環事故屬于石油鉆井行業極易發生且損失巨大的事故。傳統的吊環保護裝置大多用氣路、液路控制盤剎、離合器的方式來實現，對操作人員要求高，改變司鉆常規操作習慣，普遍存在保護延時、中斷、失效等風險，而且多采用機械結構，使用時間過長，也會增加設備出問題的風險[1－4]。有些研究人員著眼于吊環保護的輔助系統，從監測、建模、分析等角度出發，盡量避免單吊環事故的發生，并未從根本原因去解決問題。根據鉆機現場所反映的情況，插銷的結構也是難點，能否適配各個吊卡型號也是學者所探究的問題。

本文所提出的防單吊環事故主要構成裝置插銷盒控制箱利用無線智能感應插銷檢測插銷是否正常，當滿足保護運行條件時，裝置預防單吊環保護功能啟動，連鎖變頻器動態輸出扭矩值。為了解決傳統裝置的缺陷，該裝置首先在插銷結構層面采用一體式鑄造方式，外部無任何機械結構及電纜，用304不銹鋼澆筑而成，在保證結構強度的同時增加插銷的便攜性，內置470MHZ無線信號發射板，遠程傳輸狀態信號，便于HMI實時監測插銷狀態，并通過PLC與變頻器連鎖輸出控制電纜限制絞車出力，實現單吊環事故發生時絞車無法上提操作，從而避免造成人員傷亡、設備損壞的情況。

1 分段保護設計

鉆機提升系統的核心包括井架、天車、游車、大鉤、鋼絲繩和絞車等設備組成如圖1所示。提升系統的運行總體是司鉆發出指令，指令信號輸入變頻器，由變頻器驅動絞車電機，再由操作人員進行手柄給定，電機帶動滾筒正向（反向）旋轉，產生拉力[5]。電機的扭矩越大，可帶動的負載量越大，當變頻調速器在額定頻率50HZ向下調速時，電機輸出功率變小，但是輸出扭矩不變，以額定的扭矩輸出。

圖1 鉆機提升系統示意圖

油鉆機現場單吊環事故發生的范圍一般是在離吊卡坐落于鉆臺面上0～1m內，當司鉆進行提鉆操作時，針對吊環卡入吊卡、插銷是否到位、扭矩是否到限定值的工況，通過零位、上提、插入及扭矩的變化來判斷起鉆裝置是否動作；針對空吊環上提運行、吊環帶吊卡但插銷未插入的工況，可以司鉆判斷解除保護，同時扭矩不做為判斷條件，達到控制的起鉆裝置是否動作；由于保護只在吊環卡入吊卡正式上提時起作用，如果正式上提由司鉆判斷，控制保護主動投入，則零位、上提、扭矩都不作為判斷條件，只判斷插銷是否插入實現控制起鉆裝置是否動作的目的，分段保護流程圖如圖2所示。

圖2 分段保護流程圖

一般一根鉆柱高度約為30m左右，當離鉆臺面0～1m范圍內且上提時，本裝置啟動保護系統，其余位置無論上提還是下放操作，都不進行扭矩限制，絞車可進行正常操作。當出現吊卡插銷在保護范圍內插銷未插到位的情況，將該工況下的信號傳輸到變頻器，并在變頻器中做相應的自適應編程，實現扭矩動態限幅。

本預防單吊環事故裝置需要一體式插銷2件、主控制箱1件、編碼器1件、電源電纜1根、連鎖控制電纜1根、編碼器電纜2根，針對模擬直流電控房設計扭矩限制值，便于動態扭矩控制輸出。

2 動態扭矩限幅

由于本裝置直接限定靜態扭矩值會導致負載量＞拉升力，尤其在絞車有一定位移的情況下，會導致鉆具下溜的現象發生[6－8]。以ABB變頻器ACS800為例，通過外部繼電器與連鎖控制線、絞車變頻器控制柜硬線連接如圖3所示。內部采用自適應編程，當鉆機處于空游車狀態，在保護區間范圍內絞車上提，插銷有一個未插到位或兩個都未插到位，扭矩限制觸發，此時允許空游車在保護范圍內可以動但是不能提動任何鉆具。當鉆機游車在保護范圍內帶鉆具上提時，扭矩限制輸出不能提動任何鉆具，如果鉆具重量大于扭矩限制值，則根據懸重變化情況，動態調節扭矩值，否則，就按空游車扭矩限幅輸出。

圖3 ACS800絞車A原理圖

3 實驗驗證

本裝置在Windows10 TIA Portal v16下進行軟件編程，運用Siemens HMI作為司鉆操作界面，便于觀察和操作，主要包括主監控界面、參數設置界面、消息記錄界面、報警界面，分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 主監控界面

圖5 參數設置界面

圖6 消息記錄界面

圖7 報警界面

如圖4所示，“編碼器故障復位”按鈕，當編碼器出現故障時，需人為確認該故障，若無問題，點擊“編碼器故障復位”按鈕即可復位編碼器故障；“大鉤位置校零”按鈕，當編碼器出現位置偏差時，點擊“大鉤位置校零”按鈕，位置還原為初始0m位置；“大鉤位置”顯示框上提下放游車，大鉤位置發生變化；“吊卡保護設定位置”表示單吊環事故發生區間位置一般0．3～0．5m，因此可設定保護區間范圍為0～1m；“起鉆模式激活”及“起鉆模式激活確認”按鈕表示模式選擇開關旋至旁路時，觸摸屏起鉆模式激活指示燈顯示灰色，當旋至起鉆模式并點擊“起鉆模式激活按鈕”時，起鉆模式激活指示燈變為綠色并且系統投入保護；“進入吊卡保護區間”表示當大鉤位置位于吊卡保護區間內時，進入吊卡作業保護區間指示由灰色變為綠色；“左、右插銷狀態”表示當左右插銷分別插入吊卡且被檢測后，觸摸屏上左吊卡插銷狀態和右吊卡插銷狀態指示由灰色變為綠色；“扭矩限制輸出”表示當在保護狀態下插銷沒插到位時，觸摸屏上扭矩限狀態由灰色變為紅色，智能控制箱的警報蜂鳴器變為紅色并發出報警聲，繼電器動作，扭矩限幅功能激活。

如圖5所示，參數設置界面相關參數可根據現場情況實際設置，相關參數越精確，大鉤位置計算越準確，當大鉤顯示位置與實際位置有偏差時，可根據校正系數比例進行微調大鉤位置操作。

如圖6所示，消息記錄界面主要將歷史報警記錄都進行存儲，并存儲為文檔形式，方便故障追溯。

如圖7所示，報警功能界面主要從報警緩沖區獲取報警信息，掉電易消失，不具備存儲功能。

本裝置在巴州70088井隊及80005井隊功能已經得到驗證，70088井隊電控設備是直流模擬電控房，以下是實驗過程及實驗數據：

試驗一：絞車電流限幅點調至0．506V

當絞車電流限幅點調至0．506V時，電流限制過小，導致絞車以貓頭速度無法啟動。

試驗二：絞車電流限幅點調至0．475V

當絞車電流限幅點調至0．475V時，絞車以貓頭速度可以啟動，踩下腳踏后，絞車無法空游車上提。

試驗三：絞車電流限幅點調至0．427V

當絞車電流限幅點調至0．427V時，絞車以貓頭速度可以啟動，踩下腳踏后，絞車無法空游車上提。

試驗四：絞車電流限幅點調至0．393V

當絞車電流限幅點調至0．393V時，絞車以貓頭速度可以啟動，踩下腳踏后，空游車可輕微上提，當噸位大于空游車噸位后，絞車上提無效。

實驗數據如表1所示。

表1 70088井隊實驗數據統計

80005井隊電控設備是交流變頻電控房，以下是實驗過程及實驗數據：

單吊環保護裝置采用一體式插銷，分別對絞車單機、雙機工作情況進行了測試，當發生單耳環保護時，絞車上提噸位控制在5噸以內。隨后，單耳環保護裝置投入實際使用，完成了一趟起下鉆工作（井深6300米），使用效果良好。滿足保護效果。具體測試數據及測試項目如表2所示。

表2 80005井隊實驗數據統計

4 結論

該裝置采用一體式插銷結構設計輕巧、電池續航能力強、檢測穩定可靠、使用非常便捷。在保護過程中，插銷狀態檢測可靠、信號傳輸穩定，聯鎖控制輸出準確，觸摸屏直觀顯示各類狀態信息。整套系統檢測保護功能可靠，單吊環保護時上提噸位可控制在5噸以內，滿足現場功能應用。系統具有旁路功能，故障時方便切出，不影響正常起下鉆。