孟海軍++李娜++趙愛兵

摘 要：“單吊環(huán)”事故在鉆井、井下作業(yè)中發(fā)生的機率是較大的，使井口操作人員人身安全受到極大的威脅，造成嚴重的經(jīng)濟損失。本文采用先進的傳感器技術，開發(fā)研制一種“單吊環(huán)”事故預防裝置，解決鉆井特別是井下作業(yè)中的”單吊環(huán)”問題。該裝置由吊環(huán)狀態(tài)檢測電路、信號邏輯判斷和處理電路、信號傳輸電路、自動控制系統(tǒng)、顯示及報警系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等部分組成，能適應惡劣的井口環(huán)境，隨時監(jiān)控負荷的變化，帶有危險狀態(tài)報警功能。

關鍵詞：石油；鉆井；井下；單吊環(huán)；預防

一、目的及意義

起、下鉆是鉆井、井下作業(yè)中的一種經(jīng)常性、長時間、勞動強度大的聯(lián)合作業(yè)，由于司鉆和井口人員的操作失誤，就會在剛剛起鉆上提時發(fā)生“單吊環(huán)”事故。造成“單吊環(huán)”事故的原因大致有兩個方面：一是井內(nèi)管柱遇卡，在上提管柱時造成跳鉆現(xiàn)象，一邊吊卡銷子飛出，吊環(huán)脫離吊卡，造成“單吊環(huán)”事故；二是井口操作工配合不當，當井口人員沒有同時掛上吊環(huán)時，司鉆起鉆，引發(fā)“單吊環(huán)”事故，導致掉鉆具、掉套管。

“單吊環(huán)”事故在鉆井、井下作業(yè)中發(fā)生的機率是較大的。以井下修井作業(yè)為例：一個班次起、下鉆高達200～300多次，工人的勞動強度大，易疲勞，易造成司鉆和井口人員的操作失誤，從而發(fā)生“單吊環(huán)”事故?！皢蔚醐h(huán)”事故一方面使井口操作人員人身安全受到極大的威脅，輕者受傷，重者死亡；另一方面導致掉鉆具、掉套管，造成的經(jīng)濟損失輕者數(shù)萬元，重者導致井廢，損失上百萬元，屬于嚴重的惡性安全事故。

本項目研究的目的是采用先進的傳感器技術、可靠的自動控制電路和靈敏的剎車裝置，提供一種有效地防止“單吊環(huán)”和“危險吊環(huán)”起鉆的自動控制裝置，其有工作可靠、結構簡單、易于操作的特點，可以從根本上杜絕“單吊環(huán)”事故的發(fā)生。

二、國內(nèi)現(xiàn)有技術分析

當前，在現(xiàn)場防止井口”單吊環(huán)”事故的方法大部分是在吊卡銷子上進行各種各樣的改進，也有少部分防止“單吊環(huán)”起鉆的自動控制裝置，但由于沒有考慮到惡劣的井口環(huán)境，只能停留在理論上，還不能在實際中進行應用?？傊?，目前在現(xiàn)場還沒有一種從根本上杜絕“單吊環(huán)”事故發(fā)生的方法，而作業(yè)現(xiàn)場迫切需要解決這一問題，來確保安全生產(chǎn)。

三、技術方案

本裝置由吊環(huán)狀態(tài)檢測電路、信號邏輯判斷和處理電路、信號傳輸電路、自動控制系統(tǒng)、顯示及報警系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等部分組成，并分別安裝在吊環(huán)大鉤、司鉆操作箱上，利用現(xiàn)有的剎車裝置來完成控制。

（一）吊環(huán)狀態(tài)檢測電路

經(jīng)分析，在起鉆時兩只吊環(huán)共有三種工作狀態(tài)，（1）正常吊環(huán)起鉆，當司鉆給氣上提時，兩只吊環(huán)都掛入了吊環(huán)的耳梁內(nèi)，且均就位于耳梁的凹部；（2）掛”單吊環(huán)”起鉆，很明顯這就是指只有一只被掛入了吊環(huán)的耳梁內(nèi)而進行的起鉆；（3）掛危吊環(huán)起鉆，兩只吊環(huán)雖然都已經(jīng)掛入吊環(huán)的耳梁內(nèi)，但在給氣上提到一定噸位之后（一般指是提升力≤大鉤行程彈簧的噸位），其吊環(huán)的一只甚至是兩只仍不能夠自行滑向耳梁的凹部——即不到位，這就定義為掛危吊環(huán)起鉆，因為它在繼續(xù)上提的過程中，很大的可能會發(fā)生脫環(huán)事故。

通過在各個取樣點設置各類信號采集裝置，分別檢測出危險區(qū)域、“單吊環(huán)”狀態(tài)、“危吊環(huán)”狀態(tài)、正常起下鉆狀態(tài)、提升負荷的大小等所需的各類電信號。在設計中考慮到井口的惡劣環(huán)境，欲采用先進的檢測技術以消除各種錯誤信號的產(chǎn)生，保證執(zhí)行機構不發(fā)生誤動作。

（二）信號邏輯判斷和處理電路

將采集裝置采集到的各種信號在這里進行邏輯分析、判斷、放大，最終輸出控制系統(tǒng)所要的控制指令。此部分可采用專用的集成電路來完成信號的分析、判斷和放大。

（三）信號傳輸電路

該部分完成控制指令從信號邏輯判斷和處理電路到自動控制系統(tǒng)的信號傳輸，由于吊環(huán)的特殊工作方式，本裝置需選擇合理的傳輸結構來完成這一過程。

（四）自動控制系統(tǒng)

獲取自動控制指令后，自動控制系統(tǒng)要驅(qū)動執(zhí)行機構動作，為鉆機剎車裝置提供動作命令，此裝置同時提供各類采集信號的顯示和報警信號，以提醒司鉆做出相應的判斷。

（五）供電系統(tǒng)

由于現(xiàn)場情況的特殊性，使供電電源成為一個必須解決的問題，為此設計了專用的供電系統(tǒng)，以保證各種電路的正常工作。

四、主要技術指標

（一）隨時監(jiān)控負荷的變化，帶有危險狀態(tài)報警功能；

（二）傳感器的設置靈敏、可靠，檢測精度±0.5%，機構誤動作為零；

（三）工作電源電壓為DC+12V和DC+24V；

（四）安裝自動控制系統(tǒng)后不影響正常的井口作業(yè)；

（五）具有防水、防震、防泥漿等功能，能適應惡劣的井口環(huán)境；

（六）長期連續(xù)工作，且有較高的可靠性，系統(tǒng)故障率≤0.1‰；

（七）在-30℃～+60℃的環(huán)境溫度下，可保持系統(tǒng)可靠運行。

五、現(xiàn)場試驗

先后在華北石油井控中心、華北石油采油一廠作業(yè)大隊、華北石油利德機電總廠進行了現(xiàn)場試驗，結果如下：

（一）安裝簡單，該裝置是在現(xiàn)有修井作業(yè)機的游車大鉤和司鉆操作臺的基礎上進行安裝的，不需要其它輔助設備，通過簡單連接組件就可以完成。

（二）能適應惡劣的井口環(huán)境。由于采用特殊的防水、防油污、防泥漿的措施，該裝置的各個部件防護級別都為IP65級。

（三）傳感器靈敏可靠，報警指示準確，剎車動作可靠，能夠有效的防止“單吊環(huán)”事故的發(fā)生。

（四）供電時間長、電氣部分能耗低。由于采用高能量鋰離子充電電池組供電和低能耗的設計思想，本裝置能耗低，供電時間長，完全能夠保證兩個井下作業(yè)班次的需要。

六、結論

（一）本裝置采用硅微機械傳感器技術和霍爾傳感器技術，解決了惡劣井口環(huán)境信號取樣難的問題。

（二）設置了串口數(shù)據(jù)通訊接口，便于取樣和控制參數(shù)的設定。

（三）設計、加工、裝配、檢測工藝已成熟，已具備批量生產(chǎn)的條件。

（四）整體結構設計合理，主要技術參數(shù)和性能指標均達到設計要求。

（五）現(xiàn)場應用表明，效果顯著，運行平穩(wěn)可靠，具有較高的應用、推廣價值。

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