集成式带压作业修井机液压控制系统研究

齐洁，刘世峰，吴开磊

（中石油渤海装备中成装备制造公司，天津 300280）

在中石油《带压作业技术推广》项目实施过程中，发现完成带压作业的设备——集成式带压作业修井机的核心装置液压控制系统存在系统设计不规范、控制元件匹配不合理、接口标准不统一，接头数量偏多，逻辑控制阀组增多，故障点增多，成本增加等问题；现场作业过程中经常出现液压元件易渗漏、易磨损、使用寿命偏短，可靠性差等问题。本文旨在研究1套高安全性、高可靠性、高效率的液压控制系统，提高带压作业修井机的可靠性和现场表现水平，从而进一步拓宽带压作业的推广范围和领域。

1 集成式带压作业修井机控制原理研究

通过对比国内主要带压作业装置生产厂家的液压功能原理图，对其控制原理、控制方式、控制功能等进行研究，发现各厂家液压系统的设计“大同小异”。“大同”说明各厂家设计的液压系统均能实现带压作业的基本功能要求；“小异”体现出设计者对实际工况的理解为实现功能选择的液压元件不同。由此说明，只有合理的、符合工况的设计才能确保液压系统的可靠性，否则会导致较高的故障率，造成施工和维修不便。设计人员充分考虑其他厂家液控原理的优缺点，结合用户使用需求，将带压作业机液控系统与带压作业装置液控系统进行集成设计。这种设计有效避免了作业时，经常出现的多人配合失误的情况，严重影响带压作业的施工进度，施工过程中易形成安全隐患。集成设计后的液控系统由4个子系统组成，分别为修井机控制系统、防喷器组控制系统、升降油缸控制系统、修井机与升降油缸单独控制系统，该系统不仅符合中石油带压修井作业的井控要求，并且可实现调压、换向、差动、互锁、安全防喷器、两处控制等全部功能，以上3家国内主要带压作业装置生产厂家并不能实现上述全部功能。修井机控制系统：液压油路通过1个排量为80ml/r的单联泵，向三联阀供油，三联阀中两联为修井机主机上2个三吨液压绞车供油，一联为八联阀或液压钳供油。防喷器组控制系统：液压油通过1个排量为63ml/r的液压泵，先流向蓄能器，为蓄能器提供能量，同时蓄能器释放流量同63ml/r的液压泵一起为带压作业装置的防喷器和卡瓦供油，以达到控制带压作业装置的目的。升降油缸控制系统：液压油通过80ml/r单联泵和150ml/r液压泵双泵合流，共同为带压作业装置的升降油缸供油，确保带压起下管柱的效率。

2 集成式带压作业修井机液控系统液压泵、阀件及管路配置设计计算

对带压作业修井机液控系统进行分解可知：带压作业装置主体控制部分执行元件：主起升油缸。修井机控制部分执行元件：起升液缸、伸缩液缸、千斤液缸、液压小绞车、液压大钳等。带压作业装置辅助控制部分执行元件：单闸板油缸、双闸板油缸、环形防喷器油缸、卡瓦油缸、平衡油缸和蓄能器等。设计人员对各子系统及元件进行分析计算，形成了带压作业修井机液路系统设计计算书。以带压作业装置主体控制部分计算为例。

带压作业装置主体控制部分压力确定。主起升液缸起升时设计提升力为600kN，回落时设计下压力为大于280kN。则：主起升液缸起升时压力为：

初步设定带压作业装置主体控制部分压力为20MPa。通过以上计算，确定了整机的设计方案及参数。

修井机的系统参数：

修井机系统工作压力：14MPa；

起升缸最大行程：5000mm；

伸缩缸最大行程：9500mm；

千斤支腿最大行程：300～500mm。

液压系统的技术参数：

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双联泵排量：150/63ml/；

单联泵排量：80ml/r；

油箱总容积：1.9m3；

蓄能器容量：25L×4；

蓄能器工作压力：21MPa。

带压作业系统参数：

油缸液压系统工作压力：21MPa；

升降油缸最大行程：2800mm；

升降油缸活塞直径：φ150/90；

液控系统工作压力：10.5MPa；

蓄能器工作压力：21MPa。

3 集成式带压作业修井机液控系统关键技术研究

3.1 远程电控液技术及无线遥控技术研究

针对集成式带压作业修井机特点及用户使用要求，液压控制系统采用远程电控液控制技术。设计人员通过电控液技术实现了游动卡瓦、固定卡瓦互锁控制和安全防喷器远程无线遥控等安全防护措施。这种技术应用结构简单、控制精准、反应迅速、安装方便。整个电路控制共分为两部分。一部分为常规防喷器组的控制系统，司钻操作电控手柄，信号经继电器，控制电磁阀换向，实现对防喷器组的控制。另一部分为安全防喷器两处控制系统，分为两种工况，常规工况：司钻操作电控手柄，信号经继电器，控制电磁阀换向，实现对安全防喷器的控制；远程无线遥控工况：司钻人员操作远程遥控器，信号被信号接收器接收并进行处理，经继电器控制电磁阀换向，实现对安全防喷器的控制。

3.2 液压集成控制阀块的设计

技术人员在液控系统的设计过程中，以液控原理图为依据，充分考虑就近阀件的可集成性，设计出液压集成控制阀块。这种阀块的优势在于节约了大量的管线接头，减少了系统漏点，提高了系统稳定性；元件距离近，油道短，压力损失小，效率高；阀件的安装、使用、维护方便，同时工艺性好，便于批量生产。（1）调压与换向集成控制阀组的设计。液控系统中，操控主油缸上升下降功能的阀块，集成前需要由主油缸调压阀、换向控制阀、差动控制阀3种阀块共同进行控制，集成后将主油缸调压控制、换向控制、差动控制及压力检测等功能集成到同一个控制阀块上，形成了调压与换向集成控制阀组，不仅减少液压管线接头数量、节约安装空间，同时方便后续监测、维修。（2）蓄能器集成控制阀块的设计。操控调控蓄能器充压压力及卸荷功能的阀块，集成之前需要由蓄能器调压阀、蓄能器卸荷阀进行功能性控制，而集成后将蓄能器与蓄能器调压阀、卸荷阀、压力检测集成设计为蓄能器组，整体安装，减少液压管线与接头，节省安装空间，便于后续维护保养。

4 现场应用情况

设计人员将本文表述的液压控制系统设计应用于为吉林油田设计的集成式带压作业修井机上。设备持续运转2个月5400h，完成了17井次的带压作业，暂时没有发现液压系统故障。证明该系统可以很好地适应吉林油田的带压作业环境，下一步该设计进一步推广应用于其他油田的集成式带压作业修井机控制系统。

5 结语

（1）设计人员汲取国内优秀液压厂家液控原理的优点，将整机液控原理及带压作业装置液控原理进行集成设计，优化了液控原理图，使液控流程更加简洁、可靠。

（2）对液控系统各子系统的相关数据进行计算校核，优选适合的液压元件及管路配置。

（3）应用电控液、阀块集成设计等关键技术对液控系统中的主要功能元件进行集成，使液压系统结构紧凑，节约大量管线接头，降低了液控系统成本，提高了液控系统的工作稳定性。

（4）采用操作控制集成设计，修井机操作箱与带压作业装置控制箱合二为一，减少1个带压作业装置操作人员，减少因两人配合造成的失误，提高了设计操作安全性及操作舒适性。