不压井修井机过程控制研究

刘程

摘 要：现如今，各领域的蓬勃发展，人们的生活质量不断提高，促进油田的不断改革和快速发展，油田设备需求量也在增大，修井设备的好坏直接影响到修井作业的工作效率，先进的生产设备，不仅可以保证油田的产量，同时对我国实行可持续发展战略有着重大意义。

关键词：不压井；修井机；过程控制

引言

不压井作业技术是在带压条件下由专业技术人员操作特殊设备起下管柱的一种方法。这种方法主要在于它能够保护和维持地层的原始生态，减少酸化和压裂等增产措施的次数，降低设备自动化程度低所带来的负面影响，为油气田的长期开发和稳定生产提供良好的基础。

1 修井机控制系统的工作原理

不压井修井机是一种集成度高、作业效率高、安全可靠、操作方便的先进设备。设备控制系统中液压控制是设备的主要动力，作用机构为液压缸和液压马达，液压控制系统主要通过液压缸进行控制作业，其应用在井架作业平台、井架平移与翻转装置、井架上下移动装置、高温防喷器以及卡瓦夹紧装置等系统内。设备工作原理：先将修井设备连接在井口上。控制系统通过液压系统驱动井架翻转装置中液压缸作用井架，将井架系统翻转竖立，接着控制井架平移与上下移动装置中的液压缸运作完成井架系统与井口对接。修井作业以起升管柱操作为例，由吊卡带动管柱以一定的速度上提，当下端处的感应器监测到管柱的管箍时，将信号传给控制中心，通过液压系统中执行机构打开下端防喷器，同时关闭上端防喷器，另外，在两个防喷器之间装有压力、温度和气体检测器，以检测井下气体的压力、温度变化情况以及气体中是否含有有毒气体，若含有则需要进行处理后再排放。继续上提管柱，当上端处的感应器监测到管柱的管箍时，同样将信号传给控制中心，通过液压系统中执行机构打开上端防喷器，同时关闭下端防喷器。当上一节管柱完全可以卸载时，移动卡瓦机构夹紧下一节管柱管箍下端处，接着液压大钳完成卸载管柱，同时机械手进行扶持管柱并将其运送到地面。设备下放管柱过程与之相反。

2 车体系统

车体系统为修井作业前的准备工作系统。系统原理如图1所示。

2.1 支撑油缸系统

当车体到达指定工作位置停稳后，通过伸出车体外的支撑油缸，将车身稳定。油缸组分为两组，位于车体两侧，系统为人工手动控制方式。4个油缸相关数据相同，同为行程250mm，推力250000N，直径160mm，推出速度300mm/min，工作压力13MPa，工作流量6.03L/min。每个油缸分别由一路多路换向阀单独手动控制。液压锁使油缸进出油路互锁，防止油缸自由滑动，单向节流阀可调节油缸移动速度。4个多路阀两个一组对应安装在车体两侧，方便人员查看及控制支腿的工作情况。

2.2 井架翻转油缸及其前后、左右平移系统

该系统的功能是将井架翻转到垂直状态并调整水平位置，使井架对准井口，准备修井作业。受工作空间限制，井架翻转油缸由两组并联同时工作的二级伸缩缸组成，行程3385mm，推力280000N，直径130mm，工作压力14MPa，工作流量6.0L/min，由多路阀单独手动控制。单向外控式顺序阀是防止油缸推出、缩回过程中受到超越负载时油缸出现失速下滑，有效控制速度的稳定性。油路上并联两个节流口和换向阀，其作用是当井架起降缸体处于将近竖直或水平时，关闭多路阀，打开两个电磁换向阀（两个电磁换向阀为联动，一个信号控制），使油缸前后腔连通油箱，让油缸依靠自重慢慢落到稳定位置，之后关闭电磁阀锁死油路（电磁阀采用进口ATOS锥阀系列，有效防止泄漏），这样可防止人工操作多路阀时，如操作不当可能造成的冲击。两个固定节流口的作用是调节下落时的运动速度。前后、左右平移油缸均为双油缸，行程分别为100及60mm，推力100000N，直径100mm，工作压力13MPa。分别由多路阀独立手动控制，依靠人员观察对准，油路上分别安装液压锁阻止油缸自由滑动，单向节流阀为控制油缸伸出、缩回时的运动速度。

3 起降系统

起降系统用于提升和下放管柱，工况复杂，具有超越负载。系统原理如图2所示。

3.1管柱起降系统

在起降系统工作过程中，负载会随时间变化而且具有超越负载，当起降系统开始提升管柱时负载最大，最大负载为600kN，随着管柱慢慢提升，管柱减少，负载也随之减小。下降管柱时，负载力向下，随着管柱慢慢加长负载变大，此时要求起降卷扬施加向上的力，同时向下释放管柱。在上述两个过程中管柱都有可能在某一时刻突然遭受向上的负载力，其最大值可达400kN，在这种情况下，如何迅速保持较稳定的起降速度将是一个难点。针对上述特殊负载工况，经过对不同控制方案的研究，其中包括外控式顺序阀、马达前后腔安装比例节流阀等控制方案，最终确定使用比例泵、比例换向阀、马达、减速机及编码器构成闭环速度控制系，计算机模拟及仿真显示该系统能够较好地满足此种特殊要求。控制原理框图如图3所示。

根据上述原理，比例溢流阀和比例换向阀选择ATOS产品，控制液压马达的输出转速和扭矩；油路上安装有防气蚀阀和安全阀，两个压力传感器随时监测液压马达的进出油口压力，监测反向负载冲击瞬间，计算机控制比例换向阀稳定输出起降速度；液压马达进出油口间安装固定节流口用以调节马达泄漏量，优化马达动态特性。马达及减速机为国产力士乐产品，减速机自带抱闸制动系统，马达最高转速为22.7r/min，工作时最高压力25MPa，最大工作流量350L/min。

3.2 减速机抱闸控制系统

为安全起见，采用带有抱闸系统的减速机，当控制油口无压时，抱闸抱死。减速机抱闸系统对起降系统提供制动功能，工作机制是“机械锁死，液压松开”。通过溢流阀控制出油口油液压力。另外，该系统的液压泵同时为起降系统的比例泵提供外部控制油，压力依靠减压阀调节。

4 井架系统

井架系统由两个环形防喷器和一个三闸板防喷器组成，用于对井下气体介质监测、置换，及保证管柱顺利通过且井内高压不外泄工作，井架系統液压原理如图4所示。

4.1 环形防喷器及固定卡瓦

环形防喷器用于提升与下放管柱过程中卡紧管柱，以防造成管口油喷及井内气体介质外泄。为了便于管箍顺利通过，采用上下两组环形防喷器结构，作业过程中，将两个环形防喷器同时控制关闭来密封环进行强制起下管柱，当有管箍经过时，上下环形防喷器交替打开，可以有效地防止井内气体介质外泄及油喷。环形防喷器设定额定工作压力为21MPa，活塞运动行程为125mm，工作流量为120L/min，同时，在两个环形防喷器之间安装冷却系统，对管柱进行降温。

4.2 三闸板防喷器

三闸板防喷器是修井机的安全防喷设备，在井口发生紧急故障时，三闸板防喷器触发启动，切断管柱并夹紧管柱，以防管柱由于压力变化掉入井内；另外，三闸板及时进行封住井口，以防井口发生井喷现象及井内介质外泄。三闸板结构分为全封闸板、剪切闸板和半封闸板，设定额定工作压力为21MPa，工作流量为120L/min。

4.3 监测系统

监测系统实现对关键元器件工作状态及无人化操作过程中井下气体介质的监测。在修井机上提与下放管柱的过程中，当管箍通过上、下环形防喷器时，井下有害气体介质可能随着管柱一起排出，因此，若发现有害气体，则需处理后再排除。同时还需对压力及温度等进行监测，以保证设备性能的稳定性及安全性。系统线路由仪表触点和报警指示灯组成，当其中某项未达到标准时，将会触动仪表触点，闭合回路，这时相对应的报警指示灯将会闪亮，便于工作人员调节与控制。

5 液压泵站

液压泵站向起升系统、强制起下系统、井架系统及机械手控制系统等液压执行设备提供液压油，即向液压设备元件提供动力和压力，使液压设备完成规定的动作，如图5所示。

液压泵站由液压泵、防爆电机、液压油、溢流阀、节流阀、方向阀及控制阀等液压装置构成，另外还包括水冷与风冷却装置、温度传感器及液位计等辅助装置。修井机工作过程中，有时多个液压设备同时工作，因此泵站采用3个油泵，其中1、2泵共用一个防爆电机，同时为节约油液，油泵共用一个油箱。在石油开采现场，修井设备需昼夜不停地工作，液压泵站也将持续工作，导致泵站内部设备元件温度可能升高，这样容易损坏设备，同时安全保障也存在隐患，因此，需在泵站安装水冷及风冷装置，给相应设备进行降温处理。另外，修井设备所处环境较恶劣，开采工作常年进行，工作温度为-40～50℃，液压泵站内部则需安装温度传感器，对设备元件及油液进行监测，冬天温度过低时，设备元件选用耐低温材料，对油液进行加热处理。

5 结语

目前设备正在油田使用中，运行状况良好，通过该设备的设计、制造、使用可以得出如下结论：液控系统能够方便、直观、可靠地完成对举升缸、防喷器等执行元件的控制工作。采用防爆比例减压阀控制比例变量泵的技術方案既满足了液压系统改变流量的要求，又达到了电器系统对防爆特性的要求，是一个较理想的解决方案。电器系统能够很好地控制泵以及电磁阀等元件的启停，显示各执行元件的工作状态，并且在出现状况是能够发出警报。

参考文献

[1]李小鹏，张再生.简论修井机安装使用中的风险防范与控制[J].机械管理开发，2017（6）：94-97.

[2]曹亮，田冠军，刘来民，等.作业设备的技术现状与发展趋势[J].工程技术：全文版，2016（11）：00255-00255.