一种动态调节扭矩控制的防单吊环事故装置

马继光，邹涛，马利进

（1．西部钻探工程有限公司设备处，新疆 乌鲁木齐 830000；2．天水电气工程有限责任公司，甘肃 天水 741000）

起钻是钻井作业中一种长时间反复性、高强度的配合作业，由于人为违反操作规程导致操作失误，如两只吊环其中一只没有挂入吊卡内，就会在刚起钻上提时发生“单吊环”事故，即井内油管折弯或折断、钻具落井、吊环弹起伤人等。单吊环事故属于石油钻井行业极易发生且损失巨大的事故。传统的吊环保护装置大多用气路、液路控制盘刹、离合器的方式来实现，对操作人员要求高，改变司钻常规操作习惯，普遍存在保护延时、中断、失效等风险，而且多采用机械结构，使用时间过长，也会增加设备出问题的风险[1－4]。有些研究人员着眼于吊环保护的辅助系统，从监测、建模、分析等角度出发，尽量避免单吊环事故的发生，并未从根本原因去解决问题。根据钻机现场所反映的情况，插销的结构也是难点，能否适配各个吊卡型号也是学者所探究的问题。

本文所提出的防单吊环事故主要构成装置插销盒控制箱利用无线智能感应插销检测插销是否正常，当满足保护运行条件时，装置预防单吊环保护功能启动，连锁变频器动态输出扭矩值。为了解决传统装置的缺陷，该装置首先在插销结构层面采用一体式铸造方式，外部无任何机械结构及电缆，用304不锈钢浇筑而成，在保证结构强度的同时增加插销的便携性，内置470MHZ无线信号发射板，远程传输状态信号，便于HMI实时监测插销状态，并通过PLC与变频器连锁输出控制电缆限制绞车出力，实现单吊环事故发生时绞车无法上提操作，从而避免造成人员伤亡、设备损坏的情况。

1 分段保护设计

钻机提升系统的核心包括井架、天车、游车、大钩、钢丝绳和绞车等设备组成如图1所示。提升系统的运行总体是司钻发出指令，指令信号输入变频器，由变频器驱动绞车电机，再由操作人员进行手柄给定，电机带动滚筒正向（反向）旋转，产生拉力[5]。电机的扭矩越大，可带动的负载量越大，当变频调速器在额定频率50HZ向下调速时，电机输出功率变小，但是输出扭矩不变，以额定的扭矩输出。

图1 钻机提升系统示意图

油钻机现场单吊环事故发生的范围一般是在离吊卡坐落于钻台面上0～1m内，当司钻进行提钻操作时，针对吊环卡入吊卡、插销是否到位、扭矩是否到限定值的工况，通过零位、上提、插入及扭矩的变化来判断起钻装置是否动作；针对空吊环上提运行、吊环带吊卡但插销未插入的工况，可以司钻判断解除保护，同时扭矩不做为判断条件，达到控制的起钻装置是否动作；由于保护只在吊环卡入吊卡正式上提时起作用，如果正式上提由司钻判断，控制保护主动投入，则零位、上提、扭矩都不作为判断条件，只判断插销是否插入实现控制起钻装置是否动作的目的，分段保护流程图如图2所示。

图2 分段保护流程图

一般一根钻柱高度约为30m左右，当离钻台面0～1m范围内且上提时，本装置启动保护系统，其余位置无论上提还是下放操作，都不进行扭矩限制，绞车可进行正常操作。当出现吊卡插销在保护范围内插销未插到位的情况，将该工况下的信号传输到变频器，并在变频器中做相应的自适应编程，实现扭矩动态限幅。

本预防单吊环事故装置需要一体式插销2件、主控制箱1件、编码器1件、电源电缆1根、连锁控制电缆1根、编码器电缆2根，针对模拟直流电控房设计扭矩限制值，便于动态扭矩控制输出。

2 动态扭矩限幅

由于本装置直接限定静态扭矩值会导致负载量＞拉升力，尤其在绞车有一定位移的情况下，会导致钻具下溜的现象发生[6－8]。以ABB变频器ACS800为例，通过外部继电器与连锁控制线、绞车变频器控制柜硬线连接如图3所示。内部采用自适应编程，当钻机处于空游车状态，在保护区间范围内绞车上提，插销有一个未插到位或两个都未插到位，扭矩限制触发，此时允许空游车在保护范围内可以动但是不能提动任何钻具。当钻机游车在保护范围内带钻具上提时，扭矩限制输出不能提动任何钻具，如果钻具重量大于扭矩限制值，则根据悬重变化情况，动态调节扭矩值，否则，就按空游车扭矩限幅输出。

图3 ACS800绞车A原理图

3 实验验证

本装置在Windows10 TIA Portal v16下进行软件编程，运用Siemens HMI作为司钻操作界面，便于观察和操作，主要包括主监控界面、参数设置界面、消息记录界面、报警界面，分别如图4、图5、图6、图7所示。

图4 主监控界面

图5 参数设置界面

图6 消息记录界面

图7 报警界面

如图4所示，“编码器故障复位”按钮，当编码器出现故障时，需人为确认该故障，若无问题，点击“编码器故障复位”按钮即可复位编码器故障；“大钩位置校零”按钮，当编码器出现位置偏差时，点击“大钩位置校零”按钮，位置还原为初始0m位置；“大钩位置”显示框上提下放游车，大钩位置发生变化；“吊卡保护设定位置”表示单吊环事故发生区间位置一般0．3～0．5m，因此可设定保护区间范围为0～1m；“起钻模式激活”及“起钻模式激活确认”按钮表示模式选择开关旋至旁路时，触摸屏起钻模式激活指示灯显示灰色，当旋至起钻模式并点击“起钻模式激活按钮”时，起钻模式激活指示灯变为绿色并且系统投入保护；“进入吊卡保护区间”表示当大钩位置位于吊卡保护区间内时，进入吊卡作业保护区间指示由灰色变为绿色；“左、右插销状态”表示当左右插销分别插入吊卡且被检测后，触摸屏上左吊卡插销状态和右吊卡插销状态指示由灰色变为绿色；“扭矩限制输出”表示当在保护状态下插销没插到位时，触摸屏上扭矩限状态由灰色变为红色，智能控制箱的警报蜂鸣器变为红色并发出报警声，继电器动作，扭矩限幅功能激活。

如图5所示，参数设置界面相关参数可根据现场情况实际设置，相关参数越精确，大钩位置计算越准确，当大钩显示位置与实际位置有偏差时，可根据校正系数比例进行微调大钩位置操作。

如图6所示，消息记录界面主要将历史报警记录都进行存储，并存储为文档形式，方便故障追溯。

如图7所示，报警功能界面主要从报警缓冲区获取报警信息，掉电易消失，不具备存储功能。

本装置在巴州70088井队及80005井队功能已经得到验证，70088井队电控设备是直流模拟电控房，以下是实验过程及实验数据：

试验一：绞车电流限幅点调至0．506V

当绞车电流限幅点调至0．506V时，电流限制过小，导致绞车以猫头速度无法启动。

试验二：绞车电流限幅点调至0．475V

当绞车电流限幅点调至0．475V时，绞车以猫头速度可以启动，踩下脚踏后，绞车无法空游车上提。

试验三：绞车电流限幅点调至0．427V

当绞车电流限幅点调至0．427V时，绞车以猫头速度可以启动，踩下脚踏后，绞车无法空游车上提。

试验四：绞车电流限幅点调至0．393V

当绞车电流限幅点调至0．393V时，绞车以猫头速度可以启动，踩下脚踏后，空游车可轻微上提，当吨位大于空游车吨位后，绞车上提无效。

实验数据如表1所示。

表1 70088井队实验数据统计

80005井队电控设备是交流变频电控房，以下是实验过程及实验数据：

单吊环保护装置采用一体式插销，分别对绞车单机、双机工作情况进行了测试，当发生单耳环保护时，绞车上提吨位控制在5吨以内。随后，单耳环保护装置投入实际使用，完成了一趟起下钻工作（井深6300米），使用效果良好。满足保护效果。具体测试数据及测试项目如表2所示。

表2 80005井队实验数据统计

4 结论

该装置采用一体式插销结构设计轻巧、电池续航能力强、检测稳定可靠、使用非常便捷。在保护过程中，插销状态检测可靠、信号传输稳定，联锁控制输出准确，触摸屏直观显示各类状态信息。整套系统检测保护功能可靠，单吊环保护时上提吨位可控制在5吨以内，满足现场功能应用。系统具有旁路功能，故障时方便切出，不影响正常起下钻。