液压吊卡液压系统优化设计的探讨

罗志远 黄芳飞 冯起赠 孙明远 刘双莹

（1.广州海洋地质调查局，广州 510075；2.中国地质科学院勘探技术研究所，廊坊 065000）

在现代陆地和海洋石油钻井系统中，液压吊卡广泛应用，特别是在高端自升式平台、半潜式平台以及钻井船智能化钻采系统中，已成为不可或缺的工具。在钻杆、套管和油管等起下钻过程中，使用液压吊卡可以实现远程操作，避免人员在井架二层台作业，有效减少高空落物，使钻台环境更加安全[1]，降低了人员受伤风险。在新型液压吊卡中应用，可求解出液压吊卡各系统中可靠性的变化规律，找出系统的薄弱点，指出使用中需要注意的事项[2]。使用者可以提前进行预防性检查和采取相应的应对风险措施，极大地提高了钻井作业的安全性。传统形式的纯机械式吊卡存在较多缺点，如无法保证安全，现场工人工作劳动强度大，自动化程度低，无法使用同一个吊卡完成不同尺寸油杆管的作业，作业成本高[3]。液压吊卡的出现大大简化了传统起下钻或下套管操作工艺，提高了钻修井作业效率，减轻了工人的劳动强度，增加了操作安全性，具有常规吊卡无法比拟的优势，是国内外研究开发的重点，满足了石油机械的自动化要求，是未来吊卡技术发展的必然趋势[4]。

目前，NOV的BX系列液压吊卡在全球范围内最具广泛性，且成熟性高。但是，长期使用该产品后，相关人员发现其液压控制系统存在安全隐患，需要对其进行研究并提出改进方案。

1 BX系列液压吊卡结构组成及液压控制原理

BX系列液压吊卡由吊卡主体、补芯、吊卡左右门、门锁、门锁开关铰链机构、门锁机械锁紧机构、吊卡旋装置、门和锁执行液缸、液压阀组以及液压控制系统等组件组成，如图1所示。

BX系列液压吊卡由门和锁液缸来控制液压吊卡的左右门和门锁关闭。装备可根据钻具尺寸大小选择不同的补心进行更换。其中，补心由弹簧锁紧销轴锁紧在吊卡上，更换十分方便。4片补心分别有安全绳连接，可以防止出现补心意外掉落，从而避免事故的发生。当钻具触碰吊卡中间补心时，补心会挤压其后面的销轴，引起销轴移动，导致关闭吊卡的液压换向阀换向，从而自动关闭液压吊卡的门和锁。液压吊卡右门装配弹簧复位的竖直机械锁销。该锁销在补心受到竖直向下负载时，通过连杆机构传递，在门锁外面伸出，会阻止液压吊卡锁的打开，从而保证液压吊卡门不会打开，起到安全保护的作用。当液压吊卡关闭到位后，液压吊卡会返回一个经过减压的压强（约为6.895 MPa）。当顶驱上的液压传感器检测到该压强值时，控制系统默认液压吊卡门和锁紧机构已经关闭到位，同时液压吊卡返回另一路未经减压的液压信号。它会控制液压吊卡的旋转装置，使液缸处于浮动自由状态（旋转装置液缸大小腔室连通），防止液压吊卡从猫道机上扣住钻具后，在顶驱提升过程中液压吊卡旋转角度发生变化时旋转装置液缸被憋压，导致液压密封损坏泄漏。BX系列液压吊卡外观图片如图2所示。

2 BX系列液压吊卡关闭过程原理

BX系列液压吊卡原理图如图3所示。液压吊卡处于打开状态，主阀F阀芯处于中位。当钻杆触碰吊卡补心时，触碰杆被压缩进触碰阀L，使触碰阀L处于下位；压强P从1管连接5管，推动主阀F阀芯，使主阀阀芯处于左位；压强P通过主阀从1管连接7管，使门液缸活塞开始伸出；同时，压强从7管通过液控单向阀Y到达液缸，液缸使活塞杆伸出，保持触碰杆触碰阀L挺杆，使阀L阀芯处于下位。当门液缸活塞伸出超过信号孔时，吊卡门已经关闭到位，压强从信号孔到达10管，打开液控单向阀K、X，压强从7管到达11管，门锁液缸活塞开始伸出。当门锁液缸活塞将门锁关闭后，压强从门锁液缸的信号孔到达12管，打开单向阀G，使压强从7管经G阀、24管、X阀、40管，再经过Z阀到4管，然后经减压阀D减压到约6.895 MPa，最后经单向阀C返回XP，到达顶驱上的压力传感器（见图4）。压力传感器接收到约6.895 MPa后，为司钻传递吊卡已经关闭到位信息。

关闭液压吊卡时，有XP=6.895 MPa，P=13.790 MPa，FLOAT=P=13.790 MPa，T=MAX1.379 MPa。

3 BX系列液压吊卡打开过程原理

由图3和图4可知，当司钻通过触屏控制使电磁阀FC1得电动作时，XP=15.168 MPa（至少大于压强P13.790 MPa，才能推动F阀阀芯）时，阀E处于左位，3管压强连通6管，推动F阀阀芯处于右位。同时，单向阀M被打开，压强通过14管使门锁液缸活塞回收，打开门锁。此时，压强通过门锁液缸信号孔到达12管，打开液控单向阀阀H、G，压强经H阀使门液缸活塞回收，打开液压吊卡门。另外，9管上的压强打开液控单向阀阀Y，使触碰杆液缸泄压回收，TRIGGER回收，阀L在弹簧力作用下复位，阀芯处于上位，将5管压强泄压。此时，司钻控制使电磁阀FC1失电，XP压强消除，F阀阀芯两端压强解除，在阀芯弹簧力作用下，F阀阀芯回归中位，完成打开液压吊卡。

打开液压吊卡时，有XP=15.168 MPa；P=13.790 MPa；FLOAT=0 MPa；T=MAX1.379 MPa。

4 现有技术的缺点

笔者在中海油服“凯旋一号”海上钻井平台使用液压吊卡作业。多次故障原因表明，BX系列液压吊卡在起下钻过程中（见图5），由于卸钻具接头时经常由钻井液（泥浆）流到液压吊卡上，导致泥浆或其他杂质从触碰顶杆与阀体之间的间隙进入液压控制系统到达触碰阀L，导致触碰阀L阀芯卡死在下位，弹簧力无法使阀芯回复到上位，从而导致液压吊卡功能异常。取消顶驱操作权限后，打开液压吊卡XP压强泄压，压强P中的残留压强通过触碰阀L阀到达主换向阀F左端，导致主换向阀F阀芯处在左位（正常阀芯处在中位），未经触碰机构，压强P中的残留压强使液压吊卡自动关闭（正常需要触碰机构后，液压吊卡才会关闭），存在较大的安全隐患。

国内中海油服渤海某钻井平台钻工更换BX系列液压吊卡补心时，司钻取消顶驱操作权限后，残留压强导致液压吊卡意外关闭，钻工被液压吊卡夹伤大腿。事后检查分析液压吊卡意外关闭的原因，在于液压吊卡触碰阀L阀芯卡死在下位，因此必须对其进行改进，使系统运行更安全。BX系列吊卡换向阀L和换向阀F，如图6所示。

5 改进措施

根据现场使用情况，笔者提出了一套控制液压吊卡关闭方案。其中，取消液压控制系统中控制液压吊卡关闭的触碰机构，引进另一路液压源，改用3位4通电磁阀来控制液压，从而关闭液压吊卡，并在该控制关闭液压油路中加装小型滤芯，有效过滤在使用过程中因井口环境恶劣连接液压接头可能引入的杂质，从而消除因杂质进入触碰阀L使其阀芯卡死导致功能异常的情况。另外，巧妙运用液压互锁原理设置互锁液压油路，防止液压吊卡在使用过程中意外打开，提高液压吊卡使用的安全性。

改进的吊卡液压原理图，如图7和图8所示。为了取代触碰机构，引入一路3位4通电磁阀FC1来控制油路XP2[5]，XP2经滤芯J、2位3通阀S、液控单向阀R到达L阀下部，作为L阀的控制油路。关闭BX系列液压吊卡过程如下：司钻通过操作按钮使电磁阀FC1（见图8）右侧线圈得电动作，处于右位；控制油路到达XP2，XP2经滤芯J和2位3通阀S使S阀阀芯移动，处于左位；控制油路经过S阀往上到达液控单向阀R后再到L阀下部，推动L阀的阀芯，此时L阀的阀芯处在下位；接通主油路P的分路1和分路5，油路5推动主阀F阀芯，使主阀F阀芯处于左位，关闭液压吊卡（由前面液压吊卡关闭原理可知，主阀F阀芯处于左位时液压吊卡会关闭）；当液压吊卡关闭后，会返回一个表明液压吊卡关闭的压强信号，经减压阀D减压到6.895 MPa，到达XP作为反馈信号；将该反馈信号引到液控单向阀N，打开单向阀N，使主油路P到达L阀下部，保证即使关闭指令结束，电磁阀FC1失电，导致XP2油路失压；通过液控单向阀N的主油路P，也能保证L阀的阀芯处在下位不变，保证液压吊卡大门一直处于关闭状态；当液压吊卡关闭后，司钻通过操作按钮使电磁阀FC1右侧线圈失电；电磁阀在复位弹簧作业下，复位回到中位，XP2油路失压，变为0 MPa。改进的吊卡液压外部控制原理图，如图8所示。

当打开液压吊卡时，司钻通过操作按钮使电磁阀FC1（见图8）左侧线圈得电动作，处于左位，此时XP为15.168 MPa。XP压强经滤芯B、2位3通阀E到达主阀F阀芯右端，使主阀F阀芯处于右位，液压吊卡打开。同时，把经滤芯B的XP油路引一分路3到达液控单向阀R，打开液控单向阀R，将L阀下部压强泄压，使L阀阀芯在弹簧力作用下复位，L阀阀芯处于上位，将主阀F左端压强卸除。打开指令结束后，司钻通过操作按钮使电磁阀FC1失电，此时XP为0 MPa，主阀F两端控制压强都为0 MPa。主阀F在两端复位弹簧力作用下处于中位，液压吊卡始终处于打开状态。

从2018年9月至2020年5月，通过改进优化的BX系列液压吊卡控制系统，在国内渤海湾中海油服某高端式自升式钻井平台上得到测试应用（见图9），累计使用钻井进尺达6 000 m。起下钻过程中，液压吊卡开关次数达1 000次以上，暂未出现开关异常故障问题，达到了预期改进优化的目的。

6 结语

基于BX系列液压吊卡液压控制系统的研究和海上钻井平台现场应用出现的缺陷，研究设计了一套控制液压吊卡开关的控制系统（图7增加部分）。相对市场已有的BX系列产品，该系统取消了液压控制系统中控制液压吊卡关闭的触碰机构，采用电磁阀控制压强来关闭液压吊卡，改进优化液压吊卡液压系统开关互锁逻辑关系，并在该控制关闭液压油路中加装小型滤芯，有效过滤在使用过程中因井口环境恶劣拆装液压接头可能引入的杂质，消除因杂质进入触碰阀存在的阀芯卡死隐患。即使液压吊卡在起下钻时受到钻井泥浆浇洒的恶劣环境影响，依然能够可靠安全高效工作。从2018年9月至2020年5月，改进的BX系列液压吊卡控制系统在国内渤海湾中海油服某高端式自升式钻井平台上得到测试应用，累计使用钻井进尺达6 000 m。起下钻过程中，液压吊卡开关次数达1 000次以上，暂未出现开关异常故障问题。现场使用表明，改进优化后的液压吊卡在环境非常恶劣的钻井工况下各动作工作正常稳定，有效提升了液压吊卡的稳定性，使得工作更加安全稳定可靠，达到了预期的改进优化目的。