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不壓井作業(yè)裝備安全控制技術(shù)研究

文檔作者：劉洪亮張美玲孟慶珍文檔來源：中國石化石油工程機械有限公司第四機械廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月10日
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第23卷第4期
2013年12月
江 漢 石 油 科 技
JIANGHAN PETROLEUM SCIENCE AND TECHNOLOGY
V01．23 No．4
Dee．20l3
不壓井作業(yè)裝備安全控制技術(shù)研究
劉洪亮，張美玲，孟慶珍
(中國石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州434024)
摘要：通過分析目前國內(nèi)外不壓井裝備自動控制技術(shù)現(xiàn)狀及作業(yè)過程的安全需求，結(jié)合不壓井裝備帶
壓作業(yè)的工藝、工況及現(xiàn)場作業(yè)情況，深入研究了作業(yè)過程中防噴器、卡瓦及帶壓作業(yè)的安全操作問題，提
出不壓井裝備作業(yè)安全控制技術(shù)方案并實施。試驗表明：利用本文提出的技術(shù)方案，能夠滿足不壓井裝備帶
壓作業(yè)安全操作需求，全面監(jiān)控作業(yè)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行預(yù)警提示，減輕了作業(yè)操作強度，極大的改善了不壓井
裝備應(yīng)用中的安全}生、可靠性。
關(guān)鍵詞：不壓井；帶壓作業(yè)；安全控制
不壓井修井機是一種新型的修井設(shè)備，它是在
油井不用泥漿壓井，水井不放噴的情況下利用井口自
封防噴器來封住井內(nèi)壓力，帶壓強行起下油(水)
管柱作業(yè)的，因為無需泥漿壓井，從而避免了將高
密度或低滲透油氣井壓死、不會損傷油井、不會影
響油氣流動狀態(tài)，不會減少油氣層滲透率，能有效
解決作業(yè)過程中壓井對油層產(chǎn)生的損壞和污染問
題，保護(hù)了油層、簡化了施工工序，降低了生產(chǎn)成
本，提高了油氣生產(chǎn)效率。
國外不壓井裝備已經(jīng)得到廣泛的推廣應(yīng)用，控制
上以液壓控制占主導(dǎo)地位，依靠先進(jìn)的電控技術(shù)實
現(xiàn)對作業(yè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，對作業(yè)狀態(tài)的全面監(jiān)控，
增強了設(shè)備作業(yè)的安全性與可靠性。與國外不壓井
裝備相比，我國自行研制的不壓井裝備還停留在研究
與試制階段，存在的問題主要是可靠性低、安全性
差，操作復(fù)雜，難于現(xiàn)場推廣。
基于帶壓作業(yè)的諸多優(yōu)點，不壓井作業(yè)設(shè)備在
油田的應(yīng)用越來越廣泛。目前國油田現(xiàn)在使用的不
壓井設(shè)備主要依靠國外引進(jìn)。第四石油機械廠抓住
潛在的市場需求，以現(xiàn)場帶壓作業(yè)工藝為依據(jù)，作
業(yè)安全性、可靠性、方便性為出發(fā)點，在引進(jìn)、消
化、吸收國外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研發(fā)了撬裝獨立式液
壓不壓井作業(yè)設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上深入研究了帶壓
作業(yè)設(shè)備的安全可靠性能，開發(fā)了不壓井裝備安全
控制系統(tǒng)，優(yōu)化了操作工序，實現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)的實
圖1 撬裝式液壓不壓井修井機
時監(jiān)控，制定了安全保護(hù)措施，并進(jìn)行充分的現(xiàn)場
試驗，極大的提高了設(shè)備的安全可靠性能。
l 不壓井設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理
四機廠生產(chǎn)的撬裝式不壓井設(shè)備(如圖1)主
第一作者簡介；劉洪亮，2004年畢業(yè)于長江大學(xué)自
動化專業(yè)，2007年獲長江大學(xué)信號檢測與控制專業(yè)碩士
學(xué)位，現(xiàn)任第四機械廠自動控制研究所工程師。
第4期 劉洪亮等：不壓井作業(yè)裝備安全控制技術(shù)研究 ·63·
孤
、
定 瓦天
；
游動 瓦“"
油 { ( 拽)
l
游動卡 -父閉
{
●
{ 定～ 見|j 開
}
{
油缸下 (帶載)
圖2(1) 下壓管柱作業(yè)流程
要由液壓動力系統(tǒng)、起升廠F壓系統(tǒng)、單根起升下放
裝置、液壓控制系統(tǒng)、井控系統(tǒng)和輔助配套設(shè)施組
成。設(shè)備具有方便安裝、容易移運、作業(yè)效率高、
操作工序簡單等特點，并經(jīng)過大量的工業(yè)試驗，已
經(jīng)證實了設(shè)備作業(yè)的可靠性，安全性。
目前該設(shè)備主要用于油氣井的修井作業(yè)，作業(yè)
時，液壓動力系統(tǒng)提供動力，井口防噴器組封住井
口環(huán)形空間，起升／下壓系統(tǒng)夾持管柱進(jìn)行起／下管
柱作業(yè)。作業(yè)流程如圖2。
其中，起升廠F壓系統(tǒng)主要由卡瓦與油缸組成，
卡瓦共分為兩組，分別為承重卡瓦和防頂卡瓦，以
適應(yīng)不同的工況，每組卡瓦又分為游動卡瓦和同定
卡瓦，在作業(yè)中，設(shè)備的載荷主要由油缸來承載，
在井口密封的情況下，由游動卡瓦與固定卡瓦的配
合使用，進(jìn)行起升與下放管柱。單根起升，下放裝置
由立管、頂部滑輪、平衡絞車等組成，雙滑輪與雙
絞車的設(shè)計理念，可滿足同時進(jìn)行提升與下放管柱
的操作，大大提高了作業(yè)效率。
2 系統(tǒng)需求
從設(shè)備的工作流程可以看出，全液壓的控制方
式需要操作者逐一步驟的完成操作，從而增加了操
作人員的工作強度，加大了誤操作機率，為了增加
循
：
圖2(2) 上提管柱作業(yè)流程
設(shè)備的安全性能，通過大量的試驗，不斷的總結(jié)出
以下幾點設(shè)備的控制需求：
2．1 數(shù)據(jù)采集
設(shè)備運行狀態(tài)是操作人員時刻關(guān)注的重要信
息，這就需要我們進(jìn)行時時數(shù)據(jù)的采集，包括：發(fā)
動機運行的各項參數(shù)監(jiān)測、各個控制系統(tǒng)的壓力、
井口參數(shù)的監(jiān){914、設(shè)備載荷的監(jiān)測等，通過這些數(shù)
據(jù)的采集、計算與對比，呈現(xiàn)給操作人員設(shè)備的運
行狀況以及設(shè)備故障的報警，從而保證作業(yè)的安全
性能。
2．2 狀態(tài)檢測
基于設(shè)備作業(yè)環(huán)境的特殊性，作業(yè)的難點之一
就是防噴器是否工作到位，如果防噴器沒有關(guān)到
位，則密封不緊；如果作業(yè)時防噴器沒有完全打
開，輕則損壞防噴器，重則會造成嚴(yán)重后果，所以
我們需要時時了解防噴器的狀態(tài)，為作業(yè)提供可靠
的依據(jù)；
作業(yè)的另一個難點就是，起升廠F壓系統(tǒng)的控制
與檢測；由于起升／下壓系統(tǒng)在提升與下放管柱時是
依靠固定卡瓦與游動卡瓦配合使用的，所以兩種卡
瓦不能同時打開，否則，會造成管柱的下落；另
外，在試驗中也發(fā)現(xiàn)，因為某種原因，在下壓作業(yè)
時，固定卡瓦未打開，這時，游動卡瓦夾持管柱進(jìn)

第4期 劉洪亮等：不壓井作業(yè)裝備安全控制技術(shù)研究 ．65．
3 控制系統(tǒng)設(shè)計
不壓井電控系統(tǒng)設(shè)計以PLC為控制單元，人機
界面(HIM)為顯示單元，總線通訊，通過編程達(dá)
到設(shè)備的邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)測與保護(hù)機制，如圖
3．。
在主體設(shè)備的合適位置安裝傳感器采集信號，
并通過總線將信號傳輸給PLC，PLC在接收數(shù)據(jù)后
進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，輸出控制信號與顯示參數(shù)，從而
控制相應(yīng)的電磁閥邏輯，人機界面則用來顯示設(shè)備
各項參數(shù)，為操作人員提供依據(jù)，同時，我們又設(shè)
置了故障報警，為設(shè)備的安全操作提供保障。
3．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)備采集的主要數(shù)據(jù)有：防噴器閘板的位置、
卡瓦的位置、發(fā)動機綜合參數(shù)以及其他需要顯示的
各系統(tǒng)壓力等?？紤]到設(shè)備的作業(yè)特殊性與可擴展
性，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集分為有線與無線兩部分，無線
部分主要針對于防噴器與卡瓦，這部分的數(shù)據(jù)采集
會在下面詳細(xì)介紹，對于有線部分，主要是指發(fā)動
機綜合參數(shù)與各控制部件的壓力和溫度等，其中，
發(fā)動機的綜合參數(shù)采用1939協(xié)議直接傳輸給PLC，
其他數(shù)據(jù)均采用防爆傳感器來采集，集中安裝在主
體設(shè)備控制箱內(nèi)，以便于安裝與防護(hù)。
3．2 防噴器及卡瓦狀態(tài)檢測
噴器閘板位置和卡瓦位置的監(jiān)測采用無線的采
集與傳輸，具體方案如圖4。
無線的監(jiān)測使設(shè)備更具有擴展性，用戶可以根
據(jù)需要在井口或配置的防噴器之間任意增加其他設(shè)
備而不會影響電路系統(tǒng)，同時，無線的監(jiān)測采用公
用的433MHZ廣播通訊，傳輸距離可達(dá)到300r【l，具
備一定的穩(wěn)定性和抗干擾性能，增加了電控系統(tǒng)的
可靠性。無線監(jiān)測分為兩部分，第一部分由無線位
置監(jiān)測模塊監(jiān)測防噴器閘板的位置和卡瓦的位置，
并將監(jiān)測的信號狀態(tài)以無線的方式傳輸給主站模
塊；第二部分由無線接收裝置接收各節(jié)點的信號，
并將數(shù)據(jù)整理后以Ethernet／IP協(xié)議方式(A B PLC的
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議)或DF1(A B PLC的標(biāo)準(zhǔn)RS232協(xié)
議、臆至AB PLC。目前這套無線的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)開
始投產(chǎn)，做相應(yīng)的試驗。
3．3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計
對于數(shù)據(jù)的處理采用的是閉環(huán)控制的方式，如
圖5。實現(xiàn)的功能有：@PLC將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判
斷處理，判斷防噴器的位置、卡瓦的位置是否到
位，然后給予顯示；②時時監(jiān)測卡瓦控制電磁閥的
狀態(tài)，并給予控制信號，實現(xiàn)卡瓦的互鎖功能；③
與人機界面進(jìn)行通訊，將所需的發(fā)動機綜合參數(shù)、
井口壓力、設(shè)備載荷等參數(shù)顯示在人機界面上；④
監(jiān)測支腿油缸行程，在油缸在行程中設(shè)定最低點和
最高點，給操作人員以油缸行程指示，便于下一步
操作；⑤根據(jù)設(shè)備的運行邏輯，在井下管柱比較規(guī)
律時，可以選擇自動模式，操作人員只需要執(zhí)行下
一步，各控制部件便可以執(zhí)行相應(yīng)的操作。
3．4 數(shù)據(jù)的顯示
隨著電子科技的不斷進(jìn)步，人機界面(HIM)
越來越多的應(yīng)用于工業(yè)的控制當(dāng)中，實現(xiàn)簡單且準(zhǔn)
確無誤的人機信息交流，實現(xiàn)人與機器之間從操作
到動作全過程的可視化。我們不壓井控制系統(tǒng)正是
基于這種人機交互的基礎(chǔ)上，開發(fā)了應(yīng)用于不壓井
作業(yè)設(shè)備上的可視操作系統(tǒng)。主要用來顯示設(shè)備各
項參數(shù)，將設(shè)備的狀態(tài)實時的反應(yīng)給操作人員。
我們采用AB公司的人機界面，在此平臺上開發(fā)
設(shè)計軟件系統(tǒng)，顯示的主要參數(shù)有：①防噴器、卡
瓦的位置信息。防噴器和卡瓦都有兩個位置信號，
一是關(guān)閉狀態(tài)，二是打開狀態(tài)，分別在屏幕上用兩
個信號燈顯示，當(dāng)防噴器(或卡瓦)完全關(guān)閉時綠
燈亮，當(dāng)防噴器(或卡瓦)未關(guān)閉或未完全打開的
狀態(tài)時紅燈亮，以此來顯示防噴器和卡瓦的正常工
作狀況，并在異常時發(fā)出報警信號；②顯示支腿油
缸行程，給操作人員一個提示，避免油缸碰撞；③
顯示設(shè)備各項參數(shù)，如系統(tǒng)壓力、卡瓦壓力、防噴
器壓力、發(fā)動機參數(shù)、支腿壓力等；④參數(shù)的設(shè)
定，根據(jù)各種工況設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。
4 結(jié)束語
通過大量的試驗與總結(jié)，以可編程邏輯控制的
方式開發(fā)的不壓井安全控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)以下幾項
功能：
(1)安全性：卡瓦互鎖、聯(lián)動，壓力報警，
(下轉(zhuǎn)第73頁)
g4期 王立文等：建南探區(qū)污水池滲漏原因分析及防治措施探討 ．73．
圖2 某污水池池底與池墻交界部位留置不正確
池壁留施工縫時，應(yīng)設(shè)置橡膠止水條或止水鋼
(銅)片，將橡膠止水條或止水鋼(銅)片的一半
埋人下層混凝土中，另一半澆在接灌混凝土中。接
灌混凝土前，要鑿去原有混凝土表面松動混凝土，
認(rèn)真清掃沖洗后澆筑5～10cm去石子混凝土，再澆筑
混凝土。
4-2 預(yù)埋件的處理
當(dāng)水池設(shè)有預(yù)埋件時，要注意不要使預(yù)埋部分
穿透池壁或池底板，以免形成滲漏通道。預(yù)埋件可
以和鋼筋點焊在一起，以保證位置準(zhǔn)確、固定牢
固。當(dāng)必須穿透池壁時，應(yīng)在每一個預(yù)埋件上加焊
止水環(huán)。預(yù)埋件穿過模板處要堵塞嚴(yán)密，不得漏
漿?；炷翝沧r，要注意將預(yù)埋件下方混凝土振
搗好，防止出現(xiàn)空洞、蜂窩。
5 結(jié)束語
污水池的施工是一項專業(yè)性比較強的施工技
術(shù)，產(chǎn)生滲漏治理難度大，對環(huán)境危害大。在施工
之前要充分做好準(zhǔn)備，編寫切實可行的施工方案并
做好技術(shù)交底工作。施工中要加強控制，采用正確
的澆筑方法，提高振搗的質(zhì)量，保證混凝土的均勻
性和密實性。對施工縫、預(yù)埋件等個別部位要認(rèn)真
處理，防止產(chǎn)生滲漏的通道。
(編輯李智勇)
(上接第65頁)
視頻監(jiān)視系統(tǒng)，無線位置檢測，能準(zhǔn)確清晰的反應(yīng)卡
瓦狀態(tài)，降低了因誤操作和設(shè)備故障造成的危險，
提高設(shè)備的安全性；
(2)設(shè)備載荷的顯示：通過實驗，加入一些
經(jīng)驗值，使設(shè)備的載荷更為準(zhǔn)確，為操
作人員更好的提供操作依據(jù)；
(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：通過人機界面(HIM)，
使數(shù)據(jù)的顯示更直觀；
(4)采用電路的總線控制和一部分的無線傳
輸最大限度的節(jié)省一些液氣路管線，使設(shè)備在安裝
的輕便性和外觀上有所改善。
參考文獻(xiàn)
【1] 王勛弟．不壓井作業(yè)設(shè)備『J】．國外石油機械，1997，5(2)．
【2】趙建國，李友軍，陳蘭明．不壓井作業(yè)設(shè)備引進(jìn)技術(shù)研
究叨．石油礦場機械，2004(06)．
(編輯李智勇)

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