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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(lái)源：中國(guó)石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠			點(diǎn) 擊數(shù)：
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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(guó)石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北荊州434024)
摘要：通過(guò)分析目前國(guó)內(nèi)外不壓井裝備自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀及作業(yè)過(guò)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(chǎng)作業(yè)情況，深入研究了作業(yè)過(guò)程中防噴器、卡瓦及帶壓作業(yè)的安全操作問(wèn)題，提
出不壓井裝備作業(yè)安全控制技術(shù)方案并實(shí)施。試驗(yàn)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(qiáng)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(jī)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(lái)封住井內(nèi)壓力，帶壓強(qiáng)行起下油(水)
管柱作業(yè)的，因?yàn)闊o(wú)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(huì)損傷油井、不會(huì)影
響油氣流動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)減少油氣層滲透率，能有效
解決作業(yè)過(guò)程中壓井對(duì)油層產(chǎn)生的損壞和污染問(wèn)
題，保護(hù)了油層、簡(jiǎn)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(guó)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(shí)
現(xiàn)對(duì)作業(yè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)作業(yè)狀態(tài)的全面監(jiān)控，
增強(qiáng)了設(shè)備作業(yè)的安全性與可靠性。與國(guó)外不壓井
裝備相比，我國(guó)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(wèn)題主要是可靠性低、安全性
差，操作復(fù)雜，難于現(xiàn)場(chǎng)推廣。
基于帶壓作業(yè)的諸多優(yōu)點(diǎn)，不壓井作業(yè)設(shè)備在
油田的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前國(guó)油田現(xiàn)在使用的不
壓井設(shè)備主要依靠國(guó)外引進(jìn)。第四石油機(jī)械廠抓住
潛在的市場(chǎng)需求，以現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，在引進(jìn)、消
化、吸收國(guó)外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研發(fā)了撬裝獨(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)
圖1 撬裝式液壓不壓井修井機(jī)
時(shí)監(jiān)控，制定了安全保護(hù)措施，并進(jìn)行充分的現(xiàn)場(chǎng)
試驗(yàn)，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(jī)廠生產(chǎn)的撬裝式不壓井設(shè)備(如圖1)主
第一作者簡(jiǎn)介；劉洪亮，2004年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)自
動(dòng)化專業(yè)，2007年獲長(zhǎng)江大學(xué)信號(hào)檢測(cè)與控制專業(yè)碩士
學(xué)位，現(xiàn)任第四機(jī)械廠自動(dòng)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(dòng) 瓦“"
油 { ( 拽)
l
游動(dòng)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(dòng)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(yùn)、作業(yè)效率高、
操作工序簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)大量的工業(yè)試驗(yàn)，已
經(jīng)證實(shí)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(shí)，液壓動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)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(dòng)卡瓦和同定
卡瓦，在作業(yè)中，設(shè)備的載荷主要由油缸來(lái)承載，
在井口密封的情況下，由游動(dòng)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(jì)理念，可滿足同時(shí)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(qiáng)度，加大了誤操作機(jī)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(guò)大量的試驗(yàn)，不斷的總結(jié)出
以下幾點(diǎn)設(shè)備的控制需求：
2．1 數(shù)據(jù)采集
設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是操作人員時(shí)刻關(guān)注的重要信
息，這就需要我們進(jìn)行時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，包括：發(fā)
動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)、各個(gè)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(cè)等，通過(guò)這些數(shù)
據(jù)的采集、計(jì)算與對(duì)比，呈現(xiàn)給操作人員設(shè)備的運(yùn)
行狀況以及設(shè)備故障的報(bào)警，從而保證作業(yè)的安全
性能。
2．2 狀態(tài)檢測(cè)
基于設(shè)備作業(yè)環(huán)境的特殊性，作業(yè)的難點(diǎn)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(shí)防噴器沒有完全打
開，輕則損壞防噴器，重則會(huì)造成嚴(yán)重后果，所以
我們需要時(shí)時(shí)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(gè)難點(diǎn)就是，起升廠F壓系統(tǒng)的控制
與檢測(cè)；由于起升／下壓系統(tǒng)在提升與下放管柱時(shí)是
依靠固定卡瓦與游動(dòng)卡瓦配合使用的，所以兩種卡
瓦不能同時(shí)打開，否則，會(huì)造成管柱的下落；另
外，在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槟撤N原因，在下壓作業(yè)
時(shí)，固定卡瓦未打開，這時(shí)，游動(dòng)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(jì)
不壓井電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以PLC為控制單元，人機(jī)
界面(HIM)為顯示單元，總線通訊，通過(guò)編程達(dá)
到設(shè)備的邏輯控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)機(jī)制，如圖
3．。
在主體設(shè)備的合適位置安裝傳感器采集信號(hào)，
并通過(guò)總線將信號(hào)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(hào)與顯示參數(shù)，從而
控制相應(yīng)的電磁閥邏輯，人機(jī)界面則用來(lái)顯示設(shè)備
各項(xiàng)參數(shù)，為操作人員提供依據(jù)，同時(shí)，我們又設(shè)
置了故障報(bào)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(jì)
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(dòng)機(jī)綜合參數(shù)以及其他需要顯示的
各系統(tǒng)壓力等。考慮到設(shè)備的作業(yè)特殊性與可擴(kuò)展
性，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集分為有線與無(wú)線兩部分，無(wú)線
部分主要針對(duì)于防噴器與卡瓦，這部分的數(shù)據(jù)采集
會(huì)在下面詳細(xì)介紹，對(duì)于有線部分，主要是指發(fā)動(dòng)
機(jī)綜合參數(shù)與各控制部件的壓力和溫度等，其中，
發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)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(cè)
噴器閘板位置和卡瓦位置的監(jiān)測(cè)采用無(wú)線的采
集與傳輸，具體方案如圖4。
無(wú)線的監(jiān)測(cè)使設(shè)備更具有擴(kuò)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(huì)影響電路系統(tǒng)，同時(shí)，無(wú)線的監(jiān)測(cè)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(wú)線監(jiān)測(cè)分為兩部分，第一部分由無(wú)線位
置監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)防噴器閘板的位置和卡瓦的位置，
并將監(jiān)測(cè)的信號(hào)狀態(tài)以無(wú)線的方式傳輸給主站模
塊；第二部分由無(wú)線接收裝置接收各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，
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(wú)線的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)開
始投產(chǎn)，做相應(yīng)的試驗(yàn)。
3．3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于數(shù)據(jù)的處理采用的是閉環(huán)控制的方式，如
圖5。實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)卡瓦控制電磁閥的
狀態(tài)，并給予控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)卡瓦的互鎖功能；③
與人機(jī)界面進(jìn)行通訊，將所需的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合參數(shù)、
井口壓力、設(shè)備載荷等參數(shù)顯示在人機(jī)界面上；④
監(jiān)測(cè)支腿油缸行程，在油缸在行程中設(shè)定最低點(diǎn)和
最高點(diǎn)，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(yùn)行邏輯，在井下管柱比較規(guī)
律時(shí)，可以選擇自動(dòng)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(jī)界面(HIM)
越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)的控制當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且準(zhǔn)
確無(wú)誤的人機(jī)信息交流，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間從操作
到動(dòng)作全過(guò)程的可視化。我們不壓井控制系統(tǒng)正是
基于這種人機(jī)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(lái)顯示設(shè)備各
項(xiàng)參數(shù)，將設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)的反應(yīng)給操作人員。
我們采用AB公司的人機(jī)界面，在此平臺(tái)上開發(fā)
設(shè)計(jì)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(gè)位置信號(hào)，
一是關(guān)閉狀態(tài)，二是打開狀態(tài)，分別在屏幕上用兩
個(gè)信號(hào)燈顯示，當(dāng)防噴器(或卡瓦)完全關(guān)閉時(shí)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(shí)紅燈亮，以此來(lái)顯示防噴器和卡瓦的正常工
作狀況，并在異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；②顯示支腿油
缸行程，給操作人員一個(gè)提示，避免油缸碰撞；③
顯示設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)，如系統(tǒng)壓力、卡瓦壓力、防噴
器壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)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(yǔ)
通過(guò)大量的試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)
功能：
(1)安全性：卡瓦互鎖、聯(lián)動(dòng)，壓力報(bào)警，
(下轉(zhuǎn)第73頁(yè))
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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(diǎn)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(shí)，應(yīng)在每一個(gè)預(yù)埋件上加焊
止水環(huán)。預(yù)埋件穿過(guò)模板處要堵塞嚴(yán)密，不得漏
漿。混凝土澆注時(shí)，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(yǔ)
污水池的施工是一項(xiàng)專業(yè)性比較強(qiáng)的施工技
術(shù)，產(chǎn)生滲漏治理難度大，對(duì)環(huán)境危害大。在施工
之前要充分做好準(zhǔn)備，編寫切實(shí)可行的施工方案并
做好技術(shù)交底工作。施工中要加強(qiáng)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(shí)性。對(duì)施工縫、預(yù)埋件等個(gè)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(yè))
視頻監(jiān)視系統(tǒng)，無(wú)線位置檢測(cè)，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(xiǎn)，
提高設(shè)備的安全性；
(2)設(shè)備載荷的顯示：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，加入一些
經(jīng)驗(yàn)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(guò)人機(jī)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(wú)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(guó)外石油機(jī)械，1997，5(2)．
【2】趙建國(guó)，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(chǎng)機(jī)械，2004(06)．
(編輯李智勇)

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