作业现场超负荷自动保护制动装置的应用与效果

2023.07.30

吝佳琦　王立龙　白瑞义　刘兴山

众所周知，目前作业过程中，司钻操作通井机上提管柱时，随时观察拉力表负荷变化，一但负荷过大，司钻立即采取措施刹车来降低大绳负荷。从看到大绳超负荷到成功制动这一过程中，司钻反应时间按0.2-0.25s，制动时间按1.5s计算，通井机挂3档时大绳速度约为2m/s，这样，即便成功制动，大绳又已经上升3.4-3.5m，负荷仍持续增加，人工制动反应时间较长，安全性差。多年来，大绳超负荷作业造成了许多危害事故的发生，轻则井下管柱断裂落井，管柱墩弯变形，导致油管报废，同时需要多次打捞，增加施工成本及处理难度;重则大绳过载引起断裂或大直径工具撞击、损坏井口，造成人员伤亡，设备损坏，给人身和设备带来了很大的安全风险。为此，我们主要针对超负荷自动保护制动装置的研制与应用进行了探索。

一、做好现状调研与原因分析工作

通过现场调研，我们主要发现了以下问题。

1.套管问题。套管破裂、弯曲变形时，检修井下大直径工具容易遇卡，导致大绳负荷徒增。2.拉力表问题。修井起下作业过程中产生拉应力和冲击应力，使得拉力表频繁地承受加载和卸载，导致拉力表指针来回移动，时间长了容易迟钝难以复位。拉力表发生故障指示不明确，误导司钻操作，导致大绳负荷过高。3.接头问题。如果管柱带有特殊大直径接头，上提到井口前需要倒自封，如果交接班时没有交代明白，或是大直径工具标注不全，容易上提管柱造成大直径接头刮碰井口，大绳负荷猛增。

综上所述，司钻在操作通井机时由于人为因素、井况因素、环境因素等种种不可预测条件的影响下，不可避免的会使大绳负荷指标超出，再加上井下工具受损破坏、疲惫老化、受力不均、砂卡、落物卡等种种因素，极其容易发生工具断裂、脱落事故，增加额外的工作量。

二、做好现场设计与现场实验工作

众所周知，一项成功的工具革新与改进需要无数次的设计和现场实验。为了把工具革新工作落到实处，我们根据现场的实际情况，针对选择什么样式、安装位置、连接方式、控制方式的超负荷自动保护制动装置进行了讨论研究，并将超负荷自动保护制动装置分成传感器部分和控制器部分，做好了现场设计与现场实验工作。

1、提出合理的设计方案

首先，从适用性方面考虑，我们分析得知，如果超负荷自动保护制动装置在大绳上卡不死，即便是造成轻微的移动，也会对测量结果造成一定的影响，因此一定要设计固定牢靠。

其次，从性能方面考虑，电子装备加工精密度要求高，各部件设计加工要符合相关标准，经检验合格后方可使用，因此，各部件质量及性能一定要达标。

最后，从可操作性方面考虑，装置各组件不宜过大，电缆线路不宜过长，且方便拆装及调试，研制要求小巧、灵活、好用，体积重量以满足现场需要为准。

2、找到合适的材质与参数

一是做好传感器的材质选择与参数设计工作。在材质选择上，我们主要利用了显示器的外形尺寸。在参数选择上，对于额定载荷，我们按井架工作载荷500KN计算，每根大绳所承受力为83KN，设计传感器量程为6～8t。对于额定电压，我们设计传感器电源电压为24V直流电压。对于工作温度，由于作业环境有时比较恶劣，结合地区气候特点，传感器工作温度满足-20～50℃即可。

二是做好控制器的外形选择与参数设计工作。在外形尺寸上，我们把控制器安装在通井机驾驶室内，大小以不影响司钻操作为准，同是便于观察和调试。在安装位置上，将控制器设计固定在通井机驾驶室仪表盘外侧。在校零功能设置上，以减小由于传感器、导线等引起的零点误差，提高系统监测精度。在正常值校准上，主要通过拉力表拉力值校正，正常情况下显示大绳死绳端载荷值，显示器绿灯亮。在断气保护值设置上，设置断气保护载荷，当大绳载荷达到该值时，警示红灯亮。在 ? 信号输入输出端上，主要是连接导线，输入输出电信号。

三是做好电磁阀的参数设计工作。电磁阀设计主要有二位三通、二位四通和二位五通三种。二位的含义为：对于电磁阀来说是带电或失电，对于所控制的阀来说就是打开或关闭。与三通相比，四通多一个排气口，五通多两个排气口，且成本增加。结合作业现场实际，二位三通能满足要求，所有，我们主要采用二位三通电磁阀。而在进气口端和出气口端上，主要做到了连接管线设计要与通井机气管线一致，以达到方便快速连接目的。

3、做好有效的现场实验工作。按照预期设计，我们主要对傳感器、控制器和电磁阀进行现场安装，发现尺寸大小合适，拆装方便，且功能较为齐全，满足设计需求。为此，我们先后选取不同机型的15口抽油机进行了实验，达到了预期目标。

三、主要效果