石油钻井绞车防碰系统分析

石油钻井绞车防碰系统分析

作者：牟春书王洪臣张吉平

来源：《山东工业技术》2016年第06期

摘要：本文简要叙述了目前石油钻井绞车所使用的各种防碰形式，分析了重锤气控防碰、滚筒过卷阀、智能电子防碰三种钻井绞车防碰控制形式的优缺点，指出了现在各种钻机绞车防碰形式存在的必要性和今后石油钻井绞车防碰形式的发展方向，对今后钻机防碰系统的发展提供了参考和帮助。

关键词：绞车；防碰；现状分析

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.061

0 引言

石油钻井绞车的防碰系统是石油钻机的重要部件，它担负着控制大钩载荷的起升、下放、停止的重任。游车的运行是由动力机通过绞车滚筒旋转，通过游车大绳产生位移，由操作者司钻通过开启或关闭气开关使离合器产生离合，通过抬起或下压刹把将游车控制。关闭离合器开关，下压刹把使游车停止上下运动。如果操作者精力不集中或疲劳工作就会发生游车上顶天车或下砸机械事故。如果遇到雨雪雾霾等环境恶劣天气，极易失去对有车的准确控制。防碰系统性能的反映速度、准确性决定着石油钻机绞车的安全问题。因此，研究分析钻井绞车的防碰系统，保证石油钻机能够正常、安全地施工作业，是非常必要的。

1 重锤气控式防碰系统

此种防碰形式是在石油钻机的发展初期普遍采用的非常典型的一种防碰形式，目前一些钻机绞车仍然采用，其结构原理是：在距天车滑轮下6米左右（冬季调整为4米），通过井架横向穿越一根直径6.35毫米的钢丝绳作为限位绳，一端固定在井架的一侧，钢丝绳由井架另一侧引出至固定在井架一侧的三通气开关上手柄上，三通气开关手柄顶端设置一个重锤，重锤上端设置一个挂环，下端的限位钢丝绳与挂环用开口销连接。当操作者司钻操作失误没有及时摘开离合器开关，游车继续上行触碰到限位绳，这时，重锤与挂环出的开口销脱落，控制绞车刹车的气缸控制气通过常开继气器切断高、低速离合器气源，同时高压气直接进入刹车气缸紧急刹车，使游车停止运行。

这种防碰形式的优点是结构简单、大部分气控元件搬迁安装时不用拆卸、安装、拆卸方便、耐用、易维护，没有精密元件，系统的投资费用和使用费用较低。

这种防碰形式的缺点是限位绳由于是钢丝绳具有一定的弹性，防碰装置的检测、判断、控制输出（防碰回气）不敏捷，绞车刹车及时性和刹车惯性距离延后，时间节点准确性不高，只能设置上行限位，原钻机自身的绞车制动和紧急刹车太慢或完全失灵（也就是说，摘断绞车的动力和对绞车的刹车不灵活、不迅速、不可靠——例如：气路、油路、阀件、气缸、油缸的老化、变形、受阻、受卡、受冻、被堵等因素导致的动作太慢甚至是完全失灵不动作）。冬季施工时，需要对气控系统管线和阀件进行保温处理。

此种防碰系统主要用于自动化程度不高的老式机械钻机，比如大庆ll型塔式井架钻机绞车。

2 过卷阀式防碰系统

这种防碰形式是在绞车滚筒上部安装，过卷阀固定在绞车前滚筒上部的绞车横梁上。根据游车上升到限位高度钢丝绳在滚筒上缠绳的位置，沿滚筒体轴向调整防碰过卷阀的固定位置及拨杆长度，使防碰过卷阀的拨杆位于钢丝绳的缠绕方向的前方位置，此时拨杆应紧贴钢丝绳。当游车继续上升超过限位高度时，滚筒上的钢丝绳缠绕层数也同时增加。钢丝绳层数增加钢丝绳就触碰拨杆，防碰过卷阀换向，过卷阀的气路接通。一路气进入司钻控制台内的常开两用继气器，使常开两用继气器关闭，这样就切断了滚筒高、低速离合器的气源，离合器通过快速放气阀放气，使滚筒停止工作。通过气控系统刹车，实现紧急刹车，使绞车停止运行，从而防止游车碰天车事故的发生。

这种防碰形式的优点是结构简单、与重锤式防碰天车的气控原理相同，大部分气控元件搬迁安装时不用拆卸、安装、拆卸方便、耐用、易维护，没有精密元件，系统的投资费用和使用费用较低。

这种防碰形式的缺点是在滚筒排缠大绳过程中，如果大绳排乱会引起误动作，绞车刹车及时性和刹车惯性距离延后，时间节点准确性不高，只能设置上行限位。冬季施工时，需要对气控系统管线和阀件进行保温处理。

此种防碰系统与过卷阀式防碰系统大量应用于各种钻机绞车上，应用范围较广。

3 智能电子防碰系统

智能电子天车防碰系统是由智能防碰仪、绞车传感器、电磁阀、刹车气缸或油缸、主滚筒刹车执行机构等组成。它是一个高性能的单片机系统。通过接收来自绞车传感器的游车大钩信号进行智能判断，当大钩高度大于限定的高度位置时，智能防碰仪立即产生报警并同时打开电磁阀，来控制气缸或油缸，驱动主滚筒刹车执行机构。最后将绞车自动刹车。

这种防碰形式的优点是智能电子游车防碰系统是一套与普通天车防碰系统重锤式、过卷阀式并行运行的一种先进的防止钻机绞车发生游车上碰下砸事故的安全保护系统。在钻机运转过程中，智能游车防碰系统会自动检测游车的高度位置，当游车运行至钻机顶部限定高度位置或运行至钻台面限定高度位置时，系统会发出声光预警信号。同时系统会输出控制信号，强制进行刹车，确保游车运行安全。其最大优点是能够设置游车下放最低位置高度，防止游车下砸转盘。

这种防碰形式的缺点是由于施工作业工况不同，下砸的刹车停止运行位置需要根据作业工况进行变换设置，比如起下钻作业与钻进作业大钩吊环的最低点位置有所不同，钻进作业时设置的下砸最低点位置是方钻杆最上端与接头结合处，而起下钻时设置的下砸最低点是大钩吊环挂吊卡处，两者距离相差近2米。如果对起下钻最低位置不重新设置，而在钻进时如果溜钻或刹车失灵就起不到下砸保护。

不管是新投产的钻机还是进行技术改造的钻机，智能电子防碰系统与重锤式气控防碰系统、过卷阀式防碰系统，以三种组合的形式广泛应用于ZJ30型、ZJ40型、ZJ50型、ZJ70型钻机绞车上。

4 结论

根据以上分析，石油钻井绞车防碰系统的发展方向主要是以智能电子防碰系统为主，重锤式气控防碰系统、过卷阀式防碰系统为辅的形式发展，从现场使用来看，更多的应用是以三种组合的形式出现。

参考文献：

[1]邓忠彬等.天车智能防碰装置在渤海油田的推广应用[J].科技资讯，2011（08）.

[2]赵留运.石油钻井司钻[M].山东东营：中国石油大学出版社，2007.

作者简介：牟春书（1963-），山东博兴人，主要从事设备管理工作。