侯海龙、王斌、潘跃明、张星星
中石化胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司
【摘要】
在井架起升过程中，井架起升是否到位需要司钻自己观察，目前是凭操作人员的经验判断，若判断失误，要么刹车过早，井架不到位；要么停机太迟，会将井架拉弯。轻则造成井架报废，重则造成严重人员伤亡事故。针对现有技术的不足，设计一种采用角度传感器检测井架主体对地心的角度，采用位移传感器检测车载钻机上体井架与下体井架相对的升降位置，采用位置传感器检测井架与人字架或支腿距离状态，且在危险和特殊位置报警以及能实现远程控制，提高井架起升作业的方便性和安全性，避免人身伤亡事故发生的井架起升监测装置。
关键词：井架起升；监测装置；位置报警；远程控制
一、背景
现有的石油钻机、车载钻机的井架起升的操作安全通常是依靠操作人员的熟练程度来保证的。当井架起升过程中井架到接近人字架或支腿时，由于此时两者水平距离较短，重心位置较近，操作必须随时进行改变；但仅凭操作人员的眼睛来判断井架的重心位置非常困难，因此需要其他人员在很远的地方进行观察指挥，由于对重心位置的判断难免会有偏差，在井架过重心时还是会产生井架晃动；若对重心位置的判断偏差过大或操作人员操作不当，井架则会产生非常剧烈的晃动，甚至导致井架翻倒。另外，车载钻机上体井架的伸缩位置判断和锁止块的状态判断也是操作人员的难题，在很小角度的下方凭操作人员的眼睛来判断上体井架的准确位置和锁止块的状态非常困难，也需要其他人员在很远的地方进行观察指挥，其准确性也非常差。
二、主要研究内容及创新点
井架起升监测装置由角度传感器、位移传感器、位置传感器、数据采集与总线通讯模块、电源电缆、通讯电缆、井架起升监测主机组成，其特征在于:角度传感器安装在井架上，位移传感器通过其上的两个安装部位分别安装在下体井架和上体井架上，位置传感器安装在井架主体与人字架接触位置上，数据采集与总线通讯模块安装在井架的底部，数据采集与总线通讯模块通过电源电缆连接到DC24V电源，井架起升监测装置主机安装在井架起升控制箱上，井架起升监测装置主机通过通讯电缆连接数据采集与总线通讯模块。
井架起升监测装置采用角度传感器检测井架主体对地心的角度，采用位移传感器检测上体井架与下体井架相对的升降位置，采用位置传感器检测井架主体与人字架或支腿距离，具有危险和特殊位置报警功能，并能实现远程控制，提高井架起升下放作业的方便性和安全性。且主机通讯采取总线模式，可非常方便地配合井架起升下放控制箱实现远程控制，避免人身伤亡事故的发生。井架起升监测装置采取集中显示，功能全、体积小、方便安装与使用，操作人员对必须掌握的作业状态和位置状态一目了然。
2.1井架起升监测装置原理
井架起升监测装置采用2个角度传感器检测井架主体对地心的角度，以井架垂直于水平面为0°显示井架的角度，向地面方向为负，向井口方向为正，检测井架与地面的垂直角度，并通过信号线传输给数据采集与总线通讯模块，为井架起升监测装置主机的显示与报警功能提供实时数据。采用位移传感器检测上体井架与下体井架相对的升降位置，并通过信号线传输给数据采集与总线通讯模块，为主机的显示与报警功能提供实时数据。采用位置传感器检测井架主体与人字架或支腿的距离，并通过信号线传输给数据采集与总线通讯模块，为主机的状态显示与报警功能提供实时数据。采用电源电缆将电源模块的DC24V电源接入数据采集与总线通讯模块，并在此处为整个系统提供工作电源，安装和防护方便。
2.2、井架起升监测装置调试运行
2.2.1系统开机
当左右角度传感器及距离传感器正确安装后，按下位于主机右下方的电源按钮后，系统便开始上电工作，并进入如下图所示的主画面：
2.2.2传感器参数含义
左角度：为当前井架左支架的角度
右角度：为当前井架右支架的角度
距 离 ：为当前测距传感器所检测到的距离
2.2.3系统参数含义
当前角度实际偏差：为当前左右角度传感器的实际偏差
角度设定报警偏差：为用户所设定的报警偏差，如果当角度实际偏差大于等于此设定偏差时，系统将进行声光报警，系统报警继电器闭合。
系统报警输出状态：该参数用于指示系统报警继电器的当前状态。如果系统出现角度偏差报警或超架拉力超限报警时，该继电器动作；否则该继电器复位。
起架完成输出状态：该参数用于指示起架过程是否完成。在起架过程中，如果左右角度等于90度且距离传感器小于1，则认为起架完成，此时该继电器动作。
2.2.4起井架过程
在起架过程中，显示机实时检测左右角度及距离传感器当前状态，当发现左右角度实际偏差大于设定偏差时，立即进行声光报警并且系统报警继电器向外界输出闭合控制信号。
当起架过程中，左右角度传感器大于等于70度后声光报警器开始模拟汽车倒车雷达式报警，随着距离传感器所检测到的距离一点点变小，声光报警器的报警速度也越来越快。
当左右角度都大于等于89度，距离小于等于1cm时，系统认为起架完成，这时声光报警器长鸣一声，起架完成继电器闭合。
2.2.5传感器校正
在主画面下，根据画面下方的提示，按住“确认”键及“上翻”键后，系统便进入参数校正画面,如下图所示：
由于角度传感器与距离传感器在安装时会出现一定的偏差，即安装后的角度传感器不一定就正好显示90度，距离传感器也不一安就显示0cm,所以需要在第一次安装设备后需要进入参数校正画面校正传感器误差，使角度传感器校正到90度，距离传感器校正到0cm.
当系统处于传感器参数校正页面时，按下“确认”键完成传感器的校正工作；按下下翻键时将进入角度偏差报警画面。
2.2.6角度偏差报警设置
为了防止在起架过程中可能会出现左右支架角度偏差过大而使井架受损的情况，需要在起架的过程中进行角度保护。这就要求设置一个合理的角度偏差报警值。当处理本画面时，按“上翻”、“下翻”键时可以增加或减小该值，按“取消”键完成设置并返回到主画面。
2.2.7数字指重表功能
现在井队上大多都在使用机械式指重表，需要每隔一段时间为其上弦、换纸，且数据不易保存、不方便录入计算分析。所以我们设计了一款数字指重表。当按下“功能”键开机后系统将进入数字指重表功能，画面参数含义如下：当前悬重：即死绳当前的实时拉力，通过安装在油路上的6MP压力变送器采样此拉力。当前钻压：当前钻压 ＝ 实际悬重 － 当前实时悬重。绳数量：此参数需要根据实际情况设置。
最大死绳拉力：此参数为用户设置的最大死绳拉力。需要根据实际情况进行设置。实际悬重：即当前大钩的实际悬重值。当接单根大钩脱离钻具时，系统检测到大钩当前处于为空载状态便启动实际悬重识别程序，当接单根完成后将钻具挂载到大钩上时，若当前拉力在系统设置的“悬重稳定误差”范围之内且持续了“悬重稳定时间”时，系统便将当前的死绳拉力记忆为新的实际悬重。超悬重报警值：设置此参数为了防止井架超负荷工作，当前悬重大于等于此参数时，系统便发出声光报警且内部报警继电器闭合。超钻压报警值：设置此参数为了防止钻压过大而损坏钻头。当前钻压大于等于此参数时，系统便发出声光报警且内部报警继电器闭合，如果系统当前有报警发生时，可以按取消键进行消警。
三、总结
针对大多数自起式井架和车载钻机，加装井架起升监测装置后，避免因操作人员对重心位置的判断偏差过大或操作人员操作不当所产生的井架剧烈的晃动或翻倒，避免人身伤亡和设备事故。为井架起升过程提供更高的可靠性，为保证钻井安全生产提供有力保障。