摘 要：“单吊环”事故在钻井、井下作业中发生的机率是较大的，使井口操作人员人身安全受到极大的威胁，造成严重的经济损失。本文采用先进的传感器技术，开发研制一种“单吊环”事故预防装置，解决钻井特别是井下作业中的”单吊环”问题。该装置由吊环状态检测电路、信号逻辑判断和处理电路、信号传输电路、自动控制系统、显示及报警系统、供电系统等部分组成，能适应恶劣的井口环境，随时监控负荷的变化，带有危险状态报警功能。
关键词：石油；钻井；井下；单吊环；预防
一、目的及意义
起、下钻是钻井、井下作业中的一种经常性、长时间、劳动强度大的联合作业，由于司钻和井口人员的操作失误，就会在刚刚起钻上提时发生“单吊环”事故。造成“单吊环”事故的原因大致有两个方面：一是井内管柱遇卡，在上提管柱时造成跳钻现象，一边吊卡销子飞出，吊环脱离吊卡，造成“单吊环”事故；二是井口操作工配合不当，当井口人员没有同时挂上吊环时，司钻起钻，引发“单吊环”事故，导致掉钻具、掉套管。
“单吊环”事故在钻井、井下作业中发生的机率是较大的。以井下修井作业为例：一个班次起、下钻高达200～300多次，工人的劳动强度大，易疲劳，易造成司钻和井口人员的操作失误，从而发生“单吊环”事故。“单吊环”事故一方面使井口操作人员人身安全受到极大的威胁，轻者受伤，重者死亡；另一方面导致掉钻具、掉套管，造成的经济损失轻者数万元，重者导致井废，损失上百万元，属于严重的恶性安全事故。
本项目研究的目的是采用先进的传感器技术、可靠的自动控制电路和灵敏的刹车装置，提供一种有效地防止“单吊环”和“危险吊环”起钻的自动控制装置，其有工作可靠、结构简单、易于操作的特点，可以从根本上杜绝“单吊环”事故的发生。
二、国内现有技术分析
当前，在现场防止井口”单吊环”事故的方法大部分是在吊卡销子上进行各种各样的改进，也有少部分防止“单吊环”起钻的自动控制装置，但由于没有考虑到恶劣的井口环境，只能停留在理论上，还不能在实际中进行应用。总之，目前在现场还没有一种从根本上杜绝“单吊环”事故发生的方法，而作业现场迫切需要解决这一问题，来确保安全生产。
三、技术方案
本装置由吊环状态检测电路、信号逻辑判断和处理电路、信号传输电路、自动控制系统、显示及报警系统、供电系统等部分组成，并分别安装在吊环大钩、司钻操作箱上，利用现有的刹车装置来完成控制。
（一）吊环状态检测电路
经分析，在起钻时两只吊环共有三种工作状态，（1）正常吊环起钻，当司钻给气上提时，两只吊环都挂入了吊环的耳梁内，且均就位于耳梁的凹部；（2）挂”单吊环”起钻，很明显这就是指只有一只被挂入了吊环的耳梁内而进行的起钻；（3）挂危吊环起钻，两只吊环虽然都已经挂入吊环的耳梁内，但在给气上提到一定吨位之后（一般指是提升力≤大钩行程弹簧的吨位），其吊环的一只甚至是两只仍不能够自行滑向耳梁的凹部――即不到位，这就定义为挂危吊环起钻，因为它在继续上提的过程中，很大的可能会发生脱环事故。
通过在各个取样点设置各类信号采集装置，分别检测出危险区域、“单吊环”状态、“危吊环”状态、正常起下钻状态、提升负荷的大小等所需的各类电信号。在设计中考虑到井口的恶劣环境，欲采用先进的检测技术以消除各种错误信号的产生，保证执行机构不发生误动作。
（二）信号逻辑判断和处理电路
将采集装置采集到的各种信号在这里进行逻辑分析、判断、放大，最终输出控制系统所要的控制指令。此部分可采用专用的集成电路来完成信号的分析、判断和放大。
（三）信号传输电路
该部分完成控制指令从信号逻辑判断和处理电路到自动控制系统的信号传输，由于吊环的特殊工作方式，本装置需选择合理的传输结构来完成这一过程。
（四）自动控制系统
获取自动控制指令后，自动控制系统要驱动执行机构动作，为钻机刹车装置提供动作命令，此装置同时提供各类采集信号的显示和报警信号，以提醒司钻做出相应的判断。
（五）供电系统
由于现场情况的特殊性，使供电电源成为一个必须解决的问题，为此设计了专用的供电系统，以保证各种电路的正常工作。
四、主要技术指标
（一）随时监控负荷的变化，带有危险状态报警功能；
（二）传感器的设置灵敏、可靠，检测精度±0.5%，机构误动作为零；
（三）工作电源电压为DC+12V和DC+24V；
（四）安装自动控制系统后不影响正常的井口作业；
（五）具有防水、防震、防泥浆等功能，能适应恶劣的井口环境；
（六）长期连续工作，且有较高的可靠性，系统故障率≤0.1‰；
（七）在-30℃～+60℃的环境温度下，可保持系统可靠运行。
五、现场试验
先后在华北石油井控中心、华北石油采油一厂作业大队、华北石油利德机电总厂进行了现场试验，结果如下：
（一）安装简单，该装置是在现有修井作业机的游车大钩和司钻操作台的基础上进行安装的，不需要其它辅助设备，通过简单连接组件就可以完成。
（二）能适应恶劣的井口环境。由于采用特殊的防水、防油污、防泥浆的措施，该装置的各个部件防护级别都为IP65级。
（三）传感器灵敏可靠，报警指示准确，刹车动作可靠，能够有效的防止“单吊环”事故的发生。
（四）供电时间长、电气部分能耗低。由于采用高能量锂离子充电电池组供电和低能耗的设计思想，本装置能耗低，供电时间长，完全能够保证两个井下作业班次的需要。
六、结论
（一）本装置采用硅微机械传感器技术和霍尔传感器技术，解决了恶劣井口环境信号取样难的问题。
（二）设置了串口数据通讯接口，便于取样和控制参数的设定。
（三）设计、加工、装配、检测工艺已成熟，已具备批量生产的条件。
（四）整体结构设计合理，主要技术参数和性能指标均达到设计要求。
（五）现场应用表明，效果显著，运行平稳可靠，具有较高的应用、推广价值。
参考文献：
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