卡盘手动控制系统的气动控制改造

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摘 要：某基地油套管作业中心原有吊卡/卡盘在操作时，须要上下卡盘附近安排专人操作，效率低下且安全隐患多。本文针对该卡盘实施改造，采用上下卡盘自动控制系统，即可实现单人、地面控制上下卡盘的开合，减轻工人劳动强度，提高工作效率，有效地提高了油套管装备能力，有效提高竞争力，使套管服务的作业能力更上一个台阶。

关键词：卡盘；下套管；改造；气动控制。

下套管作业是油气井钻井作业过程中一个非常重要的环节，目前海上下套管作业主要采用上下卡盘卡持套管进行螺纹上卸扣的作业方式，操作形式为一人在套管扶正台上进行上卡盘开合操作及套管扶正作业，三人在井口进行套管钳作业及下卡盘开合操作等。这种作业方式涉及高空作业，安全隐患较大，工人劳动强度大，工作效率低；且需两人分别远距离控制，配合不好时可能造成套管落井。

为降低工人劳动强度，国内外很多厂家生产了气动卡瓦（如VARCO卡盘），即利用气缸带动卡瓦体移动，代替工人体力操作。为防止误操作，现场仍需要人工搬动气缸的控制手柄，这样做的优点是比较直观，符合现场人员的习惯，缺点是，当上下卡盘操作人员配合不好时仍可能出现套管落井情况。

本次改造主要针对某基地油套管作业中心原有卡盘，改造后采用上下卡盘自动控制系统，即可实现单人、地面控制上下卡盘的开合。

1.原有设备存在的问题

原有吊卡/卡盘在操作时，须要上下卡盘附近安排专人操作，在使用中存在有如下问题：

（1） 必须在十几米高空适宜位置安装操作台，上卡盘（吊卡）的操作工操作属高空作业，存在安全隐患。

（2） 上下卡盘操作工以及司钻之间距离较远但需要互相配合操作，所以信息传递频繁。比如，上卡盘操作工肉眼判断套管露出上盖上方距离，准备卡持套管操作时，距离远，易受外界环境干扰，上下卡盘在操作过程中上下卡盘工须经常确认上下卡盘是否在卡持或松开套管状态，再传递信号。

（3） 上卡盘在上下运动过程中，管线在空中摆动，落下时会在平台上摆动，存在安全隐患。

（4） 上下卡盘在操作过程中，可能把上下卡盘开关误操作成打开状态，存在安全隐患。

2.控制系统组成

（1） 控制盘（用于开、关吊卡、卡盘）。

（2） 空气管线自动回收轮（用于连接吊卡，传递气源）。

（3） 2个双作用气缸（安装在吊卡、卡盘）的2位3通主控制阀门上。

（4） 2个2位4通控制阀和信号传递桩（安装在卡盘的支架上，传递信号到控制盘上，显示吊卡、卡瓦的开关信号）。

（5） 信号轮（安装在吊卡上，传递信号到司钻和操作者，显示套管已经进入到吊卡，上扣结束后，顶驱可以下放套管）。

（6） 自动互锁装置（ 防止同时打开卡盘、吊卡导致套管掉入井内，此装置可保证操作中的吊卡或者卡盘至少一个处在关闭的状态）。

3.设计方案

（1） 在上下卡盘上安装一个双作用气缸来控制卡盘的气动控制阀。

（2） 在上下卡盘上再安装一个2位四通阀来反馈信号到主控制柜，让其操作者知晓上下卡盘开或关的状态。

（3） 上下卡盘分别装一个空气分配器，通过1/4”软管传送到主控制盘，从而控制上下卡盘的开合。

（4） 主控制盘上安装2个互锁装置，上下卡盘不能同时开或同时关而导致套管掉入井里。

（5） 连接上卡盘装一个管线自动回转装置，所有的控制管线共5根每根大约40米，当顶驱上升时管线能随动顶驱上升，当顶驱下放时管线能自动缠绕到轮上。

（6） 主控制柜分别有很多气动元件组成，外形尺寸500mm×260mm×280mm，材料采用316不锈钢。

4.现场作业流程

（1） 将卡盘气动控制系统的上、下卡盘控制部分分别安装到上、下卡盘上。

（2） 将上、下卡盘由吊车吊至钻台，将卡盘更换与试验套管相应的卡盘芯子，下卡盘到井口，上卡盘经吊环由游车吊起。

（3） 将管线回收装置上盘相应管线进行连接，将远程装置控制柜与卡盘、下卡盘相应管线进行连接，将管线回收装置与远程装置控制柜对应管线进行连接，将气源接入远程装置控制柜。

（4） 对卡盘气动控制系统进行检查，检查气压为0.8Mpa，检查操控上、下卡盘控制手柄活动正常，检查控制面板各指示灯显示正常，检查卡盘系统各接口安装牢固。

（5） 对卡盘气动控制系统进行操作、验证效果，由吊车将实验用9-5/8”套管第1根吊上钻台，操作控制柜下卡盘控制手柄打开下卡盘，将套管下放到下卡盘中合适位置，操作控制柜下卡盘控制手柄关闭下卡盘，下卡盘卡瓦下落，卡住套管；吊车吊上第2根套管，由单根吊卡上提到第1根套管接箍处下放，此时管线回收装置释放管线；套管钳上扣；缓慢下放上卡盘，观察到套管位置控制系统指示灯亮后，停止下放上卡盘；关闭上卡盘，打开下卡盘，上提游车10cm，下卡盘卡瓦打开后下放套管；套管下放到合适位置，关闭下卡盘，打开上卡盘。

（6） 将卡盘控制系统规避，恢复卡盘原有控制手柄功能，用时15min，对上、下卡盘进行调试，操作卡盘原有手柄，卡盘开启、闭合正常，卡盘原有功能全部保留，卡盘气动控制系统没有对卡盘原有气动控制造成任何影响。

（7） 将套管卸扣，甩下钻台，拆除卡盘气动控制系统，拆除套管钳，试验结束后关闭卡盘控制系统气源，排掉控制系统空气压力，将上、下卡盘，控制柜之间的连接管线回收整理，将卡盘复原，整理场地。

5.结论

通过试验，证明卡盘气动控制系统完全可以胜任目前的卡盘下套管作业，并且操作简便，安全可靠。系统控制面板功能齐全，各个线路有明显标识，连接使用方便，对卡盘原有功能没有任何破坏，保证了规避卡盘气动系统后卡盘能够很快投入正常使用。该系统可实现单人、地面远程控制上下卡盘作业，避免了高空作业，通过实现上下卡盘的互锁，有效避免套管落井事故发生，卡盘卡持显示系统能够有效的增强操作人员对卡盘状态的掌握，卡盘位置控制部分提高操作人员与司钻的配合，减轻工人劳动强度，提高工作效率，降低安全隐患。

6.成果应用

该系吊卡/卡盘远程气动控制统实现了将上、下卡盘手动控制改为远程气动控制。操作工在地面实现上、下卡盘控制，降低劳动强度，提高作业安全性，且能够实现在下套管过程中通过地面遥控控制卡盘开合，提高了工作效率，通过套管扶正装置及上下卡盘气动控制系统的配合使用，可以使原来的4人作业减少到2-3人，有效地提高了油套管装备能力，有效提高竞争力，使套管服务的作业能力更上一个台阶。