石油鉆機電氣自動送鉆控制研究

李才良，秦 江，楊懷建，張 耀，王玉明

（1.渤海鉆探塔里木鉆井分公司 設(shè)備科，新疆 庫爾勒841000；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司 裝備科，河北 河間062465；3.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水741020）

1 引言

油氣鉆井是勘探、開發(fā)地下油氣資源的基本手段，是探明油氣儲量和提高油氣田產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)，具有技術(shù)密集、高投資、高風(fēng)險的特點。在世界范圍內(nèi)，鉆井費用約占油氣勘探總投資的55%－80%、油氣田開發(fā)總投資的50%以上。因此，鉆井技術(shù)的優(yōu)劣和水平直接影響著勘探開發(fā)效益。由于自動送鉆能夠顯著提高機械鉆速、鉆頭使用壽命和進尺，有效地降低成本，使鉆進過程達到最佳的技術(shù)經(jīng)濟效果，因此是影響勘探開發(fā)效益的主要因素之一，本文就其目前最新的電氣控制技術(shù)進行研究。

2 自動送鉆

采用自動送鉆不僅能“解放”司鉆，而且能夠保證鉆柱均勻連續(xù)下放。油氣鉆井的自動送鉆指鉆進過程中在無人參與的條件下通過送鉆裝置實現(xiàn)鉆頭的自動給進。給進機構(gòu)的自動化問題，國內(nèi)外很早就開始研究，并且有了各種產(chǎn)品應(yīng)用，但大都屬于單方向動作的氣動、液動等機械式，目前最新的送鉆裝置為電動式。它們的工作原理基本相同，都是送鉆裝置的輸出經(jīng)中間機構(gòu)與絞車滾筒連接，經(jīng)調(diào)節(jié)控制的輸出給進量，通過游吊系統(tǒng)、大鉤、鉆桿、鉆井工具等，最終反應(yīng)在井底的鉆頭上。

3 電氣自動送鉆系統(tǒng)

電氣自動送鉆系統(tǒng)指電動（拖動源為電力）式、輸出給進量通過電氣調(diào)節(jié)控制的送鉆裝置。與其他方式相比較，具有動力穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、滾筒能夠雙向轉(zhuǎn)動的優(yōu)點，目前是鉆機，特別是電動鉆機送鉆裝置采用的主流方式，其中電動鉆機的又分為單獨電機拖動、絞車電機拖動兩種。這兩種方式除傳動機構(gòu)變比對控制精度有影響外，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全一致，即：輸出給進量采用負反饋外閉環(huán)PI 電氣控制器，內(nèi)環(huán)采用速度或轉(zhuǎn)矩控制的電氣執(zhí)行機構(gòu)。一種目前比較常用的電氣執(zhí)行機構(gòu)為速度控制的自動送鉆系統(tǒng)，控制框圖如圖1所示。

圖1中，電氣控制系統(tǒng)中的PI 控制器和限幅器，既可以采用單獨系統(tǒng)，如PLC 等硬件實現(xiàn)，也可以采用某些電氣調(diào)速系統(tǒng)中預(yù)存的功能軟件實現(xiàn)；為保證控制精度，電氣執(zhí)行機構(gòu)一般要求帶有速度反饋的轉(zhuǎn)矩或速度控制系統(tǒng)，機械執(zhí)行機構(gòu)為包括傳動箱、滾筒、鋼絲繩、大鉤、鉆桿等在內(nèi)的機械部分。

4 常用送鉆方式及其控制

常用送鉆方式指給進量或輸出量所選用的方式，一般有恒鉆速、恒鉆壓、恒壓差等多種。下面以圖1所示的框圖為例，簡單介紹以上3 種方式的控制和優(yōu)缺點。

4.1 恒鉆速

恒鉆速要求滾筒或鉆頭在下行（一個）方向以恒定的速度運行即可，即框圖1中給進或輸出量為速度；由于鉆頭在井底，無法測出實際速度，因此組成控制系統(tǒng)時，沒有外閉環(huán)，γ＝0、PI 控制器只用比例或者去掉，只有電氣和機械執(zhí)行機構(gòu)，以電機的速度間接反應(yīng)實際鉆速。根據(jù)鉆機的成本要求和實際工作特點，電氣執(zhí)行機構(gòu)中，直流可逆調(diào)速系統(tǒng)只適用于單獨電機（他勵）拖動的自動送鉆，其余的包括采用絞車電機的送鉆，目前絕大多數(shù)為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

該方式的優(yōu)點是控制系統(tǒng)簡單、操作方便，缺點是只能在特殊的地層段使用。

4.2 恒鉆壓

恒鉆壓要求井底鉆頭上的鉆壓保持恒定。即：圖1中的給進或輸出量為鉆壓（kN）；由于鉆頭在井底，無法測出實際鉆壓，通過安裝在死繩上的液壓傳感器，將鉆重或懸重對應(yīng)的拉力（kN）信號轉(zhuǎn)換為0－10V 或0（4）－20mA 的電流信號，間接計算鉆壓。計算方法為：當鉆柱全部懸吊時，鉆頭離開井底，大鉤的負荷為懸重，鉆進時，把一部分鉆柱重量加在井底，此時的大鉤負荷為鉆重，則鉆壓＝懸重－鉆重。設(shè)計時需根據(jù)最大懸重調(diào)整實際測量通道γ 的數(shù)值，使其盡量提高鉆壓精度；電氣調(diào)速系統(tǒng)的選用原則同上，一般為由交流變頻器組成的調(diào)速控制系統(tǒng)。

該方式的優(yōu)點是適合絕大多數(shù)地層段，缺點是鉆壓較低時，控制精度較差。

圖1 送鉆系統(tǒng)控制框圖

4.3 恒壓差

恒壓差送鉆要求鉆壓保持為恒定壓力差，這是最近幾年采用的新型鉆井工藝。圖1中的給進或輸出量為壓力差（kN）；根據(jù)泥漿管線承壓能力設(shè)定一個工作時的最高壓力，通過安裝在泥漿泵出口或鉆臺立管上的液壓（0－50MPa）傳感器檢測實際壓力（轉(zhuǎn)換為0－10V 或0（4）－20mA）；設(shè)定最高壓力－實際壓力＝實際壓力差作為反饋量，給進壓力差和實際壓力差經(jīng)電氣控制系統(tǒng)運算后再控制電氣執(zhí)行機構(gòu)，通過機械執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整鉆頭與井底之間的距離（鉆壓）實現(xiàn)恒壓差控制；設(shè)計時需根據(jù)最大壓力調(diào)整實際通道γ 的數(shù)值，使其盡量提高壓力精度；電氣調(diào)速系統(tǒng)的選用原則同上。該方式的優(yōu)點是鉆進速度快，缺點是設(shè)定最高壓力不易確定。

5 注意事項

由于目前組成電氣控制系統(tǒng)時普遍采用16 位或32 位數(shù)字控制技術(shù)，加上電氣運算速度很快，因此圖1中在恒鉆壓和恒壓差送鉆方式下，電氣控制系統(tǒng)在實際運行中，PI 和限幅控制器需要根據(jù)鉤載的大小區(qū)別對待或者根據(jù)鉆井深度自動進行PI到P、雙向到單向輸出限制的結(jié)構(gòu)變換，這是因為電氣控制和執(zhí)行系統(tǒng)精度（最低為1／16384 ＝0.006%）很高，由于傳動箱齒隙、滾筒變形、鋼絲繩伸縮、鉆桿彈性、井深、地層變化等因素影響，機械執(zhí)行機構(gòu)很難達到電氣精度的要求，當控制器為PI、限幅器雙向時，為保證精度要求，控制系統(tǒng)將一直不停的進行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致拖動電機頻繁的正、反向運轉(zhuǎn)，引起變速置和電機嚴重發(fā)熱，特別是5000m以上鉆機和4000m 以上井深在用絞車電機拖動的工況時更為突出，當只在比例和單方向運行時，精度雖然降低了很多但仍然高于機械式，但能夠有效的降低發(fā)熱和能量損耗。

6 結(jié)束語

根據(jù)自動送鉆要求，以電氣的控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)方式，給出了電氣自動送鉆控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)常用的3 種送鉆方式，敘述了組成電氣控制系統(tǒng)的方法，根據(jù)鉆機大小和井深情況，指出了實際運行時降低能量損耗和電機發(fā)熱的應(yīng)對措施，對生產(chǎn)設(shè)計具有一定的參考價值。

［1］劉鐵范.鉆井儀表［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［2］樓一珊，李 琪主編，龍芝輝，熊青山副主編.鉆井工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2013.

［3］陳如恒，沈家駿主編.鉆井機械的設(shè)計計算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［4］天津電氣傳動設(shè)計研究所編著.電氣傳動自動化技術(shù)手冊（第二版）［M］.2005.