石油鉆機自動送鉆系統加裝改造方案

張慧杰，梁維剛，袁 健

（1.川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610056；2.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著自動控制技術的發展，自動送鉆系統已成為石油鉆機必不可少的輔助設備，其優良的性能可以大大減輕司鉆勞動強度，實現鉆機自動化。同時能顯著提高鉆井效率，改善鉆井質量，降低鉆頭的磨損程度。但由于國內部分老式鉆機出廠配套時并沒有裝配自動送鉆系統，要想實現其功能必須在原鉆機基礎上進行技術改造。

1 技術改造方案分析

按照自動送鉆執行機構的不同，可以分為盤剎自動送鉆和變頻電機自動送鉆。現以某國內油田ZJ50D 鉆機為基礎，分別通過以上兩種方式進行技術改造，加裝自動送鉆系統，實現自動送鉆功能。現闡述兩種改造方案。

1.1 方案1——盤剎自動送鉆

1.1.1 實現原理

根據鉆壓信息的反饋，通過比例調節盤剎工作鉗油缸內的油壓，從而調整盤剎的制動力矩，以達到鋼絲繩的均勻下放的目的，實現自動送鉆。送鉆方式分為恒鉆壓送鉆和恒鉆速送鉆。

同時根據采集到的鉆壓、頂驅扭矩、頂驅轉速、立管壓力、游車速度等信息，實現緊急工況下的安全保護功能、自動送鉆功能、鉆壓保護功能，泵壓保護功能、起下鉆過程中異常情況保護功能、上碰下砸點功能、過卷閥保護、上下減速點設置、剎車點保護、應急操作解開盤剎功能等。

1.1.2 現場改造細節

（1）增加滾筒編碼器：用于計算大鉤高度，實現上碰下砸保護，參與速度計算，進行內部控制等功能。安裝細節：絞車滾筒端，原絞車預留直徑約25mm 的母扣，現需提供1 根編碼器安裝軸與此孔相連接，長度約200mm，編碼器套在軸上，外面用鐵質外罩保護。編碼器信號線纜敷設至鉆臺偏房，離司鉆房幾米遠。

（2）控制箱的安裝位置暫定在鉆臺偏房，為留有足夠的空間，采用壁掛安裝方式。

（3）盤剎手柄安裝位置規劃可分為增加司鉆椅和安裝在原來鉆臺兩種方案。①安裝在原來的氣控剎把位置，安裝孔如圖1所示，緊急制動、駐車制動、過卷閥旁通等按鈕在鉆臺上選擇空余位置開孔安裝即可，因施工難度繁瑣，無需單獨制作操作箱。顯示器安裝在鉆臺左上角位置，尺寸如圖1 中顯示，開孔背部空間滿足觸摸屏安裝。此安裝需要增擴，顯示器尺寸309mm×247mm，或者選擇更小的顯示器，安裝尺寸為226mm×166mm，需要增補1 塊過度機構，建議選擇司鉆椅單獨安裝。②增加小型司鉆椅，將按鈕、剎車手柄以及觸摸屏安裝支架集成在司鉆椅上，司鉆房底座為空心，可開孔，走線布置，司鉆房剩余空間粗略測量長1.4m、寬1.2m，因HMI（Human Machine Interface，人機界面）需要操作，所以建議安裝在司鉆椅上集成，操作起來更加方便。現場司鉆房布局如圖2 所示。

圖2 現場司鉆房布局

（4）液壓站圖紙、傳感器安裝所需的三通接口和傳感器安裝由液壓室制造商提供，傳感器線纜進控制箱，線纜敷設、傳感器調試由電氣端負責。

（5）控制箱進司鉆房有1 根HMI 通信線，1 根10 芯以上的信號線，敷設線路可以滿足要求，無需大面積開孔。

1.2 方案2——采用變頻電機自動送鉆

1.2.1 實現原理

增加變頻自動送鉆電機，與主絞車采用離合器連接，當自動送鉆時，在HMI 上面根據實際情況選擇鉆進方式和鉆進量，變頻器精確執行電機速度給定，以實現鋼絲繩的均勻下放，達到自動送鉆的目的，同時具備懸停功能。根據鉆壓、頂驅扭矩、頂驅轉速、立管壓力、游車速度等信息的反饋實現緊急工況下的安全保護功能，游車位置顯示、自動送鉆功能、鉆壓保護功能、泵壓保護功能、起下鉆過程中異常情況保護功能、過卷閥保護、剎車點保護、應急操作解鎖盤剎、上碰下砸區域自動智能減速等功能。

1.2.2 施工細節

（1）在電控中心房內增加變頻柜，變頻柜安裝位置見圖3（暫定安裝在MCC 抽屜柜旁邊），內部安裝ABB 成套55 kW 變頻器、斷路器、風機接觸器等控制器件，同時輸出與電機和風機的動力電纜、控制箱之間控制信電纜及通往CPU 的通信電纜。

圖3 變頻柜安裝位置

（2）采用智能集成司鉆椅，將觸摸屏安裝架子裝在椅子上面，可根據情況旋轉，方便操作，右手邊集成緊急制動、駐車制動、蜂鳴器、報警指示燈，過卷閥旁通等按鈕，方便司鉆操作。

（3）自動送鉆裝置傳動落線：交流變頻電機→K 型減速箱→摩擦轂→氣胎離合器→球籠萬向軸→傳動軸高速端的鏈輪→滾筒高速鏈輪→主滾筒。

（4）機械部分改造。取消原有絞車傳動軸端面處（高速側）的絞車立板翻蓋，加大絞車箱體立板的開孔，并加工螺紋孔。取下傳動軸端面的鏈輪（P=50.8，Z=23，4 排），對其進行加工整改：鉆螺紋孔、端面車鍵槽。新制作連接過渡安裝連接盤，安裝到整改后的鏈輪上。新制作擋油環安裝到整改后的箱體立板上，以保證不漏油。新制作離合器護罩、減速箱安裝支座。新制作摩擦轂。增加氣胎離合氣連接管線。

2 兩種方案比較分析（表1）

表1 兩種方案綜合對比

3 結論

通過以上兩種方式的技術改造，鉆機均實現了自動送鉆功能，并通過分析比較，能從各個方面了解到兩種改造方式的優缺點，施工作業隊從而可以根據現場鉆機構造和司鉆使用習慣，選擇符合自身要求的自動送鉆系統加裝改造最優方案。