交流變頻控制系統在修井機的應用

李 靖

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

1 修井機設備的操作特點

修井機設備在石油開采過程中是非常重要的設備，熟練掌握并運用修井設備能夠增加石油開采的進程，提升石油開采效率。修井機設備由絞車、轉盤和泥漿泵等3 大部分組成，主要作用如下。

（1）絞車。絞車主要連接起吊鉆桿，對于鉆桿進行控制，促使鉆桿進行活動。

（2）轉盤。轉盤也是和鉆桿連接，轉盤的主要作用是將鉆桿用來驅動，促使鉆桿進行最深層次的活動。

（3）泥漿泵。也屬于負載類的一種，在修井設備中，對于泥漿泵的要求并不高。

上述修井機設備的組成部分都屬于負載設備，盡管對于泥漿泵沒有任何要求，但是在進行轉盤和和絞車選取時，要選取便于控制的變頻器類型，變頻器類型最好選擇頻率低、轉速高，控制系統一定要設置好安全參數，便于修井機的控制。

2 修井機設備交流變頻系統的構成

修井機設備中的交流變頻系統可以說是一個綜合控制系統，綜合控制系統由兩部分組成，其中包括PLC 控制技術。PLC控制技術的主要作用是控制修井機的中心系統，以及變頻驅動技術系統。修井機變頻控制系統的主要設備包括全數字矢量控制交流變頻器、MCC 柜、PLC 綜合控制柜（含觸摸式工控機）、司鉆控制臺、泥漿泵本地操作箱。修井機變頻控制系統以PLC 作為控制核心。PLC 作為主站，司鉆臺數據采集站、泥漿泵本地操作箱、絞車變頻器、轉盤變頻器、泥漿泵變頻器作為從站，通過現場總線與PLC 進行通信，完成系統控制、數據采集、數據處理、實現對整個控制系統的保護、故障檢測、顯示與報警。采用現場總線技術作為控制系統的通信網絡，減少了硬接線，提高了系統的靈活性。

一般修井機的中心控制系統即PLC 控制系統，總共分為2個系統，每個系統互相獨立且不產生任何影響。主要目的是當系統出現故障時，一個系統可以起到彌補作用，避免出現系統故障，導致修井機工作停止。修井機設備控制系統出現問題時，備用的PLC 控制系統會啟動，啟動方式是司鉆將控制臺上的開關進行切換，完成系統轉換，保證修井機正常工作。上述所有設備和系統，都安裝在同一個工作室中，主要目的是為方便整體的拆遷和移動。司鉆房一般也可以進行觸屏操作，同時還可以收集數據監測故障的發生。處理故障時，系統不僅能夠起到警示作用，還可以進行手動緊急關閉系統，避免造成更多危害。在這個系統中可以通過觸屏操作系統修改修井機的一些參數，保證修井機正常工作。除此之外，控制系統中所涉及到的一些組成子系統，都被安裝在一個房間內，除了能夠便于系統控制之外，還能夠保證系統的及時監測和良好運行。通常這些系統采用集成安裝方式，除了能夠節約成本外，還能夠進行實時監測，而且安裝在房間內，只要設計合理，可以同時安裝幾個控制系統，便于修井機工作的順利進行，提升修井機工作效率，節約資源、降低成本，或是一個控制系統可以同時控制幾個修井機的工作。這樣大大提升了修井機的工作效率，實現企業利益的最大化。

3 交流變頻控制修井機的功能

3.1 絞車的變頻控制

絞車在交流變頻控制修井機中起到至關重要的作用，絞車的變頻控制系統主要是通過收集數據，對相關數據進行分析和整理，從而控制絞車連接部分的行動，絞車連接部分有滾筒、游車和盤剎。絞車中的PLC 控制系統，通過對數據的收集，判斷游車的速度、距離，以及位置。對需要修理的部分進行距離預測，通過控制系統發出信號，促使滾筒和游車運動。并且需要將控制系統中游車和滾筒的運動速度控制在一定范圍內，一般來說游車的速度控制在0～1.2 m/s。該范圍內變頻器的過載能力也有所保證，不僅提高了鉆井效率，而且還滿足了鉆井所需要的工藝要求。這個驅動系統中，絞車電機獨立于修井機設備，修井機設備中的絞車在運行過程中，只要絞車變頻系統沒有被損壞或出現故障，那么絞車就能進行良好的控制和運行。同時絞車中包含的盤剎剎車就不會被用到，如果絞車中的變頻控制系統出現故障，那么盤剎就需要運行手動控制，保證修井機設備的正常運行。在絞車變頻控制系統中，盤剎剎車只是一個輔助系統，其主要目的是在絞車變頻控制系統出現故障時進行啟動使用，如果絞車變頻控制系統不出現故障，那么就可以減少對盤剎剎車的使用，從而增加盤剎剎車的使用壽命，減少成本增加收益，提升工作效益。

3.2 游車位置的智能控制

游車的位置可以實現智能控制，其控制系統是絞車中的PLC 技術控制系統，通過絞車中的PLC 控制系統，可以精確收集到游車位置。通過對數據的分析和參數的設置，來確定游車需要用到的速度以及運行距離，包括游車所需要停留的高度，在這個過程中可以實現零誤差。游車控制系統與絞車控制系統有一定區別，游車控制系統除了能夠控制游車的位置、速度、以及停留點之外，還能夠為游車提供減速、剎車、以及警示作用，即在運行過程中，如果出現意外或阻礙，游車控制系統能夠監測到并控制游車進行減速或剎車，并將阻礙信息上傳到中央控制系統，即絞車控制系統。在這個控制系統中，游車和滾筒的最大速度為0.06 m/s，通常所說的游車也就是大鉤，同時，在絞車控制系統中還設置了一定的安全警報參數，游車控制系統于絞車控制系統相結合，形成了一個完整控制系統，能夠安全有效提升修井機的工作效率。在修井機控制系統中還安裝了過卷閥，主要作用是保證大鉤的起吊以及下鉆距離和速度。

3.3 大鉤運行速度智能控制

游動系統在運行過程中，PLC 自動采集游動系統的懸重信號，并根據大鉤懸重的大小，自動計算出游動系統可允許的最高運行速度，控制大鉤運行速度在最優狀態，以充分提高設備效率，提高修井時效。

3.4 變頻系統的控制

該控制系統中包括轉矩限制、無極調速和轉盤控制等3 個部分，在鉆工作時，修井機的PLC 控制系統，通過收集數據，完成對鉆的控制，包括計算出這個過程中轉矩速度，同時可以實現修井機工作的無極調速，控制修井機設備的正常運作。無極調速的速度控制，可以根據井下的實際工況調節額定速度，還可以設定正反轉矩，在鉆進時，修井機PLC 控制系統和游車控制智能系統相結合，實現對鉆的進程控制，通過收集到的電壓、電流等數據來分析計算此時鉆的工作情況。在這個過程中實現無極調速，有效節約時間，提升鉆的效率。轉盤在運行過程中，還可以根據轉盤之前收集到的數據，修改轉盤速度，轉盤速度與開關角度有關，開關角度越大，轉盤的速度就越快。

3.5 泥漿泵變頻控制

泥漿泵采用一臺變頻器驅動，其速度控制可通過現場總線在司鉆控制臺上由司鉆進行速度調節給定。在泥漿泵控制房安裝有泥漿泵控制箱，可實現泥漿泵的本地操作（包括泥漿泵本地啟動、停止、調速、調試等）。

3.6 變頻控制系統的完善

變頻控制系統是一個完整的控制系統，需要包含集控制、保護、警示為一體的綜合系統。這個變頻系統中的保護系統，可以有效保護系統正常運行，監測系統中的故障，及時發出警報，甚至可以自動實行系統關系或關閉開關，停止修井機的工作，避免出現更大傷害和故障損失。例如，修井機中有過電流以及過電壓保護等，甚至還可以限制修井機的最大輸出電流，包括自我診斷系統。故障發生時，各大控制系統自我保護，實現集體控制，與機械單位共同結合，完成設備的鎖定，保證設備完整，避免設備出現更大故障。在系統自動報警中，記錄報警時的數據，做好數據的系統內記錄，增加系統可靠性，提高系統保護性能。

3.7 修井機的臨時緊急停車

當井場上發生意外情況時，司鉆可通過安裝在司鉆控制臺上的緊急停止按鈕對變頻控制系統實行緊急關斷（手動）。緊急關斷時系統設有程序保護，不會造成設備損壞。在泥漿泵本地控制箱的面板上，安裝有泥漿泵變頻器遠程急停按鈕，在泥漿泵房即可關停電控房內的泥漿泵變頻器。

4 總結

闡述修井機變頻交流控制系統在修井機設備中的應用以及控制情況，包括PLC 系統和變頻驅動技術系統；以及控制修井機設備的全部系統和機械元件組成，保證修井機設備的順利施工和運行，同時還有警示系統，增加了修井機設備使用的安全可靠性。