直流鉆機(jī)司鉆操作技術(shù)現(xiàn)狀及優(yōu)化方案

李慶福，王飛，張彥偉，史金紅，李娜，李博，王輝，秦弈涵，邱立波

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

目前直流鉆機(jī)司鉆房內(nèi)的司鉆操作臺布滿了各種調(diào)速手輪、手柄、顯示屏、指示燈、開關(guān)等元器件，導(dǎo)致司鉆操作不方便并且信息化及自動(dòng)化水平低，同時(shí)很多關(guān)鍵鉆井設(shè)備參數(shù)司鉆無法監(jiān)控，影響鉆機(jī)的安全性及可靠性。操作臺上操作元器件過多最終導(dǎo)致司鉆房整體尺寸加大，增大鉆臺面的使用面積及影響其他設(shè)備的擺放。

為了提高司鉆操作的便捷性及鉆機(jī)信息化和自動(dòng)化水平，必須對司鉆操作進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證鉆機(jī)安全可靠運(yùn)行。取消司鉆操作臺上各種調(diào)速手輪、手柄、指示燈、開關(guān)等元器件，配置電控觸摸屏，將相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備集成到鉆機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)，并在電控觸摸屏上進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控及操作控制。使司鉆能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控鉆井相關(guān)參數(shù)并掌握各相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況，減少設(shè)備故障率，提高生產(chǎn)效率。現(xiàn)場信息的集成是過程控制系統(tǒng)的要求，對現(xiàn)場設(shè)備通過傳感器進(jìn)行信息采集，按照控制器PLC 的指令對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制[1]。司鉆操作優(yōu)化設(shè)計(jì)后將大大降低司鉆操作臺的尺寸，從而可減小司鉆房的尺寸，增加鉆臺面的使用面積。

1 直流鉆機(jī)司鉆操作技術(shù)現(xiàn)狀

直流鉆機(jī)司鉆房內(nèi)主要安裝了鉆機(jī)電控系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置、開關(guān)類電控操作設(shè)備、手柄類氣控氣操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)元器件，用于司鉆操作，導(dǎo)致司鉆操作臺布滿了各種調(diào)速手輪、手柄、顯示屏、指示燈、開關(guān)等元器件。

1.1 鉆機(jī)電控系統(tǒng)

采用SCR 可控硅技術(shù)將交流母排的600 V 交流電源轉(zhuǎn)換為0～750 V 連續(xù)可調(diào)的直流電，通過接觸器指配開關(guān)進(jìn)行切換，控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的直流電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)性能滿足轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的傳動(dòng)要求。

在司鉆房配置轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的調(diào)速手輪用于相應(yīng)設(shè)備調(diào)速，配置轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的啟停開關(guān)用于相應(yīng)設(shè)備啟停控制，配置轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的運(yùn)行指示燈用于相應(yīng)設(shè)備運(yùn)行指示，配置自動(dòng)送鉆觸摸屏用于自動(dòng)送鉆控制及顯示。

配置SCR 柜運(yùn)行指示燈用于相應(yīng)SCR 柜運(yùn)行指示，配置柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行指示燈用于柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行指示。

1.2 鉆井儀表系統(tǒng)

鉆井儀表系統(tǒng)為獨(dú)立儀表系統(tǒng)，在司鉆房內(nèi)配置獨(dú)立的儀表顯示屏、機(jī)械指重表、機(jī)械立管壓力表、機(jī)械吊鉗轉(zhuǎn)矩表用于儀表參數(shù)顯示。鉆井儀表系統(tǒng)用于顯示懸重、鉆壓、立管壓力、吊鉗轉(zhuǎn)矩、泵沖及排量、累計(jì)泵沖、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩、頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩、大鉤位置、大鉤速度、出口泥漿返回量、泥漿罐泥漿體積（液位）、井深、鉆頭深度、噸公里等參數(shù)。

1.3 獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置

在司鉆操作臺上配置1 個(gè)獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置，用于檢測游車高度，并將報(bào)警點(diǎn)和上碰下砸點(diǎn)信號傳輸給鉆機(jī)電控系統(tǒng)PLC，由鉆機(jī)電控系統(tǒng)PLC 控制盤剎車。獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置和鉆機(jī)電控系統(tǒng)共同完成游車電子防碰功能，保證鉆機(jī)的安全使用。

1.4 開關(guān)類電控操作設(shè)備

在司鉆房操作臺上配置了液壓貓頭操作開關(guān)、灌漿泵啟停開關(guān)等電控操作開關(guān)，用于相關(guān)設(shè)備的司鉆房啟停等操作。這使得司鉆房操作臺上布置了大量的開關(guān)，司鉆操作很不方便并且增加操作臺的面積。

1.5 手柄類氣控氣操作機(jī)構(gòu)

在司鉆房操作臺上配置了轉(zhuǎn)盤慣剎手柄、絞車擋位選擇、滾筒高低速等氣控氣操作手柄，通過手柄控制氣控閥的輸出來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以達(dá)到例如轉(zhuǎn)盤慣剎動(dòng)作及絞車換擋的目的，這使得司鉆操作臺上布置了大量的氣控氣操作手柄。

1.6 機(jī)械壓力表

在司鉆房操作臺上配置轉(zhuǎn)盤潤滑油壓機(jī)械表、絞車潤滑油壓機(jī)械表等機(jī)械表頭用于顯示相關(guān)設(shè)備壓力，這使得司鉆房操作臺上布置了大量的機(jī)械表頭，司鉆不易查看并且沒有報(bào)警提示。

1.7 直流鉆機(jī)司鉆房操作臺布局

目前直流鉆機(jī)司鉆房操作臺布局如圖1 所示。

2 直流鉆機(jī)司鉆操作優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 鉆機(jī)電控系統(tǒng)優(yōu)化

取消轉(zhuǎn)盤調(diào)速手輪、絞車調(diào)速手輪、泥漿泵調(diào)速手輪、轉(zhuǎn)盤啟停開關(guān)、絞車啟停開關(guān)、泥漿泵啟停開關(guān)、指配開關(guān)、自動(dòng)送鉆觸摸屏、電控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行指示燈、柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行指示燈等，配置2 臺電控觸摸屏，正常情況下，一臺作為電控監(jiān)控屏，一臺作為鉆井儀表參數(shù)顯示屏，當(dāng)有一臺故障時(shí)，可相互切換顯示2 種軟件界面，2 臺電控觸摸屏均布置在司鉆前方的操作臺上。

電控觸摸屏設(shè)計(jì)人機(jī)界面，通過相關(guān)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制界面制作、控制變量建立、相關(guān)屬性設(shè)置等[2]。人機(jī)界面主要包括操作控制區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)等，通過電控觸摸屏與電控系統(tǒng)PLC 的通信實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的操作控制、狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置。

1）自動(dòng)送鉆操作和顯示技術(shù)。電控觸摸屏具有原自動(dòng)送鉆觸摸屏的全部功能，可在電控觸摸屏上進(jìn)行自動(dòng)送鉆的參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、命令發(fā)送，滿足恒鉆壓及恒鉆速自動(dòng)送鉆功能。

圖1 目前直流鉆機(jī)司鉆房操作臺布局

2）關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置及顯示技術(shù)。由于老式直流鉆機(jī)沒有單獨(dú)的電控觸摸屏，所以轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的相關(guān)參數(shù)無法顯示，增加電控觸摸屏后，可在電控觸摸屏上進(jìn)行轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的參數(shù)設(shè)置、參數(shù)及狀態(tài)顯示、命令發(fā)送等功能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵的調(diào)速功能和啟停功能等。司鉆可實(shí)時(shí)查看轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的所有相關(guān)信息，指導(dǎo)司鉆進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，同時(shí)也增加了鉆機(jī)的安全性。

在電控觸摸屏上實(shí)現(xiàn)指配開關(guān)的功能。完成鉆機(jī)在不同鉆井工況下，通過指配開關(guān)實(shí)現(xiàn)SCR 柜控制不同的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，滿足鉆機(jī)的實(shí)際使用要求。電控觸摸屏通過與鉆機(jī)電控PLC 之間的通信線實(shí)現(xiàn)命令發(fā)送，同時(shí)鉆機(jī)電控PLC 與SCR 柜之間的通信實(shí)現(xiàn)SCR 柜控制轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵設(shè)備的各種工況輸出組合。

3）柴油發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程啟停操作及顯示技術(shù)。柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行信號及使用功率信息接入鉆機(jī)PLC 并通過Profibus 通信方式傳輸給司鉆房內(nèi)的電控觸摸屏，在電控觸摸屏上進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行及使用功率顯示。同時(shí)可在電控觸摸屏上設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程啟停按鈕，在司鉆房對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停控制。這將提高司鉆操作的便捷性并且司鉆可通過監(jiān)視各柴油發(fā)電機(jī)組的功率使用情況決定柴油發(fā)電機(jī)組的開啟數(shù)量，可以節(jié)能增效，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益，也可減少機(jī)組排污對空氣的污染。

4）控制系統(tǒng)冗余備份技術(shù)。鉆機(jī)電控系統(tǒng)控制方式由單PLC+BYPASS（應(yīng)急旁路硬線連接）方式變更為雙PLC（冷備冗余），原單PLC+BYPASS 方式存在單PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，BYPASS 應(yīng)急旁路硬線連接控制時(shí)鉆機(jī)不具備電子防碰功能及相關(guān)互鎖保護(hù)功能，降低鉆機(jī)安全性。采用雙PLC（冷備冗余）后，當(dāng)1 個(gè)PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，可通過PLC 切換開關(guān)切換至另一套PLC，使鉆機(jī)具備電子防碰功能及相關(guān)互鎖保護(hù)功能，保證了鉆機(jī)能夠繼續(xù)使用的同時(shí)增加了鉆機(jī)的安全性。

PLC 技術(shù)維修簡單，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，司鉆可根據(jù)故障診斷信息對系統(tǒng)進(jìn)行分級式檢測，可迅速找到問題所在。PLC 技術(shù)對自動(dòng)化控制進(jìn)行邏輯性控制、數(shù)據(jù)信息控制、模擬化控制等[3]。

5）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)。鉆機(jī)電控系統(tǒng)預(yù)留遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸接口，通過無線遠(yuǎn)傳的方式將鉆井設(shè)備相關(guān)信息傳輸給后臺隊(duì)長辦公室，井隊(duì)隊(duì)長可在隊(duì)長辦公室內(nèi)實(shí)時(shí)查看鉆井相關(guān)數(shù)據(jù)。做到信息共享，提高信息化水平，同時(shí)對井隊(duì)的安全作業(yè)又增加了一份保障。

2.2 鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

取消直流鉆機(jī)獨(dú)立鉆井儀表系統(tǒng)的儀表顯示屏及各類機(jī)械液壓表頭，由鉆機(jī)電控系統(tǒng)集成鉆井儀表系統(tǒng)所有參數(shù)在電控觸摸屏上進(jìn)行顯示及設(shè)置。儀表系統(tǒng)配置OPC 服務(wù)器與鉆機(jī)電控系統(tǒng)PLC 進(jìn)行通信，將儀表系統(tǒng)參數(shù)傳輸給鉆機(jī)電控系統(tǒng)并在司鉆房內(nèi)的電控觸摸屏上進(jìn)行顯示及設(shè)置。取消直流鉆機(jī)獨(dú)立鉆井儀表系統(tǒng)的儀表顯示屏及各類機(jī)械液壓表頭后節(jié)省了司鉆操作臺的空間。

2.3 獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

取消獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置，由鉆機(jī)電控系統(tǒng)集成游車電子防碰功能（防上碰下砸），在電控觸摸屏設(shè)計(jì)游車電子防碰界面。在絞車滾筒軸安裝一只絕對值編碼器，由PLC 采集編碼器信號,精確計(jì)算出當(dāng)前游車的位置,并與設(shè)定的防止上碰下砸位置進(jìn)行比較。當(dāng)游車到達(dá)預(yù)警位置,將通過數(shù)控程序，發(fā)出預(yù)警指令信號，控制絞車電動(dòng)機(jī)進(jìn)入安全速度；當(dāng)游車到達(dá)限定位置，再發(fā)出急停指令信號,通過盤剎電磁閥驅(qū)動(dòng)盤剎剎車。取消獨(dú)立數(shù)顯防碰裝置后將消除前期兩個(gè)系統(tǒng)間接口對接時(shí)可能存在的錯(cuò)誤，并節(jié)省了司鉆操作臺空間，增加鉆機(jī)的安全性和可靠性。

2.4 開關(guān)類電控操作設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)

取消液壓貓頭操作開關(guān)、灌漿泵啟停開關(guān)等設(shè)備電控操作開關(guān)，將此類設(shè)備集成在鉆機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)，在電控觸摸屏上設(shè)置相關(guān)設(shè)備的操作開關(guān)代替原物理開關(guān)，通過鉆機(jī)PLC 系統(tǒng)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，并且將反饋信號接入鉆機(jī)電控系統(tǒng)PLC，在電控觸摸屏上進(jìn)行顯示，PLC通過相關(guān)反饋信號狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的程序控制，滿足鉆機(jī)電氣互鎖要求，保證鉆機(jī)設(shè)備動(dòng)作有序進(jìn)行。取消液壓貓頭操作開關(guān)、灌漿泵啟停開關(guān)等設(shè)備電控操作開關(guān)后將大大節(jié)省司鉆操作臺的空間。

2.5 手柄類氣控氣操作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

取消司鉆房操作臺上的轉(zhuǎn)盤慣剎、絞車擋位選擇、滾筒高低速等氣控氣操作手柄，將控制方式由氣控氣變更為電控氣，將原氣控氣閥組變更為電控氣的電磁閥組。將上述手柄操作集成在司鉆房電控觸摸屏上，通過電控觸摸屏對電控系統(tǒng)PLC 發(fā)送指令，PLC 接收到指令后由PLC 控制相應(yīng)的電磁閥，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成例如轉(zhuǎn)盤慣剎剎車、絞車擋位變換、滾筒高低速轉(zhuǎn)換等。提高了司鉆操作便捷性及參數(shù)可監(jiān)控性，取消大量的氣控氣手柄將節(jié)省司鉆操作臺的空間。控制方式由氣控氣變更為電控氣后將縮短氣路管線長度，縮短響應(yīng)時(shí)間，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠更快速地動(dòng)作。另外，在嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫太低的情況下，縮短氣路管線長度將大大降低氣路管線及氣控閥故障。

2.6 機(jī)械壓力表的優(yōu)化設(shè)計(jì)

取消轉(zhuǎn)盤潤滑油壓機(jī)械表、絞車潤滑油壓機(jī)械表等機(jī)械表頭，配置轉(zhuǎn)盤潤滑油壓及絞車潤滑油壓等壓力傳感器（4～20 mA），將電信號接入鉆機(jī)電控系統(tǒng)PLC 中，由鉆機(jī)電控系統(tǒng)PLC 與司鉆房電控觸摸屏進(jìn)行通信，在司鉆房電控觸摸屏上顯示各類油壓等模擬量參數(shù)。司鉆可以直觀地在電控觸摸屏上查看相關(guān)參數(shù)，并且電控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測油壓等參數(shù)，當(dāng)參數(shù)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。取消轉(zhuǎn)盤潤滑油壓機(jī)械表、絞車潤滑油壓機(jī)械表等機(jī)械表頭將大大節(jié)省司鉆操作臺的空間。

2.7 安全急停方案設(shè)計(jì)

出于安全考慮，司鉆操作臺仍保留盤剎急停按鈕、柴油發(fā)電機(jī)組急停按鈕、SCR 系統(tǒng)急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急事故時(shí)司鉆可按下相應(yīng)的急停按鈕，保證鉆機(jī)及人員的安全。

2.8 優(yōu)化后的司鉆房操作臺布局

優(yōu)化后的司鉆房操作臺布局如圖2 所示，司鉆左手邊布置1 個(gè)電磁渦流剎車手柄，用于絞車輔助剎車。司鉆右手邊布置1 個(gè)絞車盤剎手柄、1 個(gè)盤剎急停按鈕、1 個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組急停按鈕、1 個(gè)SCR 急停按鈕，其中絞車盤剎手柄用于絞車主剎車，盤剎急停按鈕用于盤剎急停，柴油發(fā)電機(jī)組急停按鈕用于柴油發(fā)電機(jī)組急停，SCR 急停按鈕用于鉆機(jī)SCR 柜急停。

司鉆前方布置2 臺電控觸摸屏，用于相關(guān)鉆井設(shè)備的操作控制及參數(shù)顯示等，正常情況下，1 臺作為電控監(jiān)控屏，1 臺作為鉆井儀表參數(shù)顯示屏，當(dāng)有1 臺故障時(shí)，可相互切換顯示2 種軟件界面。控制系統(tǒng)采用雙PLC（冷備冗余），當(dāng)1 個(gè)PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，可通過PLC 切換開關(guān)切換至另一套PLC，使鉆機(jī)具備電子防碰功能及相關(guān)互鎖保護(hù)功能，保證了鉆機(jī)能夠繼續(xù)使用的同時(shí)增加了鉆機(jī)的安全性。

圖2 優(yōu)化后的司鉆房操作臺布局

3 結(jié) 語

通過相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備集成化設(shè)計(jì)簡化司鉆操作臺，由電控觸摸屏操作代替原物理開關(guān)、手輪、指示燈等電器元件，提高了司鉆操作的便捷性及鉆機(jī)的安全性和可靠性，司鉆可以通過電控觸摸屏對相關(guān)鉆井參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控及設(shè)置，并具有故障診斷功能，幫助司鉆迅速解決故障，提高了鉆機(jī)信息化及自動(dòng)化水平，提高了鉆井效率及經(jīng)濟(jì)效益。