中國石油7000 m自動化鉆機電控系統研制

張革民 ，袁通華 ，李炎偉 ，解新

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；3.川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司，西安 710018；4.西部鉆探工程有限公司 巴州分公司，新疆 庫爾勒 841000；5.川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

近年來，工業自動化、智能化、信息化技術發展迅猛，帶動多個行業生產力水平步入新高度。而石油鉆采裝備，由于受油氣市場低迷、傳統生產模式難以更改等多方面因素的制約，新技術應用較為滯后，造成現場作業依然存在人員安全性差、勞動強度大、設備能效等級低、環境污染嚴重等問題。自2015年以來管柱自動化處理設備開始逐步推廣應用，鉆井作業的機械化程度和自動化程度有所改善，如動力貓道、鐵鉆工、二層臺排管裝置等設備均實現了機械化作業[1-2]。因此，繼續應用新技術改變現有石油鉆機的作業方式，取消井架工，解放井口作業人員成為鉆機技術發展的新方向。同時，中油集團提出了工程技術服務隊伍“標準化、機械化、信息化、專業化”的四化建設要求，石油鉆機作為油氣勘探開發主要裝備也同步提出了更高的需求，必須應用機械化、自動化、信息化裝備替代人力，以此徹底改變現有的局面。另一方面受國際原油價格長期震蕩的影響，全球能源公司都集中于采用新技術提高生產效率、降低生產成本。我國也應采用新技術實現鉆井作業的節能降耗保安全，減員增效促生產。

基于上述諸多原因，以提升石油鉆機的自動化水平作為基本目標，寶石機械公司開始研發7000 m自動化鉆機產品，其中，在鉆機傳動與控制方面具有以下主要技術創新。

1 鉆機傳動控制系統

1.1 共享逆變器

打破常規變頻驅動鉆機中每個傳動設備配套專用逆變器的技術方案，將鉆機中具有相似功效的轉盤與頂驅共用一套逆變器。通過在電控房設置切換開關，實現該共享逆變器驅動頂驅或轉盤的設備選擇。圖1（a）所示為逆變器輸入信號的控制方式，圖中22.11和22.12分別表示逆變器的兩個速度給定值，分別對應頂驅轉速給定和轉盤轉速給定。切換開關連接至22.14，實現速度給定1或速度給定2的通道選擇，從而實現不同的設備控制。圖1（b）所示為逆變器輸出端驅動設備的控制原理，當切換開關位于轉盤時，該電動機供電斷路器閉合，頂驅電動機斷路器切斷。否則，頂驅電動機斷路器閉合，轉盤電動機斷路器斷開。

圖1 共用逆變器控制原理

該方案的成功實施，將常規鉆機中7臺逆變器縮減為6臺，生產成本縮減16.7%，整流模塊裝機容量縮減10.3%。對降低整流、逆變、制動單元成本，柴油發電動機組容量，日常生產成本，降低排放、提升環保等各方面效果顯著。

通過共享逆變器資源優化方案，省掉常規頂驅的電控房，在鉆機布局時節省井場占地面積，減少鉆機拆裝工作量，降低系統運輸成本。

1.2 直驅系統

該系列鉆機的直驅系統包括絞車、轉盤、鉆井泵、頂驅4類，共計6臺（套）設備，10臺直驅電動機，總功耗約為6900 kW，每類設備的主電動機參數如表1所示。其中，絞車由2臺1000 kW交流變頻電動機直接驅動滾筒軸，采用主電動機實現自動送鉆，如圖2所示。轉盤由1臺600 kW的交流變頻電動機直驅。每臺泥漿泵由2臺600 kW交流變頻電動機（左右各一臺對稱布置）直接驅動曲軸，如圖3所示，每鉆機配套3臺泵組。頂驅由1臺700 kW直驅電動機驅動主軸旋轉。

圖2 直驅絞車傳動原理

圖3 直驅鉆井泵傳動原理

表1 直驅電動機配置

較之常規驅動方式直驅系統的主要技術優勢如下：

1）傳動效率高，結構簡單，便于維護保養，降低系統故障率；

2）降低生產成本，僅絞車減速箱減重約17噸，且無需送鉆電動機及其變頻器；

3）控制更為精確，無減速機的齒輪間隙、減速比換算誤差等問題；

4）外形體積小，絞車寬度不超過2.5 m，泥漿泵寬度不超過3.2 m，實現一體化運輸，降低運輸成本和拆裝工作量。

2 伺服驅動及安全管控系統

自動化鉆機中管柱處理全流程實現機械化作業，包括建立根、立根排放等工序[3-6]。其中關鍵控制技術包括伺服驅動二層臺排管裝置、區域安全管控等。

2.1 伺服驅動二層臺排管裝置

二層臺排管裝置用于在井口與指梁之間取放目標管柱，如圖4所示，取管柱工況，機械手抓取目標管柱后沿灰色箭頭所指方向以AB-C-D路徑將管柱送至井口位置。放管柱工況，沿黑色箭頭所指方向以D-C-BA的動作順序將管柱送至目標指梁。

圖4 二層臺機械手工作路徑示意圖

該電控系統主要由開關電源（SP）、運動控制器（MC）、伺服驅動器（SMD1～SMD4）、伺服電動機（M1～M4）、操作終端（OP）等幾部分組成。圖5所示為該運動控制系統原理，其中：SP提供24 VDC控制電源；編號1～4的SMD表示不同執行機構所對應的驅動器。SP的輸出端分別連接至OP、MC和SMD的控制電源端。SMD1～SMD4分別與二層臺機械手各個動作機構的伺服電動機相連。OP以總線形式與MC通信，實現各動作機構依次執行控制指令。

圖5 二層臺機械手控制系統原理

運動控制程序執行流程如圖6所示。PLC首先判斷與MC的通信是否正常，通信正常時可進入自檢程序。若PLC或MC有故障（MC的故障診斷包含MC本身和SMD反饋故障），則系統自診斷故障位置、分析可能原因并在OP顯示故障代碼，以便于操作人員快速解決問題。自檢正常后按操作指令執行相應動作，包括滑車行走、旋轉、推扶臂伸縮等。

圖6 控制流程圖

2.2 區域安全管控軟件

2.2.1 區域防碰管理

針對鉆機井架及鉆臺安裝的所有運動設備，梳理其在工作過程中存在的相互間碰撞風險。以井口中心為坐標點，結合相關傳感器信號，經過軟件編程，實時計算各設備的關鍵輪廓點，通過比較關鍵點的距離判斷是否存在碰撞風險，然后通過提示或緊急制動實現即將碰撞設備的停車，以確保設備自身的安全。圖7所示為防碰空間劃分及存在碰撞風險的設備狀態提示。

圖7 防碰顯示

2.2.2 設備互鎖管理

互鎖控制程序主要存在與管柱持有權限交接的過程中。確保交接管柱的兩設備之間至少有一個設備持有管柱，避免管柱脫落的事故出現。如圖8所示，為互鎖功能設置與狀態提示人機界面。

圖8 互鎖顯示

3 鉆機集成控制網絡

圖9 集成控制網絡

該鉆機集成控制系統由上位級、中間級和現場級3個分系統組成[7-9]。

1）上位級。上位級實現鉆機集成控制網絡中所有設備狀態的一體化顯示，以及主要功能的集成化遠程操作。根據作業分工將其分別定義為主司鉆和副司鉆，二者操作設備的分工與功能劃分如表2所列。

表2 雙司鉆分工

2）中間級。中間級是實現鉆機集成化操作控制核心，該鉆機系統網絡架構主要實現的功能包括：上位機與各單元設備數據交換；鉆機不同層級急停安全管理；對鉆機各單元設備的集成化協同控制和參數集中采集及歸檔；設備之間防碰、交接互鎖等功能。

3）現場級。現場級是各單元設備的控制站，負責各自設備內部的控制邏輯、軌跡運算、狀態檢測等。通過現場級控制站與中間級集成控制網絡交換數據，實現多設備的遠程中央操控。

4 鉆機遠程在線監測

所開發的石油鉆機遠程監測與技術服務平臺[10-11]主要由現場層、傳輸層和應用層組成，如圖10所示。

圖10 鉆機遠程在線服務系統

1）現場層。搭建集數據采集、傳輸、存儲功能于一體的物聯網平臺，制定統一的數據接入、傳輸和存儲標準。將數據按照統一標準、通過統一通道存儲進物聯網系統數據庫，提高數據的可用性、可靠性及可擴展性，避免信息孤島。

2）傳輸層。通過無線移動網絡、衛星、有線網絡等方式將現場數據傳輸至遠端數據中心，實現對實時數據的分析和歸檔。另外還可將應用層下發的指令信息回傳至現場層。實現信息的雙向交互。

3）應用層。用于將現場實時數據進行結構化處理，對數據進行歸檔，用于建立大數據分析庫；實現鉆機遠程監測、故障診斷、統計分析、維保提醒等功能，并將結構進行可視化顯示；遠端專家通過客戶端對現場提供技術服務。

應用該平臺，建立基于風險和狀態的維修管理模式，實現設備預知維修管理，為用戶提供鉆機早期的故障征兆、類型及處理方案；建成設備狀態異常預警管理系統，實現快速調度、科學決策；通過在外配件庫查詢系統實時了解在外配件庫的庫存情況，針對緊缺配件及時排產和補充；通過鉆機檔案管理系統實現對出廠鉆機檔案的管理。

5 應用情況

目前該系列化鉆機已經應用于油田現場。分別在大慶鉆探、川慶鉆探、渤海鉆探和西部鉆探等主要鉆探公司近60套鉆機進行現場作業，累計鉆井100余口，實現雙司鉆對整個鉆機的集成化操控，整體運行平穩可靠。

圖11 油田現場鉆機

6 結論

傳動系統動力優化配置方案實現柴油發電動機組的節能運行；直驅系統運行效率高，響應速度快，提升自動化鉆機的綠色環保、節能減排性能；伺服驅動二層臺排管裝置，控制精度高、環境適應性強，杜絕液壓系統跑冒滴漏等問題；集成控制系統運行平穩，通過司鉆一體化監控，實現井架無人化，大幅減輕工人的勞動強度，徹底改善工作環境，實現一線操作員工作業的本質安全；信息化系統為鉆機裝備了實時在線的“智慧醫生”，開創了全新的設備運維管理模式。上述多項傳動與控制關鍵技術的成功應用，將國內石油鉆機的自動化、信息化水平提升至一個新的高度。