鉆井平臺鉆井絞車本質安全聯鎖防護的應用

張 君

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

0 引言

電控系統增加少量的電氣元件，采集模擬量和開關量電氣信號，通過優化PLC 程序，實現鉆井絞車與防噴器、盤剎、天車放噴系統的聯鎖控制，可以有效提高鉆井絞車的操作本質安全，杜絕因人員可能的誤操作帶來的設備故障或者安全事故，對于保障作業安全順利進行、降低設備故障率，降低維護成本有著良好的作用，具備較好的經濟價值。

1 鉆井絞車

1.1 概述

鉆井絞車由2 臺或者多臺電機驅動，操作者通過操作手柄的電信號輸入，通過PLC 程序進行鉆井絞車起放和調速控制。鉆井絞車帶動游車、頂驅等游動系統上下運動，實現鉆具的上提和下放功能。按照鉆井工藝，鉆井絞車的運行和防噴器、剎車裝置等多個設備關聯。

1.2 現狀

目前較為先進的集成控制系統基本具備較完善的聯鎖防護功能，但2010 年前的鉆井絞車，聯鎖功能較少。在部分平臺上，特別是司鉆溝通不暢或者操作失誤的情況下，會出現在關閉防噴器的情況下起升或者下放游動系統，造成防噴器芯子損壞。同樣，在部分平臺上，鉆井絞車盤剎沒有和電機驅動系統聯鎖控制，在情況判斷不清楚的情況下，也會造成剎車閉合操作鉆井絞車的情況。

如果缺少本質安全性聯鎖保護，對于新入職的操作人員或者在操作人員判斷失誤的情況下，極易造成高價值設備損壞，也會造成人員傷害。

2 鉆井絞車與剎車系統聯鎖保護

2.1 概述

某平臺程序中盤剎狀態只有盤剎急停開關的開關狀態，在盤剎泵站未上電、駐剎狀態或者電機跳閘情況下，調速手柄依然可以動作，如果操作人員未注意到或者誤操作，會導致鉆井絞車在剎車狀態下運行，剎車鉗磨損或絞車電機過載報故障。原天車防碰程序只設置當觸發天車防碰時只有盤剎動作，調速手柄依然可以動作，這種情況下會對鉆井絞車造成很大的沖擊，而且剎車鉗磨損嚴重甚至絞車電機報過載故障停車。

2.2 改造技術分析及實施

分析盤剎液壓回路，安全鉗正常工作壓力值為7.5 MPa，后備儲能瓶壓力值5.8～6 MPa，液壓回路壓力值如果低于5.8 MPa，可以默認安全鉗沒有打開，因此如何采集安全鉗液壓回路壓力信號尤為關鍵。

通過加裝可調壓力開關（圖1），用變徑管線與液壓回路連接，壓力開關調節到800 psi（5.5 MPa）動作，取壓力開關常開點信號到PLC 數字量輸入端口I17.2，修改絞車操作手柄強制回零程序，增加安全鉗壓力開關狀態I17.2。如果壓力開關檢測到安全鉗液壓回路低于800 psi（5.5 MPa），壓力開關不動作，絞車操作手柄強制回零，鎖死不能動作；如果壓力開關檢測到安全鉗液壓回路壓力大于800 psi（5.5 MPa），壓力開關動作，絞車手柄才可以操作。

圖1 可調壓力開關

另外，天車防碰回路取的是氣源壓力開關信號，當觸發天車防碰，手拉閥動作，壓力開關檢測到氣壓開關動作，盤剎抱死，但是壓力開關狀態未添加到絞車操作手柄強制回零回路，絞車任然可以操作。修改PLC 程序，把天車防碰回路氣源壓力開關狀態添加到程序手柄強制回零回路。從盤剎電機啟動狀態信號和盤剎狀態旁路開關分別采集信號到PLC 數字量端口I19.2 和I19.5（圖2）。

圖2 輸入地址

外部硬件連接好之后核對各取樣點信號，進行模擬試驗，檢測程序運行正常（圖3）。啟動鉆井絞車，對上述各種工況進行試驗，壓力開關動作準確到位，程序監測也正常，鉆井絞車操作手柄與剎車、天車防碰聯鎖功能實現。

圖3 模擬工況的檢測程序

另外增加的功能保護回路也增加了旁路開關，如果壓力開關失效或者出現其他誤動作情況也可以打到旁路開關，不會影響到鉆井絞車的正常使用。

2.3 效果

通過聯鎖防護改造的實施，經過一段時間使用，保護功能效果明顯，大大減小了操作人員誤操作導致設備異動的可能，改造使用至今未出現因為剎車未打開導致鉆井絞車剎車受到沖擊的現象。

3 鉆井絞車與防噴器操作系統聯鎖保護

3.1 概述

某平臺BOP（Blow Out Preventer，防井噴裝置）閘板開關狀態未與鉆井絞車電控程序進行聯鎖保護，當BOP 閘板處于關閉狀態時，調速手柄仍然可以操作，導致BOP 閘板密封損壞、嚴重井下事故等多種危害。

3.2 改造技術分析與實施

為了避免意外操作的發生，在儲能器電控箱內增加4 只繼電器（圖4），采集四組閘板三位四通閥的開關狀態信號，并把開關信號采集至PLC 程序中，當BOP 閘板三位四通閥處于關位時，鉆井絞車強制零速給定，調速手柄鎖死不能操作；當BOP 閘板三位四通閥處于開位時，程序解鎖允許調速手柄進行操作。改造后進行功能性試驗，所有保護功能及動作均正常。

圖4 增加繼電器

另外，聯鎖保護的一個關鍵點在于怎樣取得所有BOP 閘板開關狀態，查看儲能器電氣圖紙，核實現場儲能器遠程操作盤控制情況，防噴器的開關液壓回路的控制受到液控閥的控制，液控閥又受到電磁閥的控制，所以采集相應液控閥的電磁閥得電、失電狀態就可以判斷防噴器閘板處于什么位置，確定了信號取樣點，通過繼電器線圈可以取得電磁閥電源，取繼電器常開點，4 個閘板狀態4 組繼電器常開點狀態并聯信號反饋到PLC 數字量輸入口I20.1。司鉆房操作面板增加BOP 與鉆井絞車聯鎖旁路旋鈕，采集旁路信號到PLC 數字量輸入口I18.7，修改鉆井絞車強制操作手柄零位程序，添加BOP 閘板開關狀態以及聯鎖旁路。

3.3 效果

程序修改完后對BOP 進行模擬開關試驗，當4 個閘板只要有1 個處于關閉狀態，鉆井絞車操作手柄就無法動作，當4 個閘板都處于打開狀態，鉆井絞車手柄可以正常操作，預期鉆井絞車操作手柄與BOP 雙閘動作聯鎖功能實現，檢測程序運行正常。

4 應用價值

（1）減少設備人員損害，提高安全性。通過實施鉆井絞車本質安全聯鎖防護改造，可以有效保證鉆井絞車處于更優的保護狀態下工作，減少設備誤操作帶來的設備損壞、作業事故和人員傷害。

（2）降低維護成本。減少易損件損耗，大大減少了維護時間以及維護成本，避免了誤操作引起的設備配件更換和修理，降低維護成本。

（3）提高產值。鉆井平臺往往是日費結算形式，減少停工時間就是增加作業時間、提高產值。

（4）普適性。2010 年甚至更早建造的鉆機，均通過PLC 控制驅動，本文介紹的技術改造方式均可應用，該方案的推廣有較大的現實意義。

5 結語

通過簡單的技術改造，實現鉆井平臺核心設備鉆井絞車的本質操作安全，經應用驗證，能顯著降低甚至消除誤操作或者指令錯誤導致的關鍵設備損壞和人員傷害，有效降低設備故障率和維護成本，提高生產效率。