石油鉆機一體化集成控制設(shè)計

張建，張康利，王玉明，徐天剛

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司，重慶 401147；2.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741000）

石油鉆機主要分為八大系統(tǒng)，包括提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及井架和底座部分［1－3］。司鉆房作為這八大系統(tǒng)的控制中心，內(nèi)部集成電控系統(tǒng)控制、儀表系統(tǒng)顯示、工業(yè)監(jiān)控設(shè)置、氣電系統(tǒng)控制等，集成控制系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜且個性化的過程，既要考慮對鉆機設(shè)備的監(jiān)測和控制，又要考慮到有效需求功能，是集電氣、液壓、氣控等多項知識所融合的綜合性工程。因此，為了提高鉆井效率和降低工人勞動強度，石油鉆機的一體化集成控制已然成為鉆機行業(yè)新技術(shù)革新的必要階段。

1 系統(tǒng)簡介

集成司鉆室系統(tǒng)主要包括：正壓防爆司鉆房、集成控制單元、司鉆操作單元、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。集成司鉆室系統(tǒng)及控制對象包括：盤式剎車和電磁剎車、液壓站、絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤自動送鉆、頂驅(qū)、柴油機、井口工具、鐵鉆工、二層臺（鉆臺面）機械手、氣動卡瓦、液壓吊卡、鉆井參數(shù)儀、液壓貓頭操作控制、電代油設(shè)備等［4－5］。司鉆房結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。

圖1 司鉆房結(jié)構(gòu)圖

1.1 正壓防爆司鉆房

通常，司鉆控制房正前方需設(shè)計視野開闊的固定窗口，滿足司鉆人員觀察井口狀況、鼠洞、大鉤位置及液壓大鉗等設(shè)備，同時便于司鉆與其他工作人員間的交流，房體底部留有氣路管線、液壓管線和電纜控制等進出線通道，同時具備易拆卸、易安裝的特點。由于鉆井過程中存在一定的客觀危險因素，所以司鉆房內(nèi)電氣設(shè)備的防爆要求十分嚴格。因此，司鉆房整體必須設(shè)計為正壓防爆型。正壓防爆司鉆房按照其結(jié)構(gòu)可以劃分為：房體設(shè)計、控制系統(tǒng)、觸摸屏顯示及輔助設(shè)備四個部分，其中房體設(shè)計包含整體房體、底座固定、轉(zhuǎn)椅、前置控制臺等。正壓防爆司鉆房外觀如圖2所示。

圖2 正壓防爆司鉆房外觀

1.2 集成控制單元

集成控制單元由PLC控制及通訊接口單元、電源配電單元和閥島控制單元組成。電源配電單元提供集成控制單元所需400V／220V AC配電回路、24 VDC控制電源回路，包括電源模塊、微型斷路器、選擇開關(guān)、指示燈、插板等。

PLC控制單元采用西門子S7－1500PLC，采集鉆臺信號和相關(guān)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過西門子專用通信電纜完成數(shù)據(jù)傳輸將信號傳輸至集成系統(tǒng)的PLC控制單元進行處理，包括西門子S7－1500CPU，I／O模塊，8口網(wǎng)管型交換機（其中MOXA8口網(wǎng)管型交換機2套用于控制，MOXA8口網(wǎng)管型交換機2套用于視頻）、端子排、中間繼電器、安全柵、放大板、微型斷路器等。系統(tǒng)采用冷備冗余，信號模塊雙通道配置。閥島控制單元需要控制原鉆機絞車閥島箱、并車箱閥島箱、司鉆房閥島，器件包括繼電器、微型斷路器、PLC、控制板等。

1.3 司鉆操作單元

司鉆操作單元由集成式不銹鋼操作臺、司鉆座椅、觸摸屏、操作手柄、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、原機械表頭、原視頻控制板、原喊話器等組成。觸摸屏操作系統(tǒng)通過PLC以PROFINET協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸將鉆機各個子系統(tǒng)集成到一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，所有設(shè)備的操控指令、狀態(tài)信息、鉆井工藝信息等，均由觸摸屏統(tǒng)一監(jiān)控和管理。整套系統(tǒng)通過集成實現(xiàn)原機械鉆機絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤裝置啟停操作、閥島控制、頂驅(qū)控制、電代油控制、井口自動化機具監(jiān)控及儀表系統(tǒng)等，是智能化、集成化、信息化為一體的司鉆控制系統(tǒng)。具有完整的系統(tǒng)診斷功能，豐富的軟件應(yīng)用包，提升作業(yè)安全、效率。配備區(qū)域安全管理系統(tǒng)來實現(xiàn)不同設(shè)備間的防碰撞功能和司鉆的防誤操作。集成式操作臺由不銹鋼操作臺、司鉆操作座椅、操作手柄和轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成。采用一套集成座椅，操作器件安裝在司鉆正前方操作臺面和司鉆座椅上，司鉆在座椅上可完成鉆井相關(guān)的設(shè)備監(jiān)控及操作。

1.4 工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)

鉆井多參數(shù)儀表顯示是一種數(shù)字顯示設(shè)備，主要包含下面四個界面：系統(tǒng)顯示、邏輯顯示、參數(shù)顯示和司鉆界面顯示。系統(tǒng)界面含有傳動設(shè)備的運行情況及設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)；邏輯界面含有設(shè)備連鎖點的工作狀態(tài)；參數(shù)界面主要含有各個設(shè)備的運行參數(shù)，如大鉤高度、立管壓力、井深、泵沖、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、扭矩等；司鉆界面包括經(jīng)常需查看的參數(shù)，如發(fā)電機電壓電流、扭矩、游車高度等。其次，還需安裝多畫面監(jiān)視器，在關(guān)鍵位置安裝攝像頭，通過一個界面的分屏顯示，進一步仔細觀察設(shè)備運行情況，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，做出相應(yīng)的調(diào)整措施。圖3所示為司鉆臺原理圖。ZJ70LDB型鉆機司鉆房控制系統(tǒng)具有以下4個優(yōu)點：

圖3 司鉆臺原理圖

（1）實現(xiàn)遠程精準控制電機轉(zhuǎn)速；

（2）操作功能相互互鎖，避免誤操作，提升可靠度；

（3）天車防碰采用防碰過卷閥系統(tǒng)提高設(shè)備運行安全性；

（4）轉(zhuǎn)盤慣剎回路簡單可靠。

1.5 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)除傳統(tǒng)的輔助功能外新增防碰互鎖保護功能。

防碰功能：

在井口區(qū)域與低位區(qū)域要設(shè)置防碰，防碰高度強制為5米。二層臺區(qū)域要設(shè)置防碰，當機械手進入井口區(qū)域，絞車停止動作。

互鎖功能：

（1）吊卡與卡瓦互鎖：吊卡與卡瓦不可同時打開；

（2）吊卡與二層臺機械手互鎖：吊卡與二層臺機械手不可同時打開；

（3）鐵鉆工與絞車互鎖：絞車上卸扣時，絞車禁止上提下放；

（4）吊卡與絞車互鎖：按下吊卡關(guān)閉按鈕后若未收到吊卡關(guān)閉扣合信號，禁止絞車上提下放；

（5）鉆臺機械手與緩沖手互鎖：鉆臺機械手未復(fù)位且沒有偏移離開井口通道時，緩沖手禁止伸出至貓道；

（6）鉆臺機械手與貓道：鉆臺機械手未復(fù)位且沒有偏移離開井口道時，貓道大車上鉆臺后禁止小車前進；

（7）絞車與吊環(huán)互鎖：絞車高位之間時禁止吊環(huán)前傾與后傾，已前后傾的需重新按下吊環(huán)浮動，絞車方可運行；

（8）吊卡與二層臺機械手互鎖：絞車高位，若吊卡與二層臺機械手鉗頭都閉合，禁止二層臺機械手動作；

（9）吊環(huán)與二層臺機械手互鎖：絞車高位，二層臺機械手井口伸出后，禁止吊環(huán)前傾或后傾。

同時對講、喊話系統(tǒng)集成操作單元協(xié)同布局，對講、喊話系統(tǒng)利用原鉆機的配置進行重新安裝。

2 結(jié)論

ZJ70LDB設(shè)計思路采用標準化的設(shè)計思路，運用可靠的線路，避免惡劣環(huán)境對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，同時該系統(tǒng)自動化程度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，安全可靠，可以最大程度減少事故發(fā)生。本設(shè)計方法解決了現(xiàn)有氣控部件分散操控、安全性差、維護困難等問題，為司鉆房的小型化、智能化的發(fā)展進一步提供保障。