模塊鉆機防壓猴臺安全互鎖技術研究與實施

何玉茍，何德磊，杜 昆，蔣平東

（中海油田服務股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

為了提高鉆完井作業效率，頂驅成為近些年新建海洋平臺模塊鉆機的標準配置?，F役和新建模塊鉆機的頂驅控制系統與電控系統、絞車系統的控制相互獨立，頂驅的起升和下放控制以及頂驅各功能操作控制完全依賴司鉆人工進行判斷和操控。頂驅在井架內空的高度控制以及頂驅在二層臺位置的操控是司鉆根據電控系統顯示屏和CCTV顯示屏所顯示的數據和圖像來進行操控的。海洋平臺模塊鉆機司鉆一般都是實行12 h輪班工作制，精神高度集中、勞動強度大、易疲勞，稍有不慎或誤操作，頂驅吊環和吊卡就容易壓碰井架二層臺猴臺，造成不同程度的設備損壞和作業時效損失，且對井架工的人身安全產生較大風險。為了實現本質安全，避免誤操作，一種基于鉆機電控系統、提升系統、頂驅控制系統特性，通過PLC程序和軟件實現安全互鎖從而防止頂驅壓猴臺損壞的技術亟待研究與提出。

1 海洋平臺模塊鉆機電控、絞車系統和頂驅控制系統簡介

1.1 模塊鉆機電控與鉆井絞車的控制現狀

鉆井絞車采用1臺或2臺交流變頻電機驅動，由能耗制動系統和液壓盤式剎車配合使用實現制動剎車，絞車主電機由鉆機電控系統所配的變頻器驅動，實行閉環控制。鉆機電控系統會采集鉆井絞車的各種工作狀態參數，結合司鉆絞車控制手柄的速度給定，通過PLC程序控制實現不同工況下絞車的正常驅動、調速、駐車和制動等。鉆機電控和鉆井絞車的控制存在著緊密的邏輯聯系，但這兩者與頂驅的控制系統卻相對獨立。

1.2 模塊鉆機頂驅的控制現狀

由于頂驅價值較高，約占模塊鉆機造價的9%，結合海洋石油平臺模塊鉆機開發井和調整井作業特點，模塊鉆機在設計建造時會充分考慮區域共享及頂驅的搬遷、互換性能等因素。頂驅主要由頂驅本體、VFD控制房和司鉆控制面板等組成。因此，海洋平臺模塊鉆機頂驅的控制在設計上都是獨立于模塊鉆機其他系統的，VFD控制房是頂驅的控制和驅動中心，一般設計為集裝箱式，頂驅懸掛在游車大鉤上沿著井架上的頂驅導軌上下運行，司鉆通過操作單獨安裝在司鉆房的頂驅司鉆控制盤對頂驅旋轉和其他各執行機構進行遠程操控。

1.3 存在的問題

對頂驅高度位置的感知和吊環擋位的操控完全由司鉆人工觀測、判斷和操作，在K形套裝井架的司鉆房內司鉆只能通過內部CCTV顯示屏觀察頂驅的高度位置，當操作鉆井絞車速度過快、視線受阻或CCTV系統故障，極易導致頂驅壓猴臺情況發生，造成猴臺損壞，嚴重時甚至導致二層臺和頂驅吊環傾斜液壓缸損壞，嚴重影響鉆完井作業時效。另外，猴臺的修復屬于高空作業，操作非常困難，維修作業風險非常高。

2 防壓猴臺安全互鎖技術的研究

2.1 建立安全互鎖的條件

頂驅吊環有前、中、后3個工作擋位，由司鉆通過控制面板進行操作。其中前擋位是吊環掛著吊卡往立根盒方向伸出，用于在鉆臺面和二層臺位置接、甩鉆桿或立根。以南海東部某平臺新建7000 m模塊鉆機為例，該鉆機K形套裝井架凈空約46 m，二層臺高度為距離鉆臺面26.5 m，猴臺位于二層臺井口中心方向的最前端，頂驅中心線距離二層臺猴臺邊緣約1.4 m，頂驅的吊環傾斜動作由頂驅自帶液壓站提供的液壓動力驅動，電控液的控制方式。當頂驅上、下運行至二層臺高度時，司鉆必須將頂驅吊環工作擋位切換到中擋位，如果此時頂驅吊環在前擋位或后擋位，吊環及其懸掛的吊卡就會壓碰二層臺猴臺。所以，必須從頂驅和鉆機電控、絞車控制系統綜合考慮，通過傳感技術和建立通信網絡獲取頂驅吊環的工作擋位信息、鉆井絞車的工作擋位和轉向、鉆井絞車起升下放速度和加速度實時數據、大鉤高度實時數據，結合鉆井絞車本身的制動性能參數，利用電控系統綜合控制柜的PLC系統設計安全互鎖。安全互鎖應基于兩個條件和目的：

條件一：設定減速安全高度范圍，當頂驅沿導軌自下而上或自上而下運行，其高度即將接近二層臺高度的安全減速高度范圍時，若同時頂驅吊環在前擋位或后擋位，即不在擋位，則通過某種方式向司鉆發出聲光報警信息。司鉆觀測到此報警信息后應及時松開絞車控制手柄使絞車減速，并及時將吊環擋位切換到中擋位。

條件二：設定主動制動安全高度范圍，當頂驅沿導軌自下而上或自上而下運行進入設定的主動制動高度范圍時，若同時頂驅吊環不在中擋位，電控系統變頻器開始停止輸出并開始能耗制動，同時絞車控制系統給液壓盤式剎車輸出一個剎車信號開始制動。當絞車控制系統實施主動制動的同時，也應還能給司鉆發出相應的信息，比如聲光報警或絞車控制系統自帶的急停制動報警。

JC70DB鉆井絞車對游動系統上下運行進行制動由能耗制動系統和液壓盤式剎車共同完成，能耗制動的功率與絞車主電機的轉速呈線性關系，隨著速度的減慢，其制動能力越來越小，盤剎的制動力矩是由剎車鉗自身決定的，基本上屬于固有特性，一般情況絞車廠家會給出該參數。絞車的制動距離由絞車本身特性、運行速度、正反轉有關，同時也與游動系統包括頂驅本身的重量、鉤載重量有關，但是主要由能耗制動和剎車鉗力矩決定。為了設定一個合理的減速安全高度范圍和主動制動安全高度范圍數值，調研多臺7000 m鉆機作業現場的經驗數據，絞車制動時間由其控制系統設定為4 s，制動距離會因速度、鉤載等不同工況有所區別，經驗數據表明制動距離一般為3～4 m。經過驗算得出，以鉆臺面為基準，ZJ70鉆機減速安全高度范圍設定在26.5±7 m以內26.5±5 m以外，主動制動安全高度范圍設定在26.5±5 m以內。

2.2 安全互鎖控制原理

取頂驅吊環中擋位信號并傳遞給鉆機電控系統，實時采集大鉤高度數據、鉆井絞車正反轉向信息和絞車轉速數據并接入鉆機電控系統，由鉆機電控PLC對數據進行實時判定。當頂驅吊環處于中擋位且頂驅吊環上下運行至減速安全高度范圍時，觸發互鎖，鉆機電控直接從司鉆房電控操作臺通過帶燈蜂鳴器發出聲光報警信息提醒司鉆實施降速并切換頂驅吊環擋位到中擋位；當頂驅吊環處于中擋位且頂驅吊環上下運行至主動制動安全高度范圍時，觸發互鎖，鉆機電控發出控制指令給變頻驅動系統和絞車控制系統實施制動和剎車，同時帶燈蜂鳴器發出聲光報警信息提醒司鉆防壓猴臺安全互鎖已觸發，需將吊環切換至中擋位后才能解除互鎖恢復正常工作。若頂驅吊環處在中擋位，則不觸發安全互鎖。安全互鎖技術框圖如圖1所示。

圖1 安全互鎖技術框圖

3 防壓猴臺安全互鎖技術的實施

3.1 安全互鎖的建立

基于某新建模塊鉆機建造項目，該鉆機配備的DQ70頂驅吊環控制為電控液的控制方式，取頂驅吊環中擋位信號有兩種方式：一種是從頂驅司鉆控制面板采集吊環擋位控制信號，一種是取吊環傾斜油缸的壓力信號，用壓電傳感器將其轉換成電信號。第一種方式操作簡單，但可能存在控制吊環傾斜液缸的電磁閥故障導致的吊環真實擋位與控制選擇按鈕狀態不一致的情況；第二種方式則難度相對較高，需在頂驅閥島對應的吊環傾斜液缸液壓回路測壓口增加1個壓電傳感器，將液壓油壓力信號轉換為電信號并利用頂驅游動系統通信線路將其傳輸至司鉆房鉆機電控系統接入端，這種方式信號傳輸線路較長，所需元器件多故而成本相對較高，而且液壓回路的油壓可能存在泄壓延遲現象需要電控PLC對壓電傳感器反饋的電流信號進行合理的數值區間判定，對于信號的判斷有一定技術難度，通過多次的設定和測試才能選取合理的判定值，但測試成功后，這種方式獲取的吊環擋位信號真實準確、整體可靠性高。

考慮到防壓猴臺安全互鎖技術的重要性和該技術對可靠性的高要求，該項目選擇安全性、可靠性高的方法進行實施。出于閉環控制的要求，鉆機電控系統通過鉆井絞車主電機和自動送鉆電機軸末端的編碼器可以實時采集大鉤高度數據、鉆井絞車正反轉向信息和絞車轉速數據，頂驅吊環高度位置數據可以通過大鉤高度數據換算得出。當增加的吊環中擋位信號接入電控系統后，由電控系統PLC按照設定的防壓猴臺安全互鎖程序進行綜合判定和處理，實現安全互鎖功能。

在ZJ70模塊鉆機聯合調試期間，通過計算、反復嘗試和優化，經過現場測試和驗證，對減速安全高度范圍和主動制動安全高度范圍的預設值進行微調優化，使得控制和制動效果更好，同時也獲得經驗數據。

3.2 安全互鎖程序流程

防壓猴臺安全互鎖技術的PLC邏輯控制程序設計根據以下流程圖進行（圖2）。

圖2 安全互鎖程序設計流程

4 結束語

頂驅是關鍵的鉆井設備，發生頂驅壓猴臺導致故障時維修困難，猴臺是井架二層臺的重要組成部分，受損后其維修作業屬于高空作業而且是占井口作業，對鉆完井作業時效影響很大。通過對海洋平臺模塊鉆機電控、絞車系統和頂驅系統控制現狀的總結，分析存在的問題，提出防壓猴臺安全互鎖技術，在南海東部新建模塊鉆機項目上成功實施和應用。該技術的有效性和可靠性在該模塊鉆機13口井的開發井作業中得到驗證，可有效防止頂驅壓猴臺情況的發生，降低維修作業風險，保障該平臺模塊鉆機提升系統和頂驅系統平穩、安全運行，取得很好的應用效果，同時也通過實踐獲得一些寶貴的經驗數據。該技術也適合在現有海上設施模塊鉆機上進行推廣和升級改進且很有必要，經驗數據也有較高的參考價值。