石油鉆機(jī)固控電氣設(shè)備自動(dòng)化初探

陳和平，鄭 雄，冉 建

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

0 引言

隨著國產(chǎn)鉆機(jī)設(shè)備的不斷優(yōu)化升級(jí)，鉆機(jī)動(dòng)力、提升、鉆具旋動(dòng)已全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，泥漿泵組、絞車、頂驅(qū)轉(zhuǎn)盤、自動(dòng)送鉆及井口自動(dòng)化采用集成控制，電氣自動(dòng)化智能化發(fā)展達(dá)到一個(gè)新的高度。鉆機(jī)操作控制更輕松，節(jié)省大量的人力，設(shè)備效率顯著提升。同時(shí)采用變頻控制系統(tǒng)，節(jié)能效果更為明顯。固控系統(tǒng)用于處理和儲(chǔ)存鉆井液，是鉆井生產(chǎn)的血液，決定鉆井的質(zhì)量和效率。隨著鉆井工藝技術(shù)要求的提高，固控電氣設(shè)備數(shù)量多、功率增大，且固控系統(tǒng)電氣設(shè)備高耗能、自動(dòng)化程度低、設(shè)備安全穩(wěn)定性差。固控系統(tǒng)加重泵、剪切泵、灌注泵、除砂泵除泥泵、攪拌器、振動(dòng)篩、除泥器、離心機(jī)及巖屑傳送機(jī)等設(shè)備沿用傳統(tǒng)的控制方式，存在明顯的缺陷與不足。鉆井液密度越來越大，其快速優(yōu)質(zhì)處理鉆井液能力不足，無法滿足智能鉆機(jī)鉆井工藝的技術(shù)要求，同時(shí)低效耗能與低碳綠色環(huán)保鉆井要求也不相符合。

1 鉆機(jī)固控系統(tǒng)電氣設(shè)備發(fā)展回顧與現(xiàn)狀

1.1 歷史回顧

20 世紀(jì)90 年代，大部分鉆機(jī)由機(jī)械鉆機(jī)組成，鉆機(jī)型號(hào)主要有ZJ32、ZJ45、ZJ60、ZJ70 等，機(jī)械鉆機(jī)固控系統(tǒng)裝機(jī)容量較小，總功率典型值為438.5 kW。2000 年開始引進(jìn)電動(dòng)鉆機(jī)和復(fù)合（半電動(dòng)）鉆機(jī)，電動(dòng)鉆機(jī)主要有ZJ40DBS、ZJ50ZPD 型號(hào)，固控系統(tǒng)總功率增至584.5 kW。2010 年代國產(chǎn)電動(dòng)鉆機(jī)ZJ70DBS、ZJ80DBS 開始普及，固控系統(tǒng)總功率增大至739.6 kW。目前國產(chǎn)智能化鉆機(jī)ZJ90DBS 已開始投入使用，固控系統(tǒng)總功率增至1094.7 kW。攪拌器電機(jī)單機(jī)功率由7.5 kW 增至15 kW，加重泵由30 kW 增至75 kW。同時(shí)鉆井液處理技術(shù)、環(huán)保要求越來越高，離心機(jī)從無到有，發(fā)展到如今的兩臺(tái)（高速和中速）同時(shí)運(yùn)行。巖屑傳輸和處理等清潔化生產(chǎn)設(shè)備增加非常明顯，固控系統(tǒng)電氣設(shè)備數(shù)量和功率均呈迅猛增加的趨勢（表1）。

表1 鉆機(jī)固控系統(tǒng)電氣設(shè)備裝機(jī)功率歷史變化

1.2 現(xiàn)狀與不足

與智能鉆機(jī)主體設(shè)備相比，絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、鉆臺(tái)二層臺(tái)機(jī)械手等均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。而固控系統(tǒng)電氣設(shè)備仍需由人工操作，自動(dòng)智能化水平較低，明顯落后于鉆機(jī)主體設(shè)備，與智能鉆機(jī)極不相符。

（1）數(shù)量多、功率大、耗能高。當(dāng)前，智能鉆機(jī)配套的固控系統(tǒng)電氣設(shè)備數(shù)量多、功率大，電機(jī)大部分采用直接啟動(dòng)或軟啟動(dòng)，僅有高速離心機(jī)采用變頻器運(yùn)行。普通Y 系列三相異步電機(jī)在傳統(tǒng)的控制啟動(dòng)方式下，加重泵、剪切泵、除砂除泥泵、灌注泵等大功率泵類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通常處于滿速運(yùn)行，當(dāng)泥漿密度和排量較低，電機(jī)功率損耗較大，功率因數(shù)和效率只有0.5～0.6。攪拌器電機(jī)因與減速器相連，傳遞功率損耗較大，在低密度泥漿攪拌時(shí)電機(jī)效率低下。以90DBS 為例，根據(jù)cosφ=P/S，當(dāng)前固控系統(tǒng)絕大部分電機(jī)采用YB 系列防爆電機(jī)，額定功率因數(shù)為0.85，無功損耗為821 kVar。按50%計(jì)算，一臺(tái)鉆機(jī)年（6 個(gè)月純鉆）損耗電量為：Q=1/2×821×0.9×182.5×24=161.82 萬千瓦時(shí)。同時(shí)，攪拌器通過減速器傳遞后，其最大效率為0.9，但在實(shí)際運(yùn)行中平均效率僅有0.7。

（2）自動(dòng)化水平低。鉆井工程中，鉆井工藝對(duì)鉆井液固相處理和控制技術(shù)要求更高，隨鉆井層位的不同泥漿密度隨之變化。固控系統(tǒng)電氣設(shè)備的控制均由人工操作，從泥漿材料加料到攪拌、循環(huán)，返回泥漿除砂除泥分離處理，整個(gè)流程的閘閥開通和關(guān)斷，設(shè)備控制耗時(shí)費(fèi)力，處理泥漿效率低下。同時(shí)，電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)無法及時(shí)監(jiān)控。電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)不隨泥漿密度的變化而改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

（3）安全性、可靠性、穩(wěn)定性差。①固控系統(tǒng)電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的特殊性。固控系統(tǒng)區(qū)域因鉆井液循環(huán)，容易產(chǎn)生混合性爆炸可燃性物質(zhì)，根據(jù)API RP 500 對(duì)固控區(qū)域的劃分規(guī)定，距罐面1.5 m 為一級(jí)一類區(qū)域，距一類區(qū)域外界面3 m 為一級(jí)二類區(qū)域。電機(jī)直接啟動(dòng)方式啟動(dòng)瞬間超過額定電流的4～7 倍，電機(jī)、導(dǎo)線及插接件易產(chǎn)生電氣火花。沖擊電流、腐蝕性氣體使電氣設(shè)備的使用壽命大大縮短；②設(shè)備的安全和可靠性、穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，固控系統(tǒng)電氣設(shè)備平均電壽命約為5～8 年，因啟動(dòng)過電流而產(chǎn)生的故障率約為8%，插接件故障率約為10%。離心機(jī)控制柜及振動(dòng)篩控制箱長期高溫腐蝕，故障比例高達(dá)20%?？刂葡涔裰械碾姎庠骷L期置于高溫密封的箱體中，濕度大易結(jié)露，電氣元器件壽命大大縮短。操作人員維護(hù)和保養(yǎng)頻次較高，設(shè)備自身無法反饋監(jiān)控運(yùn)行狀況。運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行參數(shù)、保養(yǎng)記錄缺失或不準(zhǔn)，多重因素造成設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性大大降低。

2 固控電氣設(shè)備智能化系統(tǒng)研究的方向

2.1 提高設(shè)備功率因數(shù)和效率，降低能耗

（1）集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合。充分利用現(xiàn)有設(shè)備加裝400 V SVG 自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，提高設(shè)備的功率因數(shù)?，F(xiàn)有鉆機(jī)電控房空間容量有限，加裝難度較大?？刹捎迷鲈O(shè)專用的無功補(bǔ)償裝置與400 V 母線并聯(lián)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)的功率因數(shù)，自動(dòng)投切補(bǔ)償電容。對(duì)大電機(jī)可采用分散補(bǔ)償，一對(duì)一進(jìn)行補(bǔ)償，投資成本較低。對(duì)新鉆機(jī)可從設(shè)計(jì)方面統(tǒng)籌考慮整體的功率補(bǔ)償，同時(shí)考慮固控系統(tǒng)采用600 V 系統(tǒng)供電方式，可以減小導(dǎo)線截面，便于與智能化鉆機(jī)統(tǒng)一集成。

（2）變頻器改造。對(duì)老舊鉆機(jī)固控系統(tǒng)電氣設(shè)備改進(jìn)，可采用逐步淘汰低效耗能電機(jī)，37 kW 以上電機(jī)使用變頻器控制。變頻器控制風(fēng)機(jī)泵類可節(jié)約1/3 的能耗。老舊鉆機(jī)可將變頻器設(shè)置在防爆控制箱內(nèi)，對(duì)新鉆機(jī)設(shè)計(jì)，攪拌器電機(jī)采用直驅(qū)降低機(jī)械損耗，固控所有電機(jī)采用變頻控制，統(tǒng)一集成于VFD 房，便于智能化控制。國內(nèi)市場小功率變頻器技術(shù)非常成熟，價(jià)格低廉，更換加裝成本較低，有利于降低成本。

加裝自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置和變頻器是降低能耗的主要方法和途徑，優(yōu)化和改進(jìn)老舊的固控系統(tǒng)電氣設(shè)備能夠有效降低能耗，提高設(shè)備效率，延長設(shè)備使用壽命。

2.2 固控系統(tǒng)電氣自動(dòng)化

（1）系統(tǒng)集成優(yōu)化。對(duì)新設(shè)計(jì)鉆機(jī)可將固控系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)控制裝置集成在VFD 房，泥漿材料的儲(chǔ)存、加料和傳送全自動(dòng)化，加重泵、除砂泵除泥泵、灌注泵、振動(dòng)篩、離心機(jī)等，將井口排量、泥漿泵壓、鉆井液密度信號(hào)與流程閘閥通斷狀態(tài)反饋到PLC，現(xiàn)場總線控制，由程序發(fā)出指令控制固控系統(tǒng)電氣設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)可以在線監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)自動(dòng)記錄，通過5G 互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作控制。

（2）攪拌器的自動(dòng)化思路。攪拌器采用變頻永磁電機(jī)直驅(qū)方式，通過對(duì)泥漿密度的采集，由PLC 程序進(jìn)行優(yōu)化算法控制變頻電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速。因停電或泥漿沉淀葉輪易堵轉(zhuǎn)，攪拌器葉輪由伺服電機(jī)或液壓控制升降，也可采用高壓泥漿槍自動(dòng)無死角噴射，防止泥漿沉淀。攪拌器的轉(zhuǎn)速由泥漿密度信號(hào)和鉆井液的進(jìn)出口排量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，通過編程對(duì)鉆井液密度或鉆井層位工藝要求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，選取智能模式和手動(dòng)模式，變頻器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。

（3）大電機(jī)的自動(dòng)化思路。新設(shè)計(jì)鉆機(jī)，對(duì)固控系統(tǒng)采用大功率永磁變頻電機(jī)，采用變頻器+PLC+工控機(jī)現(xiàn)場總線控制。加重泵、除砂除泥泵、灌注泵、離心機(jī)大功率電機(jī)在VFD 房共用雙整流器模塊，一對(duì)一的逆變器模塊，利于優(yōu)化控制節(jié)省空間。大電機(jī)控制組態(tài)通過鉆機(jī)的泵壓、流量和鉆井工況實(shí)現(xiàn)互聯(lián)控制，在正常鉆進(jìn)或起下鉆作業(yè)時(shí)，大電機(jī)應(yīng)與之保持對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式。

（4）振動(dòng)篩、巖屑、泥漿材料加料傳送自動(dòng)化方向。現(xiàn)有振動(dòng)篩振動(dòng)頻率是固定的，而實(shí)際鉆井施工中，返回液體的固相是變化的，振動(dòng)篩處理固相的效率較低。通過改進(jìn)傳統(tǒng)的振動(dòng)篩分離固相的方式，推薦新型負(fù)壓固液分離器。巖屑機(jī)等清潔化生產(chǎn)設(shè)備可以改為無軸螺旋結(jié)構(gòu)，并與井口排量信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)聯(lián)，電機(jī)運(yùn)行速度與轉(zhuǎn)矩隨振動(dòng)篩分離固相的多少而實(shí)時(shí)改變。泥漿材料的輸送填裝加料裝置由智能化機(jī)械手與傳送帶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拾取、運(yùn)移、填裝泥漿材料，全過程無人化操作。

2.3 提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定和可靠性

對(duì)單臺(tái)單套老舊設(shè)備進(jìn)行逐步替換淘汰，YB 系列電機(jī)可用YBX3 系列高效節(jié)能電機(jī)替代，小電機(jī)啟動(dòng)采用無觸點(diǎn)接觸器啟動(dòng)控制，大電機(jī)變頻啟動(dòng)控制單元統(tǒng)一集成在VFD 房，減小啟動(dòng)電流，同時(shí)避免高溫腐蝕環(huán)境，提高設(shè)備的安全性和延長設(shè)備使用壽命。采用FF-H1 IEC61158-2 的雙線信號(hào)傳輸技術(shù)，支持總線供電和本質(zhì)安全防爆。對(duì)于新的固控系統(tǒng)裝備，采用全系統(tǒng)的智能化控制技術(shù)，通過系統(tǒng)集成，對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)控制單元進(jìn)行集中控制，運(yùn)用智能儀表，由中央處理器通過現(xiàn)場總線對(duì)設(shè)備自動(dòng)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。改進(jìn)老舊固控系統(tǒng)電氣設(shè)備的防爆控制箱。高溫銹蝕結(jié)露使箱內(nèi)的電氣元器件故障率更高，壽命一般僅有8 年。建議采用正壓防爆，通入清潔干燥的氣源，有效降低環(huán)境溫度和濕度，延長電氣元件使用壽命。對(duì)現(xiàn)有的離心機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)方法，將啟動(dòng)控制單元置于MCC 房內(nèi)，延長電氣元件壽命，便于檢維修。采用遙控或有線觸摸屏控制技術(shù)，便于現(xiàn)場操作離心機(jī)。

3 結(jié)束語

“十四五”時(shí)期，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%，國家對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)作為約束性指標(biāo)進(jìn)行管理。節(jié)能降耗、降本增效、綠色環(huán)保鉆井是鉆井企業(yè)生存發(fā)展的永恒主題。對(duì)現(xiàn)有的固控電氣設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，降低能耗，提高效率。充分利用成熟的自動(dòng)無功補(bǔ)償、變頻器、PLC、微機(jī)控制和萬物互聯(lián)技術(shù)，提高處理固相分離效率，為鉆井工程提供優(yōu)質(zhì)鉆井液，也是高效鉆井的必要保證。固控系統(tǒng)電氣設(shè)備智能化是未來發(fā)展必然趨勢，研究前景十分廣闊。