自動送鉆技術的現狀與展望

賴正友

南興裝備股份有限公司

自動送鉆技術的現狀與展望

賴正友

南興裝備股份有限公司

研究自動送鉆技術可以提升機械鉆桿速率與井身質量，減少鉆頭部件的磨損與井下事故的發生，以此保障鉆機的可持續發展。自動送鉆技術的硬件機構，包括有信號檢測變送單元、控制單元、變頻器及執行機構單元、上位機監控單元，通過闡述交流變頻技術在鉆機中的應用，最后提出盤式剎車自動送鉆與系統智能鉆井裝置將成為自動送鉆裝置的首要發展方向。

鉆機；自動送鉆；交流變頻；智能鉆機

1.自動送鉆的基本原理

所謂的自動送鉆，即保持鉆頭對鉆井底的鉆頭壓力穩定，同時需要系統控制鉆機主滾筒的剎車部件，以此使鉆頭縱向送進井底。融合計算機控制技術，倘若聯系井底鉆壓與主滾筒剎車部件，以此直接或者間接促使鉆頭縱向自動控制，便可以保障鉆頭自動送鉆。自動送鉆技術的基礎便是以鉆頭端頭出死結繩錨來感知系統負載，即在鉆頭端口可以感知到系統載荷，以此與輸入鉆壓值進行數據參考，數據隨之流向系統中央服務器，集成出自動送鉆決策。中央服務器端口可以控制主滾筒剎車部件，依照輸出數據調節游車大鉤縱向與鉆桿回轉運動，以此實現系統自動送鉆。

2.自動送鉆技術的硬件構成

系統自動送鉆技術硬件框架包括有信號檢測變送單元、控制單元、變頻器及執行機構單元與上位機監控單元，以系統中央服務器控制子單元不斷協調，以此促使系統數據的處理與自動送鉆決策的集成，以下為自動送鉆技術框架。

圖1

2.1 信號檢測變送單元

信號檢測變送單元即為鉆壓數據輸送系統，包括有指重鉆壓、鉆具扭矩、鉆井泵泵壓、鉆具轉速與鉆桿游車傳感變送器。系統控制部件交互協調，以此促進數據信號的監測變送，同時，對系統輸出信號而言，指重鉆壓、鉆具扭矩、鉆井泵泵壓以4—20mA為標準，而鉆具轉速、鉆桿游車傳感變送器則以0或者5V電平信號為標準。

2.2 控制單元

系統控制單元即為系統控制服務器端口，屬于系統整體核心部件。以控制單元端口的控制器來采集或者演示鉆機數據信息，并且在中央服務器中進行數據信息的處理，以此集成出控制鉆機決策。

2.3 變頻器及執行機構單元

變頻器及執行機構單元即為進行系統電流信號的變流，系統微機以4—20mA的電流信號輸出，信號數據傳遞至變頻器端口，此時系統控制輸出電壓為0—600V,輸出頻率為0—200Hz的電流信號，以此對鉆機絞車主電動機進行調速，而主電動機連接鉆桿，根據需要輸出信號來控制鉆井速度。除此之外，執行機構單元中數字編碼器在主電動機輸出信號后，反饋脈沖信號至系統速度控制端口，脈沖信號隨之參與鉆桿控制。

2.4 上位機監控單元

上位機監控單元即為對系統送鉆的監測，屬于自動送鉆系統的關鍵部件。為保障系統送鉆的可靠性，監測系統可謂是至關重要，所以說在單元配置上要求較高，硬件基本配置包括有CPU奔騰處理器、256M內存、40G以上固態硬盤；軟件基本配置包括有Window s98、Window s2000、監控輔助軟件。上位機操作系統負責顯示保持鉆機穩定所需要的系統參數，并且對鉆機進行數據記錄、數據設置、資料查詢與打印等。

3.交流變頻電驅動鉆機中的自動送鉆系統

隨著自動送鉆技術的不斷發展，系統隨之逐漸延伸，包括有盤式剎車自動送鉆系統、蝸輪蝸桿自動送鉆系統、液壓缸自動送鉆系統。研究自動送鉆技術，促進鉆機部件不斷發展，以此保障鉆機市場的可持續發展。課題以交流變頻電動鉆機為例，著重研究交流變頻技術框架。1990年，交流變頻電動鉆機的興起代表著世界鉆機技術的革新，90年代后期，中國鉆井研究部門以交流變頻調速技術融合到石油鉆采中，尤其為電驅動鉆機，在當時頗受青睞。以交流變頻取代機械與直流鉆機，融合交流變頻調速技術，促使鉆機工藝不斷提升，簡化系統機械框架，保障系統后期維護保養工作，以此提升系統可靠性、穩定性與移運性。交流變頻電動鉆機在絞車部件上，有著質量輕巧、維護便捷的優勢，并且送鉆調速范圍寬，可以直接無級調速，以低速扭矩恒定輸出，以此促進鉆機的數控自動，保障鉆井效率與鉆機工藝的提升。交流變頻電動鉆機系統控制準確，操控簡單，使鉆機工藝擺脫傳統體力勞動，著重于鉆井操控技巧與數據參考。

4.自動鉆井技術展望

伴隨著電動鉆機、噴射柴油發動機與換擋液力變速箱的普及，可以隨時檢查或者管控鉆機的系統部件，以此維持系統部件扭矩與鉆桿速度。以嚴苛的比例控制技術來對剎車部件、電動機部件、絞車控制部件、轉盤與鉆井泵進行控制，促使鉆機以標準、科學的工藝參數進行自動鉆井，所以說需要研究部門不斷實驗工藝參數，以此尋找系統最優控制參數。隨著自動鉆井技術的不斷拓展，融合頂部驅動鉆井部件、MWD與LWD等，鉆井技術不久便可以脫離人工調試，以系統智能展現出來。未來鉆井技術的研究發展著眼于盤式剎車自動送鉆與系統智能鉆井，所以說需要深入研究盤式剎車、鐵鉆工，以此促使鉆井技術不斷發展，從而提升鉆井效率，保障鉆井安全。

結語

研究自動鉆井技術，選擇科學的控制方式與剎車框架，以此保障自動送鉆系統控制性能，提升鉆井效率。隨著鉆井技術的不斷拓展，自動送鉆執行機構與控制器隨之不斷延伸，控制精準度也逐漸提升。分析自動送鉆技術基礎概念與系統框架，不斷研究交流變頻技術與全液壓自動送鉆技術，促使鉆井逐漸走向節能技術與智能技術。

[1]付勃.基于鉆壓優化的自動送鉆系統研究[D].西安石油大學,2012.

[2]華鵬濤.交流變頻鉆機自動送鉆系統的研究[D].西安工程大學,2013.