石油鉆機自動送鉆控制系統的設計

史亞貝，王 景

（河南工業職業技術學院，河南 南陽473000）

石油鉆機自動送鉆控制系統的設計

史亞貝，王 景

（河南工業職業技術學院，河南 南陽473000）

為降低司鉆工人的勞動強度，提高鉆井速度、降低鉆井成本，介紹了自動送鉆的發展狀況以及石油鉆機工藝，并闡述了以西門子S7-300PLC為中心的自動送鉆控制系統的設計。

鉆機；自動送鉆；控制系統

石油和天然氣是寶貴的能源和化工原料，為了尋找油氣藏和開采石油天然氣，需要鉆井。傳統的人工控制給進鉆井存在以下的缺點：

（1）司鉆長時間注意力高度集中，其精神、體力勞動強度大，極易疲勞，容易發生溜鉆或頓鉆事故。

（2）司鉆手持剎把控制給進，容易發生井斜和卡鉆等事故，送鉆質量人為因素較大。

（3）司鉆全憑經驗進行操作，導致鉆頭負荷變化較大，加快鉆頭的磨損。

對于石油開采工作來說，自動送鉆系統的應用能夠降低司鉆工人的勞動強度，更重要的是能提高鉆井質量、降低鉆井成本、提升鉆井效率。

本文設計了以西門子S7-300PLC為中心的自動送鉆控制系統，介紹了自動送鉆監控系統的人機界面設計，通過自動送鉆控制系統的設計，實現自動送鉆，降低鉆井成本，提高工作效率。

1 石油鉆機組成及工作原理

1.1 石油鉆機的組成

鉆機主要是由旋轉機構、鉆井液循環機構、起升機構、動力驅動設備、傳動系統、控制系統、鉆機底座等部分組成[1]。鉆機組成如圖1所示。鉆機各主要部分的功用如下：

（1）旋轉機構

帶動井下的鉆具或鉆頭通過旋轉、破碎巖石，并連接起升機構和鉆井液循環機構。

（2）鉆井液循環系統

通過鉆井泵將鉆井液送至鉆頭后沖洗井底，攜帶巖屑從井眼與鉆具間空隙帶出地面，以利正常鉆井。

（3）起升機構

主要是起升和放下鉆具、控制鉆壓送鉆方式、更換鉆頭、下套管等。動力通過傳動裝置來傳遞。

（4）傳動系統

工作部件與動力源之間的各種傳動設施。

（5）控制系統

根據鉆井工藝的要求，控制工作機器在操作時的反應速度、動作準確度，要求控制系統便于集中控制和自動記錄，操作者能夠保證鉆機各部件安全工作[2]。

（6）鉆機底座

用于安裝和固定鉆機上的各機構，滿足設備搬移與固定的要求。

圖1 石油鉆機組成

1.2 石油鉆機的工作原理

鉆機的主要運動部分由縱向運動和水平旋轉運動兩部分組成。

水平旋轉運動是由動力機組帶動鉆桿上的轉盤1來驅使鉆桿水平旋轉，帶動井底鉆頭旋轉，破碎巖石，保證鉆頭的持續向下鉆進。

縱向運動部分由絞車11帶動，通過游車15帶動整個鉆具，負責鉆具的起升（更換鉆頭或增加鉆桿）和下降（正常鉆進）。

鉆機中的輔助設備同樣必不可少，它能夠配合鉆進部分工作達到更好的鉆進效果。

2 鉆機機電控制系統的設計

2.1 組成

經過對石油鉆機的工作分析，進行其控制系統的設計[3]，主要組成部分及其作用如下：

（1）絞車控制機構

主要是控制井底鉆壓、鉆機自動送鉆和自動起下鉆。

（2）轉盤控制機構

控制轉盤的轉速和扭矩，平衡鉆機下鉆，實現最優鉆進。

（3）自動送鉆機構

一般采用液壓盤式剎車，主要用于控制絞車的下鉆速度，從而有效、精確地控制鉆壓。

（4）自動起下鉆程序

一般采用電機能耗制動剎車，用于更換鉆頭、起鉆、下放鉆頭的情況下實現無人操作，使工人工作更安全，控制效果更好。

（5）游車防碰系統

游車運行上、下限位置的自動計算，有效地防止游動系統超出限位碰到其他機構，從而防止事故的發生。

（6）MCC（電機控制中心）系統

統一管理配電和儀器設備，可以實現電機的起、停控制和簡單的故障檢測等。

（7）智能儀表系統

實現數據的實時采集和各參數的實時顯示。（8）智能送鉆操作和監視系統

具有鉆機操作和顯示報警的全部功能。

2.2 系統網絡原理

石油鉆機控制系統采用常用的西門子工業用PLC（s7-300）為控制核心。通過現場總線（PROFIBUS）把石油鉆機中的數字化設備組成Profibus-DP網絡，實現變頻器、鉆機電氣控制柜、MCC柜和人機交互界面等設備的高速通訊模塊，該模塊可以實現遠程監測與控制，方便工人在惡劣天氣進行鉆機操作。

通過Profibus-DP構建的網絡連接，能夠實現參數的雙向傳遞，可以對系統各裝置的遠程數據傳輸和故障監控。網絡連接示意圖如圖2所示。

2.3 控制系統硬件組成

石油鉆機控制系統由上位計算機、PLC和智能儀表設備組成，主要硬件見表1.

其中上位計算機包括：工業控制上位計算機、觸摸屏顯示器。觸摸屏包含運算與圖形編輯等功能，不僅能夠監控實際鉆井過程中的鉆機狀態，還可以遠程控制鉆機部分主要功能。工業控制計算機和觸摸屏顯示器能夠同時顯示多個監控畫面，主要負責各參量的監控、參數設置以及報表的生成、打印等[4]。

為了增加系統的穩定性，石油鉆機自動控制系統的設計2臺西門子S7-300的PLC.2臺PLC的功能完全相同，構成冗余系統，1臺處于工作狀態時，另一臺備用，備用的PLC通過PROFIBUS網絡總線實時監控工作機PLC狀態，若工作PLC出現故障，備用PLC自動轉為工作狀態。這種冗余系統能夠保證石油鉆機自動系統一直處于穩定的工作狀態，實現鉆井工作無間斷進行。

2.4 控制系統監控點數

鉆機控制系統的輸入輸出量較多，常用傳感器有：重力傳感器、扭矩傳感器、轉速傳感器、壓力傳感器、手把電位器等。部分監控點見表2、表3.

表2 模擬量監控表

表3 數字量、開關量監控表

2.5 控制系統人機界面設計

根據石油鉆機系統的特點，選用Wincc flexble工控組態軟件，觸摸屏人機界面的設計如圖3所示。

3 結論

石油鉆機自動送鉆控制系統是根據石油鉆井工藝及石油鉆井安全要求設計的一種新型的智能控制系統。自動送鉆系統能夠不依靠司鉆人員調節，而是按照鉆井工藝要求，通過控制系統自動調節鉆壓、轉速、送進鉆具。

經過實驗，自動送鉆控制系統的應用不僅降低司鉆工人的勞動強度，而且降低鉆井成本、提高鉆井效率。

[1]高 巖.石油鉆機自動送鉆智能控制系統[D].西安：西安建筑科技大學，2004.

[2]陳勇剛，席志鵬.石油鉆機自動送鉆控制系統研究[J].科技視界，2016（12）：144.

[3]李 嶺.石油鉆機自動送鉆系統和模擬加載系統研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013.

[4]劉 建，張 力，馬 武.模糊控制器在石油鉆機自動送鉆系統中的應用[J].機械與電子，2013（01）：40-43.

[5]張 偉，任建庭，高冬東.石油鉆機自動送鉆監控技術的現狀與發展趨勢[J].石油機械，2010（05）：87-91.

Design of Automatic Drilling System for Oil Drilling Rig

SHI Ya-bei，WANG Jing
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang Henan 473000，China）

In order to reduce the labor intensity of the workers，improving drilling speed，this paper introduces the development of automatic drilling and the technology of oil drilling rig.Then，the design of automatic drilling control system based on SIEMENS s7-300PLC is expounded.

drilling rig；automatic drilling；control system

TE922

A

1672-545X（2017）08-0062-02

2017-05-27

“石油鉆機自動送鉆系統的設計”（2015-KJGG 37）

史亞貝（1983-），女，河南三門峽人，講師，碩士研究生，研究方向：機械制造及其自動化。