直流鉆機司鉆操作技術現(xiàn)狀及優(yōu)化方案

李慶福，王飛，張彥偉，史金紅，李娜，李博，王輝，秦弈涵，邱立波

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

目前直流鉆機司鉆房內的司鉆操作臺布滿了各種調速手輪、手柄、顯示屏、指示燈、開關等元器件，導致司鉆操作不方便并且信息化及自動化水平低，同時很多關鍵鉆井設備參數(shù)司鉆無法監(jiān)控，影響鉆機的安全性及可靠性。操作臺上操作元器件過多最終導致司鉆房整體尺寸加大，增大鉆臺面的使用面積及影響其他設備的擺放。

為了提高司鉆操作的便捷性及鉆機信息化和自動化水平，必須對司鉆操作進行優(yōu)化設計，以保證鉆機安全可靠運行。取消司鉆操作臺上各種調速手輪、手柄、指示燈、開關等元器件，配置電控觸摸屏，將相關系統(tǒng)設備集成到鉆機電控系統(tǒng)內，并在電控觸摸屏上進行參數(shù)監(jiān)控及操作控制。使司鉆能夠實時監(jiān)控鉆井相關參數(shù)并掌握各相關設備運行情況，減少設備故障率，提高生產效率。現(xiàn)場信息的集成是過程控制系統(tǒng)的要求，對現(xiàn)場設備通過傳感器進行信息采集，按照控制器PLC 的指令對現(xiàn)場設備進行控制[1]。司鉆操作優(yōu)化設計后將大大降低司鉆操作臺的尺寸，從而可減小司鉆房的尺寸，增加鉆臺面的使用面積。

1 直流鉆機司鉆操作技術現(xiàn)狀

直流鉆機司鉆房內主要安裝了鉆機電控系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、獨立數(shù)顯防碰裝置、開關類電控操作設備、手柄類氣控氣操作機構的相關元器件，用于司鉆操作，導致司鉆操作臺布滿了各種調速手輪、手柄、顯示屏、指示燈、開關等元器件。

1.1 鉆機電控系統(tǒng)

采用SCR 可控硅技術將交流母排的600 V 交流電源轉換為0～750 V 連續(xù)可調的直流電，通過接觸器指配開關進行切換，控制驅動轉盤、絞車及泥漿泵的直流電動機，拖動性能滿足轉盤、絞車及泥漿泵的傳動要求。

在司鉆房配置轉盤、絞車及泥漿泵的調速手輪用于相應設備調速，配置轉盤、絞車及泥漿泵的啟停開關用于相應設備啟停控制，配置轉盤、絞車及泥漿泵的運行指示燈用于相應設備運行指示，配置自動送鉆觸摸屏用于自動送鉆控制及顯示。

配置SCR 柜運行指示燈用于相應SCR 柜運行指示，配置柴油發(fā)電機組運行指示燈用于柴油發(fā)電機組運行指示。

1.2 鉆井儀表系統(tǒng)

鉆井儀表系統(tǒng)為獨立儀表系統(tǒng)，在司鉆房內配置獨立的儀表顯示屏、機械指重表、機械立管壓力表、機械吊鉗轉矩表用于儀表參數(shù)顯示。鉆井儀表系統(tǒng)用于顯示懸重、鉆壓、立管壓力、吊鉗轉矩、泵沖及排量、累計泵沖、轉盤轉速、頂驅轉速、轉盤轉矩、頂驅轉矩、大鉤位置、大鉤速度、出口泥漿返回量、泥漿罐泥漿體積（液位）、井深、鉆頭深度、噸公里等參數(shù)。

1.3 獨立數(shù)顯防碰裝置

在司鉆操作臺上配置1 個獨立數(shù)顯防碰裝置，用于檢測游車高度，并將報警點和上碰下砸點信號傳輸給鉆機電控系統(tǒng)PLC，由鉆機電控系統(tǒng)PLC 控制盤剎車。獨立數(shù)顯防碰裝置和鉆機電控系統(tǒng)共同完成游車電子防碰功能，保證鉆機的安全使用。

1.4 開關類電控操作設備

在司鉆房操作臺上配置了液壓貓頭操作開關、灌漿泵啟停開關等電控操作開關，用于相關設備的司鉆房啟停等操作。這使得司鉆房操作臺上布置了大量的開關，司鉆操作很不方便并且增加操作臺的面積。

1.5 手柄類氣控氣操作機構

在司鉆房操作臺上配置了轉盤慣剎手柄、絞車擋位選擇、滾筒高低速等氣控氣操作手柄，通過手柄控制氣控閥的輸出來控制執(zhí)行機構動作，以達到例如轉盤慣剎動作及絞車換擋的目的，這使得司鉆操作臺上布置了大量的氣控氣操作手柄。

1.6 機械壓力表

在司鉆房操作臺上配置轉盤潤滑油壓機械表、絞車潤滑油壓機械表等機械表頭用于顯示相關設備壓力，這使得司鉆房操作臺上布置了大量的機械表頭，司鉆不易查看并且沒有報警提示。

1.7 直流鉆機司鉆房操作臺布局

目前直流鉆機司鉆房操作臺布局如圖1 所示。

2 直流鉆機司鉆操作優(yōu)化設計方案

2.1 鉆機電控系統(tǒng)優(yōu)化

取消轉盤調速手輪、絞車調速手輪、泥漿泵調速手輪、轉盤啟停開關、絞車啟停開關、泥漿泵啟停開關、指配開關、自動送鉆觸摸屏、電控系統(tǒng)設備運行指示燈、柴油發(fā)電機組運行指示燈等，配置2 臺電控觸摸屏，正常情況下，一臺作為電控監(jiān)控屏，一臺作為鉆井儀表參數(shù)顯示屏，當有一臺故障時，可相互切換顯示2 種軟件界面，2 臺電控觸摸屏均布置在司鉆前方的操作臺上。

電控觸摸屏設計人機界面，通過相關組態(tài)軟件實現(xiàn)控制界面制作、控制變量建立、相關屬性設置等[2]。人機界面主要包括操作控制區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、參數(shù)設置區(qū)等，通過電控觸摸屏與電控系統(tǒng)PLC 的通信實現(xiàn)相關設備的操作控制、狀態(tài)顯示和參數(shù)設置。

1）自動送鉆操作和顯示技術。電控觸摸屏具有原自動送鉆觸摸屏的全部功能，可在電控觸摸屏上進行自動送鉆的參數(shù)設置、參數(shù)顯示、命令發(fā)送，滿足恒鉆壓及恒鉆速自動送鉆功能。

圖1 目前直流鉆機司鉆房操作臺布局

2）關鍵參數(shù)設置及顯示技術。由于老式直流鉆機沒有單獨的電控觸摸屏，所以轉盤、絞車及泥漿泵的相關參數(shù)無法顯示，增加電控觸摸屏后，可在電控觸摸屏上進行轉盤、絞車及泥漿泵的參數(shù)設置、參數(shù)及狀態(tài)顯示、命令發(fā)送等功能，實現(xiàn)轉盤、絞車、泥漿泵的調速功能和啟停功能等。司鉆可實時查看轉盤、絞車及泥漿泵的所有相關信息，指導司鉆進行相關作業(yè)，同時也增加了鉆機的安全性。

在電控觸摸屏上實現(xiàn)指配開關的功能。完成鉆機在不同鉆井工況下，通過指配開關實現(xiàn)SCR 柜控制不同的驅動設備，滿足鉆機的實際使用要求。電控觸摸屏通過與鉆機電控PLC 之間的通信線實現(xiàn)命令發(fā)送，同時鉆機電控PLC 與SCR 柜之間的通信實現(xiàn)SCR 柜控制轉盤、絞車及泥漿泵設備的各種工況輸出組合。

3）柴油發(fā)電機組遠程啟停操作及顯示技術。柴油發(fā)電機組的運行信號及使用功率信息接入鉆機PLC 并通過Profibus 通信方式傳輸給司鉆房內的電控觸摸屏，在電控觸摸屏上進行柴油發(fā)電機組的運行及使用功率顯示。同時可在電控觸摸屏上設置柴油發(fā)電機組遠程啟停按鈕，在司鉆房對柴油發(fā)電機組進行遠程啟停控制。這將提高司鉆操作的便捷性并且司鉆可通過監(jiān)視各柴油發(fā)電機組的功率使用情況決定柴油發(fā)電機組的開啟數(shù)量，可以節(jié)能增效，產生很好的經濟效益，也可減少機組排污對空氣的污染。

4）控制系統(tǒng)冗余備份技術。鉆機電控系統(tǒng)控制方式由單PLC+BYPASS（應急旁路硬線連接）方式變更為雙PLC（冷備冗余），原單PLC+BYPASS 方式存在單PLC 出現(xiàn)故障時，BYPASS 應急旁路硬線連接控制時鉆機不具備電子防碰功能及相關互鎖保護功能，降低鉆機安全性。采用雙PLC（冷備冗余）后，當1 個PLC 出現(xiàn)故障時，可通過PLC 切換開關切換至另一套PLC，使鉆機具備電子防碰功能及相關互鎖保護功能，保證了鉆機能夠繼續(xù)使用的同時增加了鉆機的安全性。

PLC 技術維修簡單，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，司鉆可根據故障診斷信息對系統(tǒng)進行分級式檢測，可迅速找到問題所在。PLC 技術對自動化控制進行邏輯性控制、數(shù)據信息控制、模擬化控制等[3]。

5）數(shù)據遠程傳輸技術。鉆機電控系統(tǒng)預留遠程數(shù)據傳輸接口，通過無線遠傳的方式將鉆井設備相關信息傳輸給后臺隊長辦公室，井隊隊長可在隊長辦公室內實時查看鉆井相關數(shù)據。做到信息共享，提高信息化水平，同時對井隊的安全作業(yè)又增加了一份保障。

2.2 鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設計

取消直流鉆機獨立鉆井儀表系統(tǒng)的儀表顯示屏及各類機械液壓表頭，由鉆機電控系統(tǒng)集成鉆井儀表系統(tǒng)所有參數(shù)在電控觸摸屏上進行顯示及設置。儀表系統(tǒng)配置OPC 服務器與鉆機電控系統(tǒng)PLC 進行通信，將儀表系統(tǒng)參數(shù)傳輸給鉆機電控系統(tǒng)并在司鉆房內的電控觸摸屏上進行顯示及設置。取消直流鉆機獨立鉆井儀表系統(tǒng)的儀表顯示屏及各類機械液壓表頭后節(jié)省了司鉆操作臺的空間。

2.3 獨立數(shù)顯防碰裝置優(yōu)化設計

取消獨立數(shù)顯防碰裝置，由鉆機電控系統(tǒng)集成游車電子防碰功能（防上碰下砸），在電控觸摸屏設計游車電子防碰界面。在絞車滾筒軸安裝一只絕對值編碼器，由PLC 采集編碼器信號,精確計算出當前游車的位置,并與設定的防止上碰下砸位置進行比較。當游車到達預警位置,將通過數(shù)控程序，發(fā)出預警指令信號，控制絞車電動機進入安全速度；當游車到達限定位置，再發(fā)出急停指令信號,通過盤剎電磁閥驅動盤剎剎車。取消獨立數(shù)顯防碰裝置后將消除前期兩個系統(tǒng)間接口對接時可能存在的錯誤，并節(jié)省了司鉆操作臺空間，增加鉆機的安全性和可靠性。

2.4 開關類電控操作設備優(yōu)化設計

取消液壓貓頭操作開關、灌漿泵啟停開關等設備電控操作開關，將此類設備集成在鉆機電控系統(tǒng)內，在電控觸摸屏上設置相關設備的操作開關代替原物理開關，通過鉆機PLC 系統(tǒng)對相關設備進行控制，并且將反饋信號接入鉆機電控系統(tǒng)PLC，在電控觸摸屏上進行顯示，PLC通過相關反饋信號狀態(tài)進行相應的程序控制，滿足鉆機電氣互鎖要求，保證鉆機設備動作有序進行。取消液壓貓頭操作開關、灌漿泵啟停開關等設備電控操作開關后將大大節(jié)省司鉆操作臺的空間。

2.5 手柄類氣控氣操作機構優(yōu)化設計

取消司鉆房操作臺上的轉盤慣剎、絞車擋位選擇、滾筒高低速等氣控氣操作手柄，將控制方式由氣控氣變更為電控氣，將原氣控氣閥組變更為電控氣的電磁閥組。將上述手柄操作集成在司鉆房電控觸摸屏上，通過電控觸摸屏對電控系統(tǒng)PLC 發(fā)送指令，PLC 接收到指令后由PLC 控制相應的電磁閥，進而控制執(zhí)行機構完成例如轉盤慣剎剎車、絞車擋位變換、滾筒高低速轉換等。提高了司鉆操作便捷性及參數(shù)可監(jiān)控性，取消大量的氣控氣手柄將節(jié)省司鉆操作臺的空間。控制方式由氣控氣變更為電控氣后將縮短氣路管線長度，縮短響應時間，執(zhí)行機構能夠更快速地動作。另外，在嚴寒地區(qū)冬季氣溫太低的情況下，縮短氣路管線長度將大大降低氣路管線及氣控閥故障。

2.6 機械壓力表的優(yōu)化設計

取消轉盤潤滑油壓機械表、絞車潤滑油壓機械表等機械表頭，配置轉盤潤滑油壓及絞車潤滑油壓等壓力傳感器（4～20 mA），將電信號接入鉆機電控系統(tǒng)PLC 中，由鉆機電控系統(tǒng)PLC 與司鉆房電控觸摸屏進行通信，在司鉆房電控觸摸屏上顯示各類油壓等模擬量參數(shù)。司鉆可以直觀地在電控觸摸屏上查看相關參數(shù)，并且電控系統(tǒng)可實時監(jiān)測油壓等參數(shù)，當參數(shù)異常時進行報警提示。取消轉盤潤滑油壓機械表、絞車潤滑油壓機械表等機械表頭將大大節(jié)省司鉆操作臺的空間。

2.7 安全急停方案設計

出于安全考慮，司鉆操作臺仍保留盤剎急停按鈕、柴油發(fā)電機組急停按鈕、SCR 系統(tǒng)急停按鈕，當出現(xiàn)緊急事故時司鉆可按下相應的急停按鈕，保證鉆機及人員的安全。

2.8 優(yōu)化后的司鉆房操作臺布局

優(yōu)化后的司鉆房操作臺布局如圖2 所示，司鉆左手邊布置1 個電磁渦流剎車手柄，用于絞車輔助剎車。司鉆右手邊布置1 個絞車盤剎手柄、1 個盤剎急停按鈕、1 個柴油發(fā)電機組急停按鈕、1 個SCR 急停按鈕，其中絞車盤剎手柄用于絞車主剎車，盤剎急停按鈕用于盤剎急停，柴油發(fā)電機組急停按鈕用于柴油發(fā)電機組急停，SCR 急停按鈕用于鉆機SCR 柜急停。

司鉆前方布置2 臺電控觸摸屏，用于相關鉆井設備的操作控制及參數(shù)顯示等，正常情況下，1 臺作為電控監(jiān)控屏，1 臺作為鉆井儀表參數(shù)顯示屏，當有1 臺故障時，可相互切換顯示2 種軟件界面。控制系統(tǒng)采用雙PLC（冷備冗余），當1 個PLC 出現(xiàn)故障時，可通過PLC 切換開關切換至另一套PLC，使鉆機具備電子防碰功能及相關互鎖保護功能，保證了鉆機能夠繼續(xù)使用的同時增加了鉆機的安全性。

圖2 優(yōu)化后的司鉆房操作臺布局

3 結 語

通過相關系統(tǒng)設備集成化設計簡化司鉆操作臺，由電控觸摸屏操作代替原物理開關、手輪、指示燈等電器元件，提高了司鉆操作的便捷性及鉆機的安全性和可靠性，司鉆可以通過電控觸摸屏對相關鉆井參數(shù)進行監(jiān)控及設置，并具有故障診斷功能，幫助司鉆迅速解決故障，提高了鉆機信息化及自動化水平，提高了鉆井效率及經濟效益。