石油鉆機電氣自動送鉆控制研究

劉亮

（中石化中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南 開封 475300）

一、石油鉆機組成及工作原理

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。

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。水平旋轉運動是由頂部驅動裝置或轉盤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帶動，通過游車帶動整個鉆具，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。

二、電氣自動送鉆系統

電氣自動送鉆系統指電動（拖動源為電力）式、輸出給進量通過電氣調節控制的送鉆裝置。與其他方式相比較，具有動力穩定、響應速度快、滾筒能夠雙向轉動的優點，目前是鉆機，特別是電動鉆機送鉆裝置采用的主流方式，其中電動鉆機的又分為單獨電機拖動、絞車電機拖動兩種。這兩種方式除傳動機構變比對控制精度有影響外，電氣系統結構完全一致，即：輸出給進量采用負反饋外閉環PI 電氣控制器，內環采用速度或轉矩控制的電氣執行機構。一種目前比較常用的電氣執行機構為速度控制的自動送鉆系統，控制框圖如圖1 所示。

圖1 中，電氣控制系統中的PI 控制器和限幅器，既可以采用單獨系統，如PLC 等硬件實現，也可以采用某些電氣調速系統中預存的功能軟件實現；為保證控制精度，電氣執行機構一般要求帶有速度反饋的轉矩或速度控制系統，機械執行機構為包括傳動箱、滾筒、鋼絲繩、大鉤、鉆桿等在內的機械部分。

圖1 送鉆系統控制框圖

三、常用送鉆方式及其控制

常用送鉆方式指給進量或輸出量所選用的方式，一般有恒鉆速、恒鉆壓、恒壓差、恒轉矩等。下面簡單介紹以上4 種方式的控制和優缺點。

（一）恒鉆速

恒鉆速要求滾筒或鉆頭在下行（一個）方向以恒定的速度運行即可，即框圖1 中給進或輸出量為速度；由于鉆頭在井底，無法測出實際速度，因此組成控制系統時，沒有外閉環，γ ＝0、PI 控制器只用比例或者去掉，只有電氣和機械執行機構，以電機的速度間接反應實際鉆速。根據鉆機的成本要求和實際工作特點，電氣執行機構中，直流可逆調速系統只適用于單獨電機（他勵）拖動的自動送鉆，其余的包括采用絞車電機的送鉆，目前絕大多數為交流變頻調速系統。

該方式的優點是控制系統簡單、操作方便，缺點是只能在特殊的地層段使用。

（二）恒鉆壓

恒鉆壓要求井底鉆頭上的鉆壓保持恒定。即：圖1 中的給進或輸出量為鉆壓（kN）；由于鉆頭在井底，無法測出實際鉆壓，通過安裝在死繩上的液壓傳感器，將鉆重或懸重對應的拉力（kN）信號轉換為0－10V 或0（4）－20mA 的電流信號，間接計算鉆壓。計算方法為：當鉆柱全部懸吊時，鉆頭離開井底，大鉤的負荷為懸重，鉆進時，把一部分鉆柱重量加在井底，此時的大鉤負荷為鉆重，則鉆壓＝懸重－鉆重。設計時需根據最大懸重調整實際測量通道γ 的數值，使其盡量提高鉆壓精度；電氣調速系統的選用原則同上，一般為由交流變頻器組成的調速控制系統。該方式的優點是適合絕大多數地層段，缺點是鉆壓較低時，控制精度較差。

（三）恒壓差

恒壓差送鉆要求井底壓力保持為恒定壓力差，這是最近幾年采用的新型鉆井工藝。圖1 中的給進或輸出量為壓力差（kN）；根據泥漿管線承壓能力設定一個工作時的最高壓力，通過安裝在泥漿泵出口或鉆臺立管上的液壓（0－50MPa）傳感器檢測實際壓力（轉換為0－10V 或0（4）－20mA）；設定最高壓力－實際壓力＝實際壓力差作為反饋量，給進壓力差和實際壓力差經電氣控制系統運算后再控制電氣執行機構，通過機械執行機構調整鉆頭與井底之間的距離（鉆壓）實現恒壓差控制；設計時需根據最大壓力調整實際通道γ 的數值，使其盡量提高壓力精度；電氣調速系統的選用原則同上。該方式的優點是鉆進速度快，缺點是設定最高壓力不易確定。

（四）恒扭矩

恒扭矩以頂驅輸出扭矩恒定為控制目標，為達此目的，需要構造扭矩負反饋閉環控制單元，該單元一般配置成P（比例）或PI（比例＋積分）控制器。頂驅的實際扭矩檢測一般通過為其供電的電控裝置通過其I/O接口間接獲得。控制精度取決于控制單元的基礎精度和供電裝置扭矩的字長。

四、注意事項

由于目前組成電氣控制系統時普遍采用16 位或32 位數字控制技術，加上電氣運算速度很快，因此圖1 中在恒鉆壓和恒壓差送鉆方式下，電氣控制系統在實際運行中，PI 和限幅控制器需要根據鉤載的大小區別對待或者根據鉆井深度自動進行PI 到P、雙向到單向輸出限制的結構變換，這是因為電氣控制和執行系統精度（最低為1／16384 ＝0.006%）很高，由于傳動箱齒隙、滾筒變形、鋼絲繩伸縮、鉆桿彈性、井深、地層變化等因素影響，機械執行機構很難達到電氣精度的要求，當控制器為PI、限幅器雙向時，為保證精度要求，控制系統將一直不停地進行調節，導致拖動電機頻繁的正、反向運轉，引起變速置和電機嚴重發熱，特別是5000m 以上鉆機和4000m 以上井深在用絞車電機拖動的工況時更為突出，當只在比例和單方向運行時，精度雖然降低了很多但仍然高于機械式，但能夠有效地降低發熱和能量損耗。

鉆井行業的發展趨勢必然是電氣化，數字化。自動送鉆作為輔助鉆井的一項裝置，其穩定性，省效性，可靠性都是不可或缺的。