寶石70DB鉆機應急電機分離控制在現場的應用

夏明星 蔡山順 任佳樂

川慶鉆探工程有限公司，中國·四川 成都 610000

1 引言

本著鉆井設備服務鉆井工程的原則，鉆井設備在鉆井工程中擔任著重要角色，是鉆井工程開展的前提和保障。在鉆井設備出現異常時，如何采取應急手段及時活動鉆具、建立井下循環，保證井下安全就成了現場維護人員的工作重點。

2 寶石70DB 鉆機的基本特點

寶石70DB 鉆機主要由電驅轉盤、泥漿泵、絞車以及應急電機（AD）、鉆機支持模塊（包括西門子CPU、PLC、發電機組與控制模塊、泥漿泵模塊等）、井架及天車、電氣設備、儀表設備、井控系統等幾部分組成。轉盤、泥漿泵、絞車動力由CAT3512型發電機發出600V交流電經變頻器提供動力。應急電機既可由600V 經變壓器提供400V 的動力，也可由輔助發電機直接提供400V 的動力。寶石70DB 鉆機系統的控制信號由220V 的交流電通過直流電源整流成24 伏直流電而成。控制信號由24 伏直流電壓提供，經CPU 處理，由PLC 執行，繼而對鉆機電氣設備進行控制、操作，達到鉆機設備正常運行的目的。寶石70DB 電力驅動主要由動力電與控制電組成，動力電和控制電任何一部分出現問題的情況下，都會使鉆機設備出現故障，從而造成司鉆無法操作，長時間的故障狀態下可能會造成嚴重的井下事故。如何保證電控系統在電動鉆機運行中的穩定性，這兩部分也是電控工作的重點[1]。

3 寶石70DB 鉆機控制系統分離的研究背景

陸地鉆機是實現海上石油與天然氣勘探開發的關鍵設備。隨著陸上油氣開發力度的不斷加大和技術的日益成熟，為適應不斷加深的鉆井井深，更加復雜多變的井下情況。使用設備穩定性更好、人員操作更簡便、操作精準度更高的電動鉆機代替傳統的機械鉆機已成為設備改革更新的一種趨勢。

陸地鉆機區別于海洋鉆機的搬安模式，陸地鉆機每一口井完井之后都需全部撤除、打包進行搬安。在這個過程中，由于頻繁打包、運輸的過程會對設備造成損壞，影響設備穩定性，加之地區差異，氣候原因，特別是中國四川地區的高濕度環境對電動鉆機電氣設備帶來了嚴峻的考驗，保證設備穩定，避免設備故障變得尤為重要。

四川地區的油氣開發存在高壓、高風險、高含硫的巨大風險。井控風險，井下風險巨大，本著鉆井設備服務鉆井工程的原則，保證設備可靠運行就成為了設備管理工作的基本原則。井下風險很多，通過設備處理消除風險也是鉆井作業最基本的手段。通過設備運行保持泥漿泵運行建立井下循環、通過頂驅轉動保證鉆具轉動、通過絞車運行保證鉆具上下活動又是其中最常用最有效的方法。在特殊情況下，能夠使用其中一種手段就能避免大多數的井下復雜，挽救重大經濟損失。

ZJ70DB 鉆機設計原理本應是將泥漿泵、絞車電機與應急電機分開控制。正常時使用絞車電機進行作業，在特殊情況下使用應急電機進行應急處理，能夠有效滿足現場實際生產情況。但由于寶石70DB 鉆機將兩者的控制系統合二為一，導致應急功能缺失，特殊情況下不能滿足現場工藝要求。

荷深一井鉆進作業中，井下井控風險、卡鉆的風險特別大。由于泥漿泵控制線在運行過程中抖動較大，控制線與機身殼體長時間摩擦，使控制線絕緣層破損與機身殼體接觸，導致控制電源接地丟失，現場所有設備控制信號缺失，操作人員無法對設備進行操作，現場電控設備出現嚴重故障。經過近一小時的排查解除故障，但由于長時間的鉆具靜止，導致井下卡鉆事故造成近百萬的經濟損失。任何一處的控制線問題都有可能造成現場設備故障甚至井下事故。任何一處電控系統的故障也有可能造成嚴重的損失。如何保證電控系統穩定性及在設備故障狀態下現場也能有備用手段保證井下安全，這就是我們考慮將寶石70DB 鉆機應急電機控制從總系統分離出來的緣由。

4 寶石70DB 鉆機AD 控制系統改造

寶石70DB 鉆機原弱電控制系統所有的控制信號均由同一直流電源提供，控制信號繁多，控制對象多達40 余個，任一控制對象出現問題就可能造成全部系統癱瘓，鉆井現場惡劣的作業環境也給設備保證帶來了極大的難度。出于此原因，給AD 控制系統單獨提供控制電源，避免其他控制信號對其的影響，保證了特殊情況下AD 電機能夠正常使用。

AD 控制單元如圖1所示。

圖1 應急電機控制電源圖

RMIO 模塊即為AD 的控制模塊，自動送鉆電機所有設備的動作均由控制模塊發出信號。通過控制原理分析，只需從源頭上將RMIO 模塊分離出來就能達到分離目的。通過原理圖分析，應急電機控制模塊電源由X22-1、X22-9 提供，只需將X22-1、X22-9 兩個接口的電源接入點從系統中分離出來單獨提供電源就能夠達到分離AD 控制系統的目的。

RMIO 模塊為遠程輸入輸出模塊，應急電機通過RMIO模塊來實現與通訊網的數據傳輸。通過RMIO 模塊可以將采集的數據送到通訊網，同樣CPU 發出的控制信號也可以通過RMIO 模塊控制應急電機[2]。

在改變電源接入后，通過實驗人為斷掉原有的控制信號模擬控制系統崩潰的情況。發現其他設備依然出現故障的情況下，應急電機能夠正常使用，證明應急電機控制系統分離出來，單獨控制的改造成功實現。

5 AD 分離控制后在現場的兩次應急使用

龍崗001-32 井，鉆進作業中，絞車電機突然發生故障造成停機，導致鉆具不能上下活動鉆具。在控制系統沒分離控制前，就不能實現鉆具上下活動。如果一直開泵循環而鉆具不能上下活動，鉆頭水眼一直沖洗井底，可能造成井眼垮塌擴大，形成“大肚子”，極易造成井下復雜帶來極大的經濟損失，增加職工勞動強度。通過使用應急電機在保證安全的前提下為維修絞車電機贏得了充足時間，減小了井下風險。同時在這種情況下也可用應急電機打鉆以及進行上提下放的動作，不影響正常鉆井作業，保證了工作進度（鉆進時懸重為152t，而應急電機的最大提升重量為240t，滿足正常的提升負荷）。

磨溪008-6-X1 井，二開鉆進，大井眼施工，由于鉆井液密度低、鉆井速度快、井眼尺寸大、產生巖屑量大。在施工過程中技術要求早開晚停泥漿泵，保持鉆井轉動或上下活動，才能避免井下復雜。在鉆進停止后長時間靜止很容易造成沉沙卡鉆，為后續作業處理帶來極大困難，既影響工程進度也會造成國家經濟損失。在鉆進中，為發電機供油的柴油管線堵塞導致主發電急停，泥漿泵、絞車、轉盤不能工作。在這種緊急情況下，泥漿泵失去動力，不能開泵建立井下循環，井下砂子帶不出來，轉盤不能帶動鉆具轉動，絞車電機不能上下活動鉆具，起出鉆桿，極易發生井下沉沙卡鉆事故。通過輔助發電機，使用應急電機上提鉆具，將鉆具從井底等危險井段起出，避免了鉆具位于井底造成沉沙卡鉆的風險[3]。

6 結語

寶石70DB 鉆機AD 控制系統的分離控制，是現場設備管理人員針對鉆井現場作業應急處理做的一次重要調整，也是現場設備應用的一次大膽創新。為滿足鉆井現場工作實際需要，現場設備管理人員敢于推翻固有模式勇于進行嘗試創新。完成了應急電機控制系統分離的改造。使設備結構構成更加合理，在減小緊急情況下的井下風險的同時，創造了大量的經濟價值，通過應急操作已累計減少經濟損失500 萬元左右。幾次應急電機應急處理，證明了應急電機控制系統分離控制的必要。作為現場維護人員，我們需要熟悉設備的原理及特性。對不滿足鉆井現場作業的鉆井設備要勇于進行改造，從設備本質上解決設備運行存在的缺陷，保證鉆井設備在各種情況下都能夠有應急處理手段及時作出應急處理，真正做到鉆井設備保證鉆井工程，滿足現場需要。