石油鉆機固控電氣設備自動化初探

陳和平，鄭 雄，冉 建

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

0 引言

隨著國產鉆機設備的不斷優化升級，鉆機動力、提升、鉆具旋動已全面實現自動化，泥漿泵組、絞車、頂驅轉盤、自動送鉆及井口自動化采用集成控制，電氣自動化智能化發展達到一個新的高度。鉆機操作控制更輕松，節省大量的人力，設備效率顯著提升。同時采用變頻控制系統，節能效果更為明顯。固控系統用于處理和儲存鉆井液，是鉆井生產的血液，決定鉆井的質量和效率。隨著鉆井工藝技術要求的提高，固控電氣設備數量多、功率增大，且固控系統電氣設備高耗能、自動化程度低、設備安全穩定性差。固控系統加重泵、剪切泵、灌注泵、除砂泵除泥泵、攪拌器、振動篩、除泥器、離心機及巖屑傳送機等設備沿用傳統的控制方式，存在明顯的缺陷與不足。鉆井液密度越來越大，其快速優質處理鉆井液能力不足，無法滿足智能鉆機鉆井工藝的技術要求，同時低效耗能與低碳綠色環保鉆井要求也不相符合。

1 鉆機固控系統電氣設備發展回顧與現狀

1.1 歷史回顧

20 世紀90 年代，大部分鉆機由機械鉆機組成，鉆機型號主要有ZJ32、ZJ45、ZJ60、ZJ70 等，機械鉆機固控系統裝機容量較小，總功率典型值為438.5 kW。2000 年開始引進電動鉆機和復合（半電動）鉆機，電動鉆機主要有ZJ40DBS、ZJ50ZPD 型號，固控系統總功率增至584.5 kW。2010 年代國產電動鉆機ZJ70DBS、ZJ80DBS 開始普及，固控系統總功率增大至739.6 kW。目前國產智能化鉆機ZJ90DBS 已開始投入使用，固控系統總功率增至1094.7 kW。攪拌器電機單機功率由7.5 kW 增至15 kW，加重泵由30 kW 增至75 kW。同時鉆井液處理技術、環保要求越來越高，離心機從無到有，發展到如今的兩臺（高速和中速）同時運行。巖屑傳輸和處理等清潔化生產設備增加非常明顯，固控系統電氣設備數量和功率均呈迅猛增加的趨勢（表1）。

表1 鉆機固控系統電氣設備裝機功率歷史變化

1.2 現狀與不足

與智能鉆機主體設備相比，絞車、頂驅、轉盤、鉆臺二層臺機械手等均已實現自動化操作。而固控系統電氣設備仍需由人工操作，自動智能化水平較低，明顯落后于鉆機主體設備，與智能鉆機極不相符。

（1）數量多、功率大、耗能高。當前，智能鉆機配套的固控系統電氣設備數量多、功率大，電機大部分采用直接啟動或軟啟動，僅有高速離心機采用變頻器運行。普通Y 系列三相異步電機在傳統的控制啟動方式下，加重泵、剪切泵、除砂除泥泵、灌注泵等大功率泵類設備運轉時通常處于滿速運行，當泥漿密度和排量較低，電機功率損耗較大，功率因數和效率只有0.5～0.6。攪拌器電機因與減速器相連，傳遞功率損耗較大，在低密度泥漿攪拌時電機效率低下。以90DBS 為例，根據cosφ=P/S，當前固控系統絕大部分電機采用YB 系列防爆電機，額定功率因數為0.85，無功損耗為821 kVar。按50%計算，一臺鉆機年（6 個月純鉆）損耗電量為：Q=1/2×821×0.9×182.5×24=161.82 萬千瓦時。同時，攪拌器通過減速器傳遞后，其最大效率為0.9，但在實際運行中平均效率僅有0.7。

（2）自動化水平低。鉆井工程中，鉆井工藝對鉆井液固相處理和控制技術要求更高，隨鉆井層位的不同泥漿密度隨之變化。固控系統電氣設備的控制均由人工操作，從泥漿材料加料到攪拌、循環，返回泥漿除砂除泥分離處理，整個流程的閘閥開通和關斷，設備控制耗時費力，處理泥漿效率低下。同時，電氣設備的運行狀態無法及時監控。電氣設備運行參數不隨泥漿密度的變化而改變，電機轉速以恒定轉速運行。

（3）安全性、可靠性、穩定性差。①固控系統電氣設備運行環境的特殊性。固控系統區域因鉆井液循環，容易產生混合性爆炸可燃性物質，根據API RP 500 對固控區域的劃分規定，距罐面1.5 m 為一級一類區域，距一類區域外界面3 m 為一級二類區域。電機直接啟動方式啟動瞬間超過額定電流的4～7 倍，電機、導線及插接件易產生電氣火花。沖擊電流、腐蝕性氣體使電氣設備的使用壽命大大縮短；②設備的安全和可靠性、穩定性。據統計，固控系統電氣設備平均電壽命約為5～8 年，因啟動過電流而產生的故障率約為8%，插接件故障率約為10%。離心機控制柜及振動篩控制箱長期高溫腐蝕，故障比例高達20%。控制箱柜中的電氣元器件長期置于高溫密封的箱體中，濕度大易結露，電氣元器件壽命大大縮短。操作人員維護和保養頻次較高，設備自身無法反饋監控運行狀況。運行時間、運行參數、保養記錄缺失或不準，多重因素造成設備可靠性和穩定性大大降低。

2 固控電氣設備智能化系統研究的方向

2.1 提高設備功率因數和效率，降低能耗

（1）集中補償與分散補償相結合。充分利用現有設備加裝400 V SVG 自動無功補償裝置，提高設備的功率因數。現有鉆機電控房空間容量有限，加裝難度較大。可采用增設專用的無功補償裝置與400 V 母線并聯，實時在線監測系統的功率因數，自動投切補償電容。對大電機可采用分散補償，一對一進行補償，投資成本較低。對新鉆機可從設計方面統籌考慮整體的功率補償，同時考慮固控系統采用600 V 系統供電方式，可以減小導線截面，便于與智能化鉆機統一集成。

（2）變頻器改造。對老舊鉆機固控系統電氣設備改進，可采用逐步淘汰低效耗能電機，37 kW 以上電機使用變頻器控制。變頻器控制風機泵類可節約1/3 的能耗。老舊鉆機可將變頻器設置在防爆控制箱內，對新鉆機設計，攪拌器電機采用直驅降低機械損耗，固控所有電機采用變頻控制，統一集成于VFD 房，便于智能化控制。國內市場小功率變頻器技術非常成熟，價格低廉，更換加裝成本較低，有利于降低成本。

加裝自動無功補償裝置和變頻器是降低能耗的主要方法和途徑，優化和改進老舊的固控系統電氣設備能夠有效降低能耗，提高設備效率，延長設備使用壽命。

2.2 固控系統電氣自動化

（1）系統集成優化。對新設計鉆機可將固控系統電機啟動自動控制裝置集成在VFD 房，泥漿材料的儲存、加料和傳送全自動化，加重泵、除砂泵除泥泵、灌注泵、振動篩、離心機等，將井口排量、泥漿泵壓、鉆井液密度信號與流程閘閥通斷狀態反饋到PLC，現場總線控制，由程序發出指令控制固控系統電氣設備自動運行。同時可以在線監測設備運行參數，設備維護保養自動記錄，通過5G 互聯，實現全自動化操作控制。

（2）攪拌器的自動化思路。攪拌器采用變頻永磁電機直驅方式，通過對泥漿密度的采集，由PLC 程序進行優化算法控制變頻電機的輸出功率和轉速。因停電或泥漿沉淀葉輪易堵轉，攪拌器葉輪由伺服電機或液壓控制升降，也可采用高壓泥漿槍自動無死角噴射，防止泥漿沉淀。攪拌器的轉速由泥漿密度信號和鉆井液的進出口排量實現自動化控制，通過編程對鉆井液密度或鉆井層位工藝要求進行模塊化設計，選取智能模式和手動模式，變頻器自動實現電機輸出轉矩和轉速的控制。

（3）大電機的自動化思路。新設計鉆機，對固控系統采用大功率永磁變頻電機，采用變頻器+PLC+工控機現場總線控制。加重泵、除砂除泥泵、灌注泵、離心機大功率電機在VFD 房共用雙整流器模塊，一對一的逆變器模塊，利于優化控制節省空間。大電機控制組態通過鉆機的泵壓、流量和鉆井工況實現互聯控制，在正常鉆進或起下鉆作業時，大電機應與之保持對應的運行模式。

（4）振動篩、巖屑、泥漿材料加料傳送自動化方向。現有振動篩振動頻率是固定的，而實際鉆井施工中，返回液體的固相是變化的，振動篩處理固相的效率較低。通過改進傳統的振動篩分離固相的方式，推薦新型負壓固液分離器。巖屑機等清潔化生產設備可以改為無軸螺旋結構，并與井口排量信號實現自動關聯，電機運行速度與轉矩隨振動篩分離固相的多少而實時改變。泥漿材料的輸送填裝加料裝置由智能化機械手與傳送帶實現自動拾取、運移、填裝泥漿材料，全過程無人化操作。

2.3 提升系統運行的安全穩定和可靠性

對單臺單套老舊設備進行逐步替換淘汰，YB 系列電機可用YBX3 系列高效節能電機替代，小電機啟動采用無觸點接觸器啟動控制，大電機變頻啟動控制單元統一集成在VFD 房，減小啟動電流，同時避免高溫腐蝕環境，提高設備的安全性和延長設備使用壽命。采用FF-H1 IEC61158-2 的雙線信號傳輸技術，支持總線供電和本質安全防爆。對于新的固控系統裝備，采用全系統的智能化控制技術，通過系統集成，對設備的啟動控制單元進行集中控制，運用智能儀表，由中央處理器通過現場總線對設備自動控制，提高系統的穩定可靠性。改進老舊固控系統電氣設備的防爆控制箱。高溫銹蝕結露使箱內的電氣元器件故障率更高，壽命一般僅有8 年。建議采用正壓防爆，通入清潔干燥的氣源，有效降低環境溫度和濕度，延長電氣元件使用壽命。對現有的離心機控制系統改進方法，將啟動控制單元置于MCC 房內，延長電氣元件壽命，便于檢維修。采用遙控或有線觸摸屏控制技術，便于現場操作離心機。

3 結束語

“十四五”時期，單位國內生產總值能耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%，國家對這兩項指標作為約束性指標進行管理。節能降耗、降本增效、綠色環保鉆井是鉆井企業生存發展的永恒主題。對現有的固控電氣設備進行升級改造，降低能耗，提高效率。充分利用成熟的自動無功補償、變頻器、PLC、微機控制和萬物互聯技術，提高處理固相分離效率，為鉆井工程提供優質鉆井液，也是高效鉆井的必要保證。固控系統電氣設備智能化是未來發展必然趨勢，研究前景十分廣闊。