張革民 ，袁通華 ，李炎偉 ，解新

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；3.川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安 710018；4.西部鉆探工程有限公司 巴州分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；5.川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

近年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化、智能化、信息化技術(shù)發(fā)展迅猛，帶動(dòng)多個(gè)行業(yè)生產(chǎn)力水平步入新高度。而石油鉆采裝備，由于受油氣市場(chǎng)低迷、傳統(tǒng)生產(chǎn)模式難以更改等多方面因素的制約，新技術(shù)應(yīng)用較為滯后，造成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)依然存在人員安全性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)備能效等級(jí)低、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。自2015年以來(lái)管柱自動(dòng)化處理設(shè)備開(kāi)始逐步推廣應(yīng)用，鉆井作業(yè)的機(jī)械化程度和自動(dòng)化程度有所改善，如動(dòng)力貓道、鐵鉆工、二層臺(tái)排管裝置等設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)[1-2]。因此，繼續(xù)應(yīng)用新技術(shù)改變現(xiàn)有石油鉆機(jī)的作業(yè)方式，取消井架工，解放井口作業(yè)人員成為鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展的新方向。同時(shí)，中油集團(tuán)提出了工程技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍“標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、信息化、專(zhuān)業(yè)化”的四化建設(shè)要求，石油鉆機(jī)作為油氣勘探開(kāi)發(fā)主要裝備也同步提出了更高的需求，必須應(yīng)用機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化裝備替代人力，以此徹底改變現(xiàn)有的局面。另一方面受?chē)?guó)際原油價(jià)格長(zhǎng)期震蕩的影響，全球能源公司都集中于采用新技術(shù)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。我國(guó)也應(yīng)采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的節(jié)能降耗保安全，減員增效促生產(chǎn)。

基于上述諸多原因，以提升石油鉆機(jī)的自動(dòng)化水平作為基本目標(biāo)，寶石機(jī)械公司開(kāi)始研發(fā)7000 m自動(dòng)化鉆機(jī)產(chǎn)品，其中，在鉆機(jī)傳動(dòng)與控制方面具有以下主要技術(shù)創(chuàng)新。

1 鉆機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 共享逆變器

打破常規(guī)變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)中每個(gè)傳動(dòng)設(shè)備配套專(zhuān)用逆變器的技術(shù)方案，將鉆機(jī)中具有相似功效的轉(zhuǎn)盤(pán)與頂驅(qū)共用一套逆變器。通過(guò)在電控房設(shè)置切換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)該共享逆變器驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)備選擇。圖1（a）所示為逆變器輸入信號(hào)的控制方式，圖中22.11和22.12分別表示逆變器的兩個(gè)速度給定值，分別對(duì)應(yīng)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速給定。切換開(kāi)關(guān)連接至22.14，實(shí)現(xiàn)速度給定1或速度給定2的通道選擇，從而實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)備控制。圖1（b）所示為逆變器輸出端驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制原理，當(dāng)切換開(kāi)關(guān)位于轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)，該電動(dòng)機(jī)供電斷路器閉合，頂驅(qū)電動(dòng)機(jī)斷路器切斷。否則，頂驅(qū)電動(dòng)機(jī)斷路器閉合，轉(zhuǎn)盤(pán)電動(dòng)機(jī)斷路器斷開(kāi)。

圖1 共用逆變器控制原理

該方案的成功實(shí)施，將常規(guī)鉆機(jī)中7臺(tái)逆變器縮減為6臺(tái)，生產(chǎn)成本縮減16.7%，整流模塊裝機(jī)容量縮減10.3%。對(duì)降低整流、逆變、制動(dòng)單元成本，柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組容量，日常生產(chǎn)成本，降低排放、提升環(huán)保等各方面效果顯著。

通過(guò)共享逆變器資源優(yōu)化方案，省掉常規(guī)頂驅(qū)的電控房，在鉆機(jī)布局時(shí)節(jié)省井場(chǎng)占地面積，減少鉆機(jī)拆裝工作量，降低系統(tǒng)運(yùn)輸成本。

1.2 直驅(qū)系統(tǒng)

該系列鉆機(jī)的直驅(qū)系統(tǒng)包括絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆井泵、頂驅(qū)4類(lèi)，共計(jì)6臺(tái)（套）設(shè)備，10臺(tái)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，總功耗約為6900 kW，每類(lèi)設(shè)備的主電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。其中，絞車(chē)由2臺(tái)1000 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾筒軸，采用主電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆，如圖2所示。轉(zhuǎn)盤(pán)由1臺(tái)600 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)。每臺(tái)泥漿泵由2臺(tái)600 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)（左右各一臺(tái)對(duì)稱(chēng)布置）直接驅(qū)動(dòng)曲軸，如圖3所示，每鉆機(jī)配套3臺(tái)泵組。頂驅(qū)由1臺(tái)700 kW直驅(qū)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。

圖2 直驅(qū)絞車(chē)傳動(dòng)原理

圖3 直驅(qū)鉆井泵傳動(dòng)原理

表1 直驅(qū)電動(dòng)機(jī)配置

較之常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式直驅(qū)系統(tǒng)的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1）傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)保養(yǎng)，降低系統(tǒng)故障率；

2）降低生產(chǎn)成本，僅絞車(chē)減速箱減重約17噸，且無(wú)需送鉆電動(dòng)機(jī)及其變頻器；

3）控制更為精確，無(wú)減速機(jī)的齒輪間隙、減速比換算誤差等問(wèn)題；

4）外形體積小，絞車(chē)寬度不超過(guò)2.5 m，泥漿泵寬度不超過(guò)3.2 m，實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)輸，降低運(yùn)輸成本和拆裝工作量。

2 伺服驅(qū)動(dòng)及安全管控系統(tǒng)

自動(dòng)化鉆機(jī)中管柱處理全流程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，包括建立根、立根排放等工序[3-6]。其中關(guān)鍵控制技術(shù)包括伺服驅(qū)動(dòng)二層臺(tái)排管裝置、區(qū)域安全管控等。

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)二層臺(tái)排管裝置

二層臺(tái)排管裝置用于在井口與指梁之間取放目標(biāo)管柱，如圖4所示，取管柱工況，機(jī)械手抓取目標(biāo)管柱后沿灰色箭頭所指方向以AB-C-D路徑將管柱送至井口位置。放管柱工況，沿黑色箭頭所指方向以D-C-BA的動(dòng)作順序?qū)⒐苤椭聊繕?biāo)指梁。

圖4 二層臺(tái)機(jī)械手工作路徑示意圖

該電控系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)電源（SP）、運(yùn)動(dòng)控制器（MC）、伺服驅(qū)動(dòng)器（SMD1～SMD4）、伺服電動(dòng)機(jī)（M1～M4）、操作終端（OP）等幾部分組成。圖5所示為該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理，其中：SP提供24 VDC控制電源；編號(hào)1～4的SMD表示不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。SP的輸出端分別連接至OP、MC和SMD的控制電源端。SMD1～SMD4分別與二層臺(tái)機(jī)械手各個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu)的伺服電動(dòng)機(jī)相連。OP以總線形式與MC通信，實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)依次執(zhí)行控制指令。

圖5 二層臺(tái)機(jī)械手控制系統(tǒng)原理

運(yùn)動(dòng)控制程序執(zhí)行流程如圖6所示。PLC首先判斷與MC的通信是否正常，通信正常時(shí)可進(jìn)入自檢程序。若PLC或MC有故障（MC的故障診斷包含MC本身和SMD反饋故障），則系統(tǒng)自診斷故障位置、分析可能原因并在OP顯示故障代碼，以便于操作人員快速解決問(wèn)題。自檢正常后按操作指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，包括滑車(chē)行走、旋轉(zhuǎn)、推扶臂伸縮等。

圖6 控制流程圖

2.2 區(qū)域安全管控軟件

2.2.1 區(qū)域防碰管理

針對(duì)鉆機(jī)井架及鉆臺(tái)安裝的所有運(yùn)動(dòng)設(shè)備，梳理其在工作過(guò)程中存在的相互間碰撞風(fēng)險(xiǎn)。以井口中心為坐標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件編程，實(shí)時(shí)計(jì)算各設(shè)備的關(guān)鍵輪廓點(diǎn)，通過(guò)比較關(guān)鍵點(diǎn)的距離判斷是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，然后通過(guò)提示或緊急制動(dòng)實(shí)現(xiàn)即將碰撞設(shè)備的停車(chē)，以確保設(shè)備自身的安全。圖7所示為防碰空間劃分及存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備狀態(tài)提示。

圖7 防碰顯示

2.2.2 設(shè)備互鎖管理

互鎖控制程序主要存在與管柱持有權(quán)限交接的過(guò)程中。確保交接管柱的兩設(shè)備之間至少有一個(gè)設(shè)備持有管柱，避免管柱脫落的事故出現(xiàn)。如圖8所示，為互鎖功能設(shè)置與狀態(tài)提示人機(jī)界面。

圖8 互鎖顯示

3 鉆機(jī)集成控制網(wǎng)絡(luò)

圖9 集成控制網(wǎng)絡(luò)

該鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)由上位級(jí)、中間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)3個(gè)分系統(tǒng)組成[7-9]。

1）上位級(jí)。上位級(jí)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)集成控制網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備狀態(tài)的一體化顯示，以及主要功能的集成化遠(yuǎn)程操作。根據(jù)作業(yè)分工將其分別定義為主司鉆和副司鉆，二者操作設(shè)備的分工與功能劃分如表2所列。

表2 雙司鉆分工

2）中間級(jí)。中間級(jí)是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)集成化操作控制核心，該鉆機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：上位機(jī)與各單元設(shè)備數(shù)據(jù)交換；鉆機(jī)不同層級(jí)急停安全管理；對(duì)鉆機(jī)各單元設(shè)備的集成化協(xié)同控制和參數(shù)集中采集及歸檔；設(shè)備之間防碰、交接互鎖等功能。

3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)是各單元設(shè)備的控制站，負(fù)責(zé)各自設(shè)備內(nèi)部的控制邏輯、軌跡運(yùn)算、狀態(tài)檢測(cè)等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制站與中間級(jí)集成控制網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備的遠(yuǎn)程中央操控。

4 鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)

所開(kāi)發(fā)的石油鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與技術(shù)服務(wù)平臺(tái)[10-11]主要由現(xiàn)場(chǎng)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如圖10所示。

圖10 鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線服務(wù)系統(tǒng)

1）現(xiàn)場(chǎng)層。搭建集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入、傳輸和存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、通過(guò)統(tǒng)一通道存儲(chǔ)進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高數(shù)據(jù)的可用性、可靠性及可擴(kuò)展性，避免信息孤島。

2）傳輸層。通過(guò)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、有線網(wǎng)絡(luò)等方式將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和歸檔。另外還可將應(yīng)用層下發(fā)的指令信息回傳至現(xiàn)場(chǎng)層。實(shí)現(xiàn)信息的雙向交互。

3）應(yīng)用層。用于將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，用于建立大數(shù)據(jù)分析庫(kù)；實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障診斷、統(tǒng)計(jì)分析、維保提醒等功能，并將結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化顯示；遠(yuǎn)端專(zhuān)家通過(guò)客戶端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)服務(wù)。

應(yīng)用該平臺(tái)，建立基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修管理模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)知維修管理，為用戶提供鉆機(jī)早期的故障征兆、類(lèi)型及處理方案；建成設(shè)備狀態(tài)異常預(yù)警管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)度、科學(xué)決策；通過(guò)在外配件庫(kù)查詢系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解在外配件庫(kù)的庫(kù)存情況，針對(duì)緊缺配件及時(shí)排產(chǎn)和補(bǔ)充；通過(guò)鉆機(jī)檔案管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)出廠鉆機(jī)檔案的管理。

5 應(yīng)用情況

目前該系列化鉆機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)。分別在大慶鉆探、川慶鉆探、渤海鉆探和西部鉆探等主要鉆探公司近60套鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，累計(jì)鉆井100余口，實(shí)現(xiàn)雙司鉆對(duì)整個(gè)鉆機(jī)的集成化操控，整體運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

圖11 油田現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)

6 結(jié)論

傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力優(yōu)化配置方案實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行；直驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)行效率高，響應(yīng)速度快，提升自動(dòng)化鉆機(jī)的綠色環(huán)保、節(jié)能減排性能；伺服驅(qū)動(dòng)二層臺(tái)排管裝置，控制精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，杜絕液壓系統(tǒng)跑冒滴漏等問(wèn)題；集成控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，通過(guò)司鉆一體化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)井架無(wú)人化，大幅減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，徹底改善工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一線操作員工作業(yè)的本質(zhì)安全；信息化系統(tǒng)為鉆機(jī)裝備了實(shí)時(shí)在線的“智慧醫(yī)生”，開(kāi)創(chuàng)了全新的設(shè)備運(yùn)維管理模式。上述多項(xiàng)傳動(dòng)與控制關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用，將國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)的自動(dòng)化、信息化水平提升至一個(gè)新的高度。