史亞貝，王 景

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000）

石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

史亞貝，王 景

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000）

為降低司鉆工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆井速度、降低鉆井成本，介紹了自動(dòng)送鉆的發(fā)展?fàn)顩r以及石油鉆機(jī)工藝，并闡述了以西門子S7-300PLC為中心的自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

鉆機(jī)；自動(dòng)送鉆；控制系統(tǒng)

石油和天然氣是寶貴的能源和化工原料，為了尋找油氣藏和開采石油天然氣，需要鉆井。傳統(tǒng)的人工控制給進(jìn)鉆井存在以下的缺點(diǎn)：

（1）司鉆長(zhǎng)時(shí)間注意力高度集中，其精神、體力勞動(dòng)強(qiáng)度大，極易疲勞，容易發(fā)生溜鉆或頓鉆事故。

（2）司鉆手持剎把控制給進(jìn)，容易發(fā)生井斜和卡鉆等事故，送鉆質(zhì)量人為因素較大。

（3）司鉆全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，導(dǎo)致鉆頭負(fù)荷變化較大，加快鉆頭的磨損。

對(duì)于石油開采工作來(lái)說，自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的應(yīng)用能夠降低司鉆工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要的是能提高鉆井質(zhì)量、降低鉆井成本、提升鉆井效率。

本文設(shè)計(jì)了以西門子S7-300PLC為中心的自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)，介紹了自動(dòng)送鉆監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，通過自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆，降低鉆井成本，提高工作效率。

1 石油鉆機(jī)組成及工作原理

1.1 石油鉆機(jī)的組成

鉆機(jī)主要是由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機(jī)底座等部分組成[1]。鉆機(jī)組成如圖1所示。鉆機(jī)各主要部分的功用如下：

（1）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

帶動(dòng)井下的鉆具或鉆頭通過旋轉(zhuǎn)、破碎巖石，并連接起升機(jī)構(gòu)和鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)。

（2）鉆井液循環(huán)系統(tǒng)

通過鉆井泵將鉆井液送至鉆頭后沖洗井底，攜帶巖屑從井眼與鉆具間空隙帶出地面，以利正常鉆井。

（3）起升機(jī)構(gòu)

主要是起升和放下鉆具、控制鉆壓送鉆方式、更換鉆頭、下套管等。動(dòng)力通過傳動(dòng)裝置來(lái)傳遞。

（4）傳動(dòng)系統(tǒng)

工作部件與動(dòng)力源之間的各種傳動(dòng)設(shè)施。

（5）控制系統(tǒng)

根據(jù)鉆井工藝的要求，控制工作機(jī)器在操作時(shí)的反應(yīng)速度、動(dòng)作準(zhǔn)確度，要求控制系統(tǒng)便于集中控制和自動(dòng)記錄，操作者能夠保證鉆機(jī)各部件安全工作[2]。

（6）鉆機(jī)底座

用于安裝和固定鉆機(jī)上的各機(jī)構(gòu)，滿足設(shè)備搬移與固定的要求。

圖1 石油鉆機(jī)組成

1.2 石油鉆機(jī)的工作原理

鉆機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部分由縱向運(yùn)動(dòng)和水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩部分組成。

水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由動(dòng)力機(jī)組帶動(dòng)鉆桿上的轉(zhuǎn)盤1來(lái)驅(qū)使鉆桿水平旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)井底鉆頭旋轉(zhuǎn)，破碎巖石，保證鉆頭的持續(xù)向下鉆進(jìn)。

縱向運(yùn)動(dòng)部分由絞車11帶動(dòng)，通過游車15帶動(dòng)整個(gè)鉆具，負(fù)責(zé)鉆具的起升（更換鉆頭或增加鉆桿）和下降（正常鉆進(jìn)）。

鉆機(jī)中的輔助設(shè)備同樣必不可少，它能夠配合鉆進(jìn)部分工作達(dá)到更好的鉆進(jìn)效果。

2 鉆機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 組成

經(jīng)過對(duì)石油鉆機(jī)的工作分析，進(jìn)行其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[3]，主要組成部分及其作用如下：

（1）絞車控制機(jī)構(gòu)

主要是控制井底鉆壓、鉆機(jī)自動(dòng)送鉆和自動(dòng)起下鉆。

（2）轉(zhuǎn)盤控制機(jī)構(gòu)

控制轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和扭矩，平衡鉆機(jī)下鉆，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)鉆進(jìn)。

（3）自動(dòng)送鉆機(jī)構(gòu)

一般采用液壓盤式剎車，主要用于控制絞車的下鉆速度，從而有效、精確地控制鉆壓。

（4）自動(dòng)起下鉆程序

一般采用電機(jī)能耗制動(dòng)剎車，用于更換鉆頭、起鉆、下放鉆頭的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，使工人工作更安全，控制效果更好。

（5）游車防碰系統(tǒng)

游車運(yùn)行上、下限位置的自動(dòng)計(jì)算，有效地防止游動(dòng)系統(tǒng)超出限位碰到其他機(jī)構(gòu)，從而防止事故的發(fā)生。

（6）MCC（電機(jī)控制中心）系統(tǒng)

統(tǒng)一管理配電和儀器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起、?？刂坪秃?jiǎn)單的故障檢測(cè)等。

（7）智能儀表系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和各參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。（8）智能送鉆操作和監(jiān)視系統(tǒng)

具有鉆機(jī)操作和顯示報(bào)警的全部功能。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)原理

石油鉆機(jī)控制系統(tǒng)采用常用的西門子工業(yè)用PLC（s7-300）為控制核心。通過現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）把石油鉆機(jī)中的數(shù)字化設(shè)備組成Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)變頻器、鉆機(jī)電氣控制柜、MCC柜和人機(jī)交互界面等設(shè)備的高速通訊模塊，該模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，方便工人在惡劣天氣進(jìn)行鉆機(jī)操作。

通過Profibus-DP構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的雙向傳遞，可以對(duì)系統(tǒng)各裝置的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和故障監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖2所示。

2.3 控制系統(tǒng)硬件組成

石油鉆機(jī)控制系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、PLC和智能儀表設(shè)備組成，主要硬件見表1.

其中上位計(jì)算機(jī)包括：工業(yè)控制上位計(jì)算機(jī)、觸摸屏顯示器。觸摸屏包含運(yùn)算與圖形編輯等功能，不僅能夠監(jiān)控實(shí)際鉆井過程中的鉆機(jī)狀態(tài)，還可以遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)部分主要功能。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和觸摸屏顯示器能夠同時(shí)顯示多個(gè)監(jiān)控畫面，主要負(fù)責(zé)各參量的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置以及報(bào)表的生成、打印等[4]。

為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，石油鉆機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2臺(tái)西門子S7-300的PLC.2臺(tái)PLC的功能完全相同，構(gòu)成冗余系統(tǒng)，1臺(tái)處于工作狀態(tài)時(shí)，另一臺(tái)備用，備用的PLC通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)總線實(shí)時(shí)監(jiān)控工作機(jī)PLC狀態(tài)，若工作PLC出現(xiàn)故障，備用PLC自動(dòng)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。這種冗余系統(tǒng)能夠保證石油鉆機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鉆井工作無(wú)間斷進(jìn)行。

2.4 控制系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)

鉆機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出量較多，常用傳感器有：重力傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、手把電位器等。部分監(jiān)控點(diǎn)見表2、表3.

表2 模擬量監(jiān)控表

表3 數(shù)字量、開關(guān)量監(jiān)控表

2.5 控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)石油鉆機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用Wincc flexble工控組態(tài)軟件，觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)如圖3所示。

3 結(jié)論

石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)是根據(jù)石油鉆井工藝及石油鉆井安全要求設(shè)計(jì)的一種新型的智能控制系統(tǒng)。自動(dòng)送鉆系統(tǒng)能夠不依靠司鉆人員調(diào)節(jié)，而是按照鉆井工藝要求，通過控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速、送進(jìn)鉆具。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的應(yīng)用不僅降低司鉆工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且降低鉆井成本、提高鉆井效率。

[1]高 巖.石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆智能控制系統(tǒng)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[2]陳勇剛，席志鵬.石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)研究[J].科技視界，2016（12）：144.

[3]李 嶺.石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)和模擬加載系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013.

[4]劉 建，張 力，馬 武.模糊控制器在石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2013（01）：40-43.

[5]張 偉，任建庭，高冬東.石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].石油機(jī)械，2010（05）：87-91.

Design of Automatic Drilling System for Oil Drilling Rig

SHI Ya-bei，WANG Jing
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang Henan 473000，China）

In order to reduce the labor intensity of the workers，improving drilling speed，this paper introduces the development of automatic drilling and the technology of oil drilling rig.Then，the design of automatic drilling control system based on SIEMENS s7-300PLC is expounded.

drilling rig；automatic drilling；control system

TE922

A

1672-545X（2017）08-0062-02

2017-05-27

“石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”（2015-KJGG 37）

史亞貝（1983-），女，河南三門峽人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。