郭關(guān)波，朱小輝，劉晶

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，石油鉆井機行業(yè)為了與時代發(fā)展相適應(yīng)，石油鉆機的工藝在不斷提升，科研人員致力于將石油鉆機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的更為智能化和自動化，從而減少人力、財力的輸出，通過改善人工施工和啟動方式，逐漸向智能化、自動化方向發(fā)展，大幅度改善石油鉆井工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度。在石油鉆井行業(yè)不斷發(fā)展的過程中，氣動液壓技術(shù)與自動化技術(shù)的融合進一步加深，電控氣液換向閥等一系列新型閥門的出現(xiàn)，極大提升了電氣液壓控制技術(shù)的能力，同時多種優(yōu)良技術(shù)被應(yīng)用于石油鉆機電氣液控制系統(tǒng)中，例如總線技術(shù)以及PLC控制技術(shù)等，通過這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以實現(xiàn)石油鉆機的自動化控制和集中智能化監(jiān)控。

1 石油鉆機電控系統(tǒng)的發(fā)展歷程

電控系統(tǒng)作為石油鉆井平臺結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是控制鉆井作業(yè)實際效果，實現(xiàn)鉆井作業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)。隨著其應(yīng)用能力的不斷提高，已成為油氣開發(fā)的關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備。因此，研究鉆機電控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，對于促進電控系統(tǒng)功能的優(yōu)化和創(chuàng)新發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。石油鉆機的電控系統(tǒng)可以從4個階段進行概括，每個階段的發(fā)展都具有一定的現(xiàn)實意義，下面就分別介紹。

1.1 驅(qū)動開發(fā)階段(AC-AC)

初期的驅(qū)動系統(tǒng)主要是以柴油發(fā)電機進行供電，電流形式為交流供電，驅(qū)動方式也以交流驅(qū)動為主，在保證驅(qū)動效率和靈活性的基礎(chǔ)上，驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，還可以實現(xiàn)獨立系統(tǒng)驅(qū)動，但是在使用過程中，由于驅(qū)動系統(tǒng)中絞車的控制方式是以機械齒輪實現(xiàn)的，因此初期的驅(qū)動系統(tǒng)不能進行速度的調(diào)節(jié)。

1.2 驅(qū)動開發(fā)階段（DC-DC）

該階段的驅(qū)動電流采用直流電驅(qū)動的方式，主要電源是以多臺柴油發(fā)電機組進行供電，為整個驅(qū)動系統(tǒng)進行供電，這種驅(qū)動方式在工作效率，預(yù)防故障的能力，以及傳動方式上都有一定的優(yōu)勢，還可以實現(xiàn)設(shè)備的獨立驅(qū)動，速度的調(diào)節(jié)也更為便捷，但是在獨立驅(qū)動的時候，設(shè)備的安全性得不到保證。

1.3 驅(qū)動發(fā)展階段（AC-SCR-DC）

該階段的石油鉆機驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動供電方式有兩種，一種由電網(wǎng)提供的電壓，另一種是由柴油發(fā)電機組提供的電流，該驅(qū)動方式在滿足DC-DC驅(qū)動所有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還能實現(xiàn)發(fā)電機組的動態(tài)并網(wǎng)，與電網(wǎng)相連接，柴油機組和電網(wǎng)以1:2的供電方式進行驅(qū)動系統(tǒng)的運行，雖然在市場上已廣泛應(yīng)用，但是任然存在一定的缺點，容易被諧波干擾，功率因數(shù)比較低。

1.4 驅(qū)動發(fā)展階段（AC-VFD-AC）

石油鉆機的組成部分包括主設(shè)備和三個相連的輔助設(shè)備，現(xiàn)階段輔助設(shè)備采用交流變頻驅(qū)動，但整個設(shè)備的主要驅(qū)動方式仍然是國家電網(wǎng)或柴油供電機組進行單元供電。利用國家電網(wǎng)供電的方式或柴油機供電，通過應(yīng)用VFD變頻器，可以實現(xiàn)交流變頻電機的單獨驅(qū)動。其優(yōu)點是：系統(tǒng)控制性能好，操作簡單，多功能擴展，安全保護。缺點是使用和維護成本相對較高，部分應(yīng)用功能需要進一步改進。

2 電氣液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

石油鉆機電控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件、PLC控制器件，以及系統(tǒng)閥件和閥導(dǎo)控制箱等組成（見圖1）。

圖1 電氣液智能控制系統(tǒng)簡圖

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

石油鉆機的硬件系統(tǒng)共由5個部分組成，每個部分缺一不可，是石油鉆機電氣液控制系統(tǒng)的重要組成。其中包括有操作系統(tǒng)控制元件，主要是控制鉆機操作；控制閥，控制系統(tǒng)安全；電源，石油鉆機電力輸出裝備；核心控制系統(tǒng)，負責(zé)協(xié)調(diào)石油鉆機各部分的運行使用；以及最后的電聯(lián)輔助元件，負責(zé)石油鉆機系統(tǒng)的輔助使用。例如圖2所示的TP270觸摸屏由數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊、CPU314模塊、電源輸出模塊和數(shù)字量輸入模塊組成。

圖2 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

圖3 PLC 分系統(tǒng)控制框圖

CPU314模塊的主要構(gòu)成部分由兩個組成，分別是編碼器的信號輸入模塊和操作開關(guān)狀態(tài)顯示模塊，兩個模塊共同構(gòu)成了CPU的核心部分，控制系統(tǒng)中的模擬輸出模塊主要是由壓力系統(tǒng)構(gòu)成，壓力系統(tǒng)又包含了氣源壓力及潤滑系統(tǒng)，可以在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)模擬量的輸入和輸出。控制系統(tǒng)可以由三種控制方式進行控制，開關(guān)可以對控制系統(tǒng)進行啟動和關(guān)閉操作；邏輯控制的方式是通過一些編碼模塊化設(shè)置，對參數(shù)進行優(yōu)化之后，利用總線可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉，并控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，且其中包含了預(yù)警報警模塊，當(dāng)出現(xiàn)故障時，還可以進行及時的報警，報警系統(tǒng)會立即顯示錯誤的原因以及如何處理。數(shù)字控制系統(tǒng)采用串聯(lián)方式，DDLDRIVE模塊安裝在氣門導(dǎo)管上，DDLLINK模塊安裝在平行小車和絞車氣門導(dǎo)管上，實現(xiàn)串聯(lián)，發(fā)送數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換DDL模塊數(shù)字量。來自該源的控制根據(jù)指令執(zhí)行，最終執(zhí)行每個控制，并通過觸摸屏顯示任務(wù)的反饋狀態(tài)信息。

2.2 電液控制系統(tǒng)閥件的選擇

電液控制系統(tǒng)的主要工作原理是通過電壓液介質(zhì)的使用，并根據(jù)石油鉆機中離合器設(shè)備的大小，進而進行空氣的壓縮，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機的快速響應(yīng)和執(zhí)行操作命令，并帶動氣門導(dǎo)管的運行，操作精度明顯較高，且鉆機氣動設(shè)備的空氣壓縮流量可以達到1400L/min，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)運行。

2.3 系統(tǒng)氣門導(dǎo)管控制箱及PLC選型

例如絞車氣門導(dǎo)管控制箱的硬件電路和設(shè)計主要采用鼓式離合器控制絞車、換檔結(jié)構(gòu)、自動鉆禮盒和適當(dāng)?shù)姆答?。電液控制系統(tǒng)的選型受到鉆機設(shè)備系統(tǒng)運行中一些參數(shù)的影響，例如輸入輸出點數(shù)等，根據(jù)參數(shù)的變化和實際需求考慮，確定電液控制系統(tǒng)的模塊類型，采用PROFIBUS總線對電液系統(tǒng)的控制，根據(jù)參數(shù)變化的情況再選擇和合適的PLC的儲存容量的型號，滿足石油鉆機的運行使用。

3 石油鉆機自動化電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化

通過上述的石油鉆機電氣液自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，可以發(fā)現(xiàn)在石油鉆機電氣液控制系統(tǒng)中，智能化和自動化是其未來的發(fā)展方向，下文主要依據(jù)石油鉆機電氣液控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，分析對電氣液控制系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展，以制動器、絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、管柱輸排系統(tǒng)、司鉆系統(tǒng)以及司鉆控制綜合系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.1 盤式制動器和絞車系統(tǒng)控制優(yōu)化

整個石油鉆機的運行是由制動器以及絞車共同控制的，但是在石油鉆機中，制動器以及絞車系統(tǒng)的驅(qū)動控制，是2個相互獨立且協(xié)作驅(qū)動石油鉆機運行的關(guān)系。在絞車運行驅(qū)動的過程中，需要對絞車的控制系統(tǒng)設(shè)立一個專門的保護系統(tǒng)，保證絞車系統(tǒng)的安全運行，通過設(shè)定科學(xué)的參數(shù)以及提升絞絲的強度，提升絞車的運行安全性，并且強化絞絲的負荷能力，以此來滿足石油鉆機的使用強度。同時在司鉆工作的過程中，應(yīng)聯(lián)合手動制動器對司鉆的下降上升進行控制，并控制司鉆的使用強度，了解司鉆的工況環(huán)境，保證司鉆的工作強度控制在合理的范圍內(nèi)，避免因司鉆工作強度過大，導(dǎo)致的制動器和絞車的深度損耗，降低制動器和絞車的使用年限，并將智能化技術(shù)融入到制動器和絞車系統(tǒng)中，實現(xiàn)自動制動和絞車運行。

3.2 頂驅(qū)及轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)控制優(yōu)化

通過對石油鉆機運行過程中頂驅(qū)的下降速度以及扭矩大小的計算和設(shè)計，可實現(xiàn)動態(tài)檢測的及時響應(yīng)，防止上部驅(qū)動及轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)受到干擾，或者它可以在鉆機的鉆孔過程中停止。除此之外，對頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)進行優(yōu)化，設(shè)定科學(xué)的參數(shù)，可以避免鉆機在下降過程中出現(xiàn)的一些故障問題，例如卡鉆和扭轉(zhuǎn)等，增強智能化的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速度的實時監(jiān)測，對速度進行控制，并在出現(xiàn)故障問題時及時進行調(diào)整。

3.3 自動化管柱輸排系統(tǒng)優(yōu)化

石油鉆機的自動管柱輸排系統(tǒng)的實現(xiàn)需要多方系統(tǒng)和設(shè)備共同協(xié)作完成，在設(shè)計石油鉆機管柱輸排系統(tǒng)的時候，可以引用先進的控制技術(shù)和設(shè)備，例如司鉆綜合控制技術(shù)，以及自動貓道、升降機等的應(yīng)用，并安裝自動化的立根卸料系統(tǒng)，經(jīng)多方設(shè)備的協(xié)作，實現(xiàn)管柱的自動化測量、上升和下降，以及自動化的控制司鉆在遇到不同工況環(huán)境時的鉆進方式的改變，更好的提升石油鉆機的鉆井速度，縮短石油鉆機的鉆井速度，從而避免人力成本的浪費和輸出，減少石油鉆機運行過程中出現(xiàn)的故障，并解放生產(chǎn)力和勞動力，提升石油鉆機的運行效率。

立根卸料系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，通過設(shè)置自動化井架施工設(shè)備和氣動指梁設(shè)備，完成逐級垂直卸料工作，取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)。該系統(tǒng)可通過智能檢測完成鉆桿卸料旋轉(zhuǎn)、定位、調(diào)整、對準等一系列操作，實現(xiàn)精準作業(yè)。采用自動井架設(shè)備，從井口開始，計算機控制卸料到二層指梁位置，此時氣動指梁系統(tǒng)承擔(dān)鉆桿卸料載荷，經(jīng)過精密自動調(diào)試，垂直根部放電終于完成。整個過程無需人工，計算機智能化、自動化控制同時提高排放效率和準確性，避免安全事故的發(fā)生。

3.4 鉆機綜合自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化

在優(yōu)化鉆機綜合自動控制系統(tǒng)的過程中，首先要了解石油鉆機自動化控制系統(tǒng)的組成內(nèi)容，主要包括鉆機、計算機主控系統(tǒng)、以及石油鉆機數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)等，將這些集成綜合，才能更好地實現(xiàn)石油鉆機的驅(qū)動運行。想要實現(xiàn)石油鉆機綜合集成系統(tǒng)的自動化控制，那么首先就需要利用科學(xué)的手段，實現(xiàn)每個子設(shè)備和系統(tǒng)的自動化以及智能化，在通過主控系統(tǒng)進行聯(lián)合，最終實現(xiàn)石油鉆機的自動化驅(qū)動與控制，例如可以通過一鍵啟動控制石油鉆機的所有子系統(tǒng)，并設(shè)定運行參數(shù)，實現(xiàn)自動走道；其次，為石油鉆機設(shè)備配備一個高端的智能化計算機控制區(qū)域，便于對石油鉆機的精準控制，并且智能化的計算機設(shè)備才是實現(xiàn)石油鉆機高質(zhì)量生產(chǎn)運行的關(guān)鍵措施；最后，集成石油鉆機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過各部分子設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)、圖像信息等內(nèi)容，集中傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)中，進行數(shù)據(jù)的整合分析，及時發(fā)現(xiàn)問題并對問題進行解決，規(guī)避石油鉆機在運行過程中可能出現(xiàn)的問題，保證石油鉆機在一個良好的工況環(huán)境下進行工作，并提升石油鉆機的使用壽命。

4 結(jié)語

綜上所述，石油鉆機電控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件、PLC控制器件，以及系統(tǒng)閥件和閥導(dǎo)控制箱等部分組成，為了更好地實現(xiàn)私有鉆機電氣系統(tǒng)的自動化、智能化控制效果，分別從盤剎、絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、管柱、鉆機等控制系統(tǒng)出發(fā)，實現(xiàn)自動化控制優(yōu)化，從而達到石油鉆機的智能化控制。