数字化智能游车防碰系统在油田钻机上的研究及应用
2013-04-29盛哲李周建赵立娟
盛哲 李周建 赵立娟
【摘要】在石油钻井过程中绞车系统是一个非常重要的系统，它不仅关系到钻井作业的正常进行，同时也关系到钻井工人和设备的安全，操作不当或者违规操作都会造成严重的事故，造成设备损坏，人员伤亡。绞车系统在钻井系统中作为一个游吊系统，它通过钢丝绳、定滑轮组（天车）、动滑轮组（游车）来完成井架起升、钻具下放、提升等工作，但所有这些工作都必须限定在一定的游车行程内，否则超过行程将导致游车冲撞天车或砸向钻台。因此游车防碰系统在钻井过程中显得极为重要，本文将介绍在长庆油田运行智能防碰系统。
【关键词】 SCR VFD DCR 悬停 HMI 限位
1 防碰系统的产生
在传统的石油钻机上，游车的速度控制主要靠司钻的操作，游车上行高度都会超过二层台，游车的位置主要靠钻井工的目测，游车上下行的速度也通常靠司钻的感觉，当游车速度过快时容易导致刹车失灵，造成游车上行冲撞天车，下行砸到钻台的事故。因此司钻操作的熟练程度决定着钻机安全系数的高低。为了提高钻井作业的安全性，钻机设计者设计出游车防碰系统，随着自动化技术的发展，各种类型的电子防碰系统不断出现，钻机的安全性能也得到了极大的提高。
2 游车防碰系统组成
游车防碰系统由硬件和软件组成，硬件包括：滚筒编码器、PLC、触摸屏、防碰过圈阀和液压盘刹等。滚筒编码器安装在与绞车滚筒轴的末端，滚筒转动时带动滚筒编码器旋转，编码器由此可检测到滚筒转动的信号。PLC是钻机的控制核心，所有控制指令、检测信号处理均有它来完成，触摸屏作为游车防碰系统的HMI设备，防碰过圈阀安装在滚筒内，用于检测游车上行的极限位置。盘刹是钻机的刹车装置。软件主要包括PLC控制程序和HMI软件。
3 游车防碰系统的工作原理
对于电动石油钻机来讲，游车防碰系统利用绞车的零速悬停功能（即绞车可以实现零速满扭矩输出的功能），使得游车防碰系统具有减速控制、停车控制和刹车控制，并具有报警提示功能，相对SCR驱动的直流钻机游车防碰系统，VFD变频驱动的钻机游车防碰系统具有速度过渡平稳、钢丝绳受力没有冲击等特点。
游车防碰系统的核心是如何正确计算出游车的相对位置，也就是与钻台面的距离。一般通过测量滚筒转动过圈数来计算游车的相对位置，在滚筒上安装的编码器为增量型编码器，PLC通过计数模块来采集编码器的脉冲数，根据下述算法计算出游车位置。由于滚筒上面的钢丝绳最多绕6层，因此我们只需要计算到7层就足够了。
Li：滚筒上第i层的钢丝绳长，单位mm；
D：滚筒直径，单位mm；
d：钢丝绳直径，单位mm；
Ni：第i层的圈数，即第i层有多少圈；
N：每层圈数，由于滚筒长度和钢丝绳直径是固定的，因此每层圈数也是固定的。
通过上述公式我们可以得出只要知道当前的层数和圈数就可以计算出滚筒上的绳长，由绳长和动滑轮组数我们就可以计算出游车的位置。最终可以得出游车位置H与滚筒编码器脉冲关系：
H=f（p） p为累计脉冲数，可通过PLC计数模块得到。
其程序控制流程图如图1所示：
图1 游车防碰系统框图和控制流程图
下行时，系统与之类似，所不同的是游车的实际位置小于下减速位、下停车位、下刹车时会触发相应的程序。PLC执行程序采用循环扫描方式，其主程序扫描周期可达到10ms，其输出在程序扫描结束后执行。游车的位置在触摸屏上实时显示，当达到相应的减速、停车、刹车位置后触摸屏会显示相应的报警提示。
图1为游车在上行过程中的控制程序逻辑，下行时，系统与之类似，所不同的是游车的实际位置小于下减速位、下停车位、下刹车时会触发相应的程序。PLC执行程序采用循环扫描方式，其主程序扫描周期可达到10ms，其输出在程序扫描结束后执行。游车的位置在触摸屏上实时显示，当达到相应的减速、停车、刹车位置后触摸屏会显示相应的报警提示。
4 游车防碰系统的特点
交流钻机防碰系统具有如下特点：
（1）游车位置计算精度高，精度误差到达毫米级；
（2）根据游车速度大小自动计算游车减速位置，减速位置的计算可确保游车能准确停在停车位；
（3）具有游车到达减速位、停车位和刹车位自动报警提示功能；
（4）避免频繁使用盘刹，因为绞车具有零速悬停功能，因此当到达停车位时，盘刹可以不用刹车，延长刹车片的使用寿命。
5 总结
不论是直流钻机还是交流钻机，游车防碰系统的广泛应用都极大地增强了钻井作业的安全性，随着电动石油钻机网络化的不断发展，游车防碰系统也逐步集成到钻机电传动系统中，作为钻机系统的一个子系统。随着更多新的控制算法的出现，游车防碰系统也越来越智能化，微电子技术的发展也使得新的控制方式得以实现，预计在不久的将来会有更多、更智能的游车防碰系统运行在我国的各大油田。
参考文献
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作者简介
盛哲（1985-），男，陕西人，本科学历，助理工程师，研究方向：油田数字化及仪器仪表管理。
