钻探机组自动化控制的技术研究

吴 雄

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 前言

随着我国科学技术的进步，自动化控制技术已经在各行各业中具有广泛的使用，在对资源进行勘察的过程中钻探机组的自动化控制技术的问题是提高工作效率，进行安全勘测的重要因素。

1 钻探机组现状以及技术水平

1.1 国内钻探设备及技术问题

钻探设备技术水平参差不齐，有些单位的钻探设备在国内比较先进，但在实际的工作当中并不能发挥其应有的自身的先进性能，这样就造成了一定程度上的资产闲置。从国内购置的新设备来看，两年的新设备投资也仅仅3500余万元，由于利润附加值的相对较低，资金更新技术落后的旧设备没有得到支持。从国内现有的设备状况以及资产总量来看，地勘主业的专业特征不是十分突出，目前钻探设备现状与自身应有的只能地位不相匹配，没有相应的提升地看装备资产总量尤其是先进的钻探设备的资产量。从国内钻探设备系统来看，一些单位的发展后劲不足，主业建设需要进一步的加强提高。定位也需要进一步明确，没有对未来的钻探设备发展提出一些新目标和新战略。

1.2 国内钻探设备的现状

在我国，钻探设备经历了40多年的发展历程，并且取得了令人瞩目的巨大成就。早期，我国的钻探设备完全是靠向国外购买、或者是仿型设计制造得来得，而今我国已成功的研制和设计出了多系列、多型号、多品种和较齐全的钻探机组，例如：岩心钻机有XY系列，TK系列和YL系列等；坑道钻机有钻石系列；水文水井钻机有SP系列等，还有许多其他的特殊用途的钻机，如螺旋钻、水平钻等。在我国钻探设备都有其各自的特点和用途，完全可以经受住生产实践对其进行的检验。从国民经济各部门所需要的钻机来看，我们是完全有能力有优势有信心研制出和设计出任何种类的钻机，因为我们已经有了一定的经验和成熟的技术支持。但是，从国外的某些现代化钻探设备技术可以看出，我国的钻探设备虽然已经摆脱了以前考国外购买防型设计的途径自行研发和设计出钻机，与国外相比我们还是存在着不小的差距，在性能方面、结构设计和加工工艺方面，以及通用化、标准化和系列化方面都存在一些差距，这些问题的出现有待于我国继续在钻探设备上进行革新和改进。

2 钻机组自动化技术应用结构设计

2.1 自动化钻机总体结构设计

自动化钻机总体结构要与钻机设备融到一起设计，从钻机总体考虑集成结构和设备，结构和设备的安装、设备的动力和控制统一考虑。自动化钻机应把常规钻机的绞车、井架、天车、游车、顶驱、转盘、大小鼠洞、各种操作钳、钻杆排放装置、动力源及驱动、各个管汇阀门以及这些设备的控制、检测、维护等等，整体一体化设计而言，一定要把钻机提升系统、旋转系统、固定部分三者结合在一块来设计，使设备融合到结构中，打破常规钻机设备和工具面貌，来实现钻机设备和工具操作控制的自动化。

2.2 自动化钻机设备驱动方式

自动化钻机设备驱动方式有电驱动和液压驱动，根据使用环境和驱动方式选择使用哪种动力驱动，然后再选择哪种动力传递方式。

2.3 自动化钻机总体控制设计

自动化钻机总体控制包括工作状态和非工作状态设计，自动化钻机所有控制设计应集成设计，按照自动化钻机安装工艺和钻井工艺，对钻机所有控制点进行程序号化设计，使用可视和参数修改的计算机处理界面，使钻机控制和操作方便容易，钻机工作安全可靠。

2.4 自动化钻机总体检测设计

自动化钻机总体检测包括设备自身性能检测、钻机工作时各模块连接参数检测、整个钻机工作环境气体检测、钻机泥浆配比和容量损失检测、井下钻井及环境参数检测等，检测与控制同步，检测与安全维护和预防同步。

3 钻探机组自动化技术在实际勘测工程中的运用

3.1 钻进压力实现的技术方法

根据HXY-1500型钻机液压系统主泵是一个变量双联单泵，主阀组是一个中位闭心结构、带有流量自动控制阀和压力补偿阀的多路阀，作业时可检测出负载压力，使泵的供油压力始终高出负载压力一个很小的压差，操纵先导阀改变主阀阀口开度，泵能自动调节并输出与负载速度要求相适应的流量，而与负载大小无关等特点，实现泵的输出功率与负载需要的最佳匹配等特点。运用 “机——电——液”一体化控制技术，通过在钻机第一路操纵阀安装麦克MPM483电子压力传感器，检测出适时压力，通过西门子（CPU226）数字单片微机PLC的计算显示出给定孔底钻进压力。其操作方式按照钻机操作规程中的要求调节溢流阀旋钮，把系统压力调到钻探工艺要求给定的值进行钻进，压力可通过钻机机台上A75GSTD液晶显示器显示出适时压力值。这样使钻机操作起来更方便、舒适，需要加压时就可以及时加压，保证钻探施工过程中钻进参数的要求。在不同地层施工时都能知道钻孔孔底给进压力的变化，给予操作人员明确的指示，需要加压时就可以及时加压，保证钻进施工的钻进效率中红虚线部分。

3.2 给进压力实现的技术方法

根据钻孔深度和地层要求，在钻进过程中有减压钻进和加压钻进，通常当钻具的重量超过钻探工艺规程规定的压力时，就需要进行减压钻进，反之为加压钻进。通常情况下操作人员都根据经验操作，而通过运用PLC编程，把M=B-Q和Q-B=M写入程序中（BKN：钻具重量；QKN：钻进压力；M：给进压力），按照钻机和钻探规程规定要求，把钻机操纵手把搬到上升或下降位置，调节溢流阀手轮，进行加压或减压钻进，此时通过模块EM221数据采集，在A75GSTD液晶显示器数字显示出的压力数据为给进压力值。

3.3 钻杆重量操作技术方法

通过HXY-1500型钻机液压系统与西门子压力的负载敏感控制系统的结合，运用数字单片微机S7-226 MICRO PLC的主导控制技术，其中S7-226 MICRO PLC包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，CPU负责执行程序和存储数据，输出、输入是系统控制点：输入部分从现场设备中电子传感器采集信号输出部分则控制钻机操作阀液压系统。按照钻机操作规程要求，把钻机操作手把放在称重位置，进行钻具称重，此时的操作程序是：先把手把搬到上升位置，使钻具离开孔底一段距离，手把立刻回到称重位置上，同时，快速转动给进速度阀手轮，使节流阀的出口关闭，通过PLC数字处理，适时显示出数字式的钻具重量,减少机械表复杂读数的过程，操作起来更方便、舒适。

3.4 钻机扭矩实现的技术方法

根据钻探机组电流、电压的技术要求，对电路中的交流电流、电压进行实时测量时，需将其变换为0mA～20mA或4mA～20mA直流电流、电压。在系统中采用WBI414S41电流隔离传感器和WBU414S41电压隔离传感器采集电压和电流信号，运用编程把钻机变速箱、分动箱齿轮模数和公式M=UICOSФN1/p（式中，U——电压 ；I——电 流 ；COSФ——电路功率因数；N1——钻机电动机转速；p——电动机极数）写入PLC程序中 ，通过PLC运算处理后在液晶显示器显示出的数据值为钻机回转扭矩值。

钻机控制系统首先通过模块EM221采集系统电压传感器信号、钻机电流传感器信号、压力反馈信号和操作阀控制手柄发来的指令，在PLC中编程控制数据，控制数据经过CPU处理，通过A75GSTD台达液晶显示器实现各项参数的数字显示，为满足钻机的控制需要，本系统还设置给进压力值的显示。通过EM221模块检测系统电压，钻机电流，通过PLC编程计算出钻机扭距并实时显示。同时钻机的正常工作还需要许多辅助系统，在本控制系统中包含有钻进压力测量控制系统、故障检测系统和保护控制系统。

4 结束语

综上所述，本文重点对钻探机组自动化在我国的现状以及结构设计的相关问题进行了详细的探索，在这个基础上，针对实际运用问题，进行了针对性的设计，目的是提高钻探机组在实际工程中的运用。

［1］李砚藻.开展科学化自动化钻探技术研究[J].国外地质勘探技术，2010.

［2］邓利新.关于石油钻井自动化技术的研究[J].中国电子商务，2013（12）.