钻井控制系统电气化改造可行性方案

高文柱

摘要：钻井设备的传统控制系统以液控、气控为主。存在现场控制管线铺设拆卸复杂，安装维护不方便，安全可靠性差，反应时间较长等缺点。针对钻井现场控制系统现状，在保留原传统气液控制系统动力、执行元件及动力传动介质基本不变的前提下，对原气液控制系统的操作机构、传令机构及控制部分的元件及工作方式进行电气化改造，并可引入PLC作为核心，通过程序实现对钻井设备的集中系统控制。改造后的控制系统具有反应速度快，安装方便快捷，容易操作和维护等特点，大大提高设备的可靠性和安全性，同时减少了人员工作量。

关键词：钻井；控制系统；电气；自动化

一、引言

纵观国内外钻井设备的发展趋势，钻井行业对钻井设备的可靠性、功能性与技术智能化的要求越来越高，钻井设备的自动化控制能提高钻井的工作效率，同时提高了工作人员的人身安全和生产施工安全。随着计算机通讯技术的广泛应用，钻井设备的自动化水平，能够减少人工作业，提高钻井生产的精确性，还能保证生产的安全系数。

二、钻井控制系统的发展现状

近年以来，我国石油钻井行业正在逐步与国际接轨，国内外对石油钻井的要求也越来越高。我国的石油钻井设备在标准化和制造水平及创新研发能力，产品质量和品种等方面有较大的提高和发展，机、电、液，信息一体化的主流技术已广泛应用于石油钻井设备。就其控制系统组成来看包括了电气传动系统、气压传动系统、液压传动系统、PLC智能控制系统[1]等各种控制系统，但石油钻井设备庞大、结构复杂，另外由于钻井设备成本投入较高，造成产品的更新换代速度较慢，新的先进技术设备不能及时应用于钻井生产现场。传统的钻井设备及气液为主的控制系统仍然是短期内国内钻井行业的主流配套组合。

三、传统控制系统的优劣

（一）传统液气控制系统的优点

1、气动控制具有结构简单、成本低廉，对工作环境要求不高、适应性好，特别适用于易燃、易爆、潮湿、振动等恶劣环境场合。

2、气控系统工作介质是压缩空气，既降低成本又不会造成污染。因此气压传动在石油钻机传动系统中，特别存在爆炸危险性的石油钻井设备有着明显的优点。

3、液压系统能够满足大功率能量传递的设备中。

4、液压系统具有自润滑性好，使用寿命长的特点。

（二）传统液气控制系统的缺点

1、管线现场铺设拆卸复杂。例如，各气液控制管线需要设置排管架，在管线拐角及司钻房和设备进出处等需要大量的连接接头。

2、占用空间较大。各阀体占用空间较大，从而造成设备及控制单元体积较大，给维护和使用都带来不便，同时增加了设备制造成本。

3、安全可靠性差。气控系统中司钻控制房内的手动换向气阀容易造成误操作而发生严重的生产事故；另外，液气控制系统没有连锁互锁等相应的保护机构、安全性较差。

4、系统反应迟钝。液气控制系统的控制管线较长、液体和气体在管线内传递时间较长、执行指令迟钝、易造成事故。

5、维护修理复杂。控制管线及阀件易出现堵塞故障、需要定期维护保养。管线接接头更换麻烦。

四、控制系统电气化改造方案

传统气液控制系统存在安装维护不便、生产效率低、安全可靠性差等缺点，但基于液压系统及气控系统的优势，改造方案保留原传统气液控制系统动力、执行元件及工作介质基本不变的前提下，对原气液控制系统的发令机构、传令机构及控制部分的元件及工作方式进行电气化改造。

（一）基本电气化改造方案

对于氣控系统，对原控制系统中的相应气开关用电控气阀代替，并将气控阀组集成于一阀组箱内，方便安装维护。控制电路集成于一条多芯电缆连接于司钻房内的集成控制面板，使用控制面板上的电控按钮通过电信号控制气阀的工作，且每个阀上设置手动按钮，按动相应按钮可实现没有电源情况下仍然可以控制阀组工作。另外可以在离合器、气阀等处安装开关量元件，通过电信号检测设备工作状态，并设置相应的连锁互锁保护。例如，在立管闸门处安装开关量元件，设置此开关量与钻井泵的电控连锁，当立管闸门处于关闭状态时，开关量元件处于关闭状态，此时与开关量连锁的钻，井泵电控按钮按下时，相应钻井泵电控气阀无法动作，从而保证安全。

同样对于液压系统的换向阀、溢流阀和调压阀等用电控按钮、电控液压比例阀等代替，并用电控方式通过控制面板集中控制并通过电控的互锁连锁设置相应的限制和保护。

（二）智能电气化改造方案

要实现对钻井设备的智能化自动控制，可引入PLC作为核心。采用PLC集成控制可实现对气阀的开关量控制也能实现对液控比例阀、调压阀等的模拟量控制，同时可实现逻辑运算、顺序控制、延时控制、联锁互锁保护等智能运算。并且PLC可配合各种传感器、开关量和模拟量等多种采集信息元件，对采集信息通过软件方便的实现和控制系统限制、互锁、连锁等保护。PLC系统的信号传递只需一个通信电缆，不但节省掉气液管线并且能节省单纯电器控制的电缆数量。配合触摸屏显示器使用，使整套PLC控制系统具有钻机操作和钻井参数实时显示、设备运行监控与显示、故障指示、安全保护等功能。在引入PLC控制系统的同时可同时配备基本电气化改造中的方案，以控制面板电控按钮控制作为冗余设计，在PLC出现故障时可以关闭PLC控制系统，通过控制面板进行操作。

（三）电气化改造的优点

电气化改造后的控制系统以电信号作为传令信号，传递准确、迅速，有效地解决了气压传递不可靠、传递效率低和液压信号功率损失较大、传递速度慢、受温度影响大等问题，使钻机控制系统稳定可靠、动作及时，执行准确。并且电气化改造后的控制系统实现了规范化、集成化，使人员操作和维护安装更加方便。省时省力。通过控制面板或触摸屏控制和显示，司钻台能实时了解和控制设备的工作状态，可杜绝一误操大大减少事故的发生，提高了钻机的可靠性和安全性。

五、结束语

对于引入PLC的控制系统智能化改造方案成本相对较高，因此针对现场实际情况，对于钻机使用寿命权衡是否进行引入PLC的智能控制系统改造。对于钻机较陈旧，可利用年限不多的设备进行简单的基本电气化控制系统改造不失为一种更为合理的选择。在不需要花费较大成本的前提下，大大提高了设备的可靠性和安全性，维护和操作更加方便，减少钻井生产事故的发生。

参考文献：

[1]张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术.北京：化学工业出版社，2004：77—88.

[2]张建成.石油钻机电气传动系统的最新发展[J].电气传动，2004（2）：10—11.