钻井平台钻井绞车本质安全联锁防护的应用

张 君

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

0 引言

电控系统增加少量的电气元件，采集模拟量和开关量电气信号，通过优化PLC 程序，实现钻井绞车与防喷器、盘刹、天车放喷系统的联锁控制，可以有效提高钻井绞车的操作本质安全，杜绝因人员可能的误操作带来的设备故障或者安全事故，对于保障作业安全顺利进行、降低设备故障率，降低维护成本有着良好的作用，具备较好的经济价值。

1 钻井绞车

1.1 概述

钻井绞车由2 台或者多台电机驱动，操作者通过操作手柄的电信号输入，通过PLC 程序进行钻井绞车起放和调速控制。钻井绞车带动游车、顶驱等游动系统上下运动，实现钻具的上提和下放功能。按照钻井工艺，钻井绞车的运行和防喷器、刹车装置等多个设备关联。

1.2 现状

目前较为先进的集成控制系统基本具备较完善的联锁防护功能，但2010 年前的钻井绞车，联锁功能较少。在部分平台上，特别是司钻沟通不畅或者操作失误的情况下，会出现在关闭防喷器的情况下起升或者下放游动系统，造成防喷器芯子损坏。同样，在部分平台上，钻井绞车盘刹没有和电机驱动系统联锁控制，在情况判断不清楚的情况下，也会造成刹车闭合操作钻井绞车的情况。

如果缺少本质安全性联锁保护，对于新入职的操作人员或者在操作人员判断失误的情况下，极易造成高价值设备损坏，也会造成人员伤害。

2 钻井绞车与刹车系统联锁保护

2.1 概述

某平台程序中盘刹状态只有盘刹急停开关的开关状态，在盘刹泵站未上电、驻刹状态或者电机跳闸情况下，调速手柄依然可以动作，如果操作人员未注意到或者误操作，会导致钻井绞车在刹车状态下运行，刹车钳磨损或绞车电机过载报故障。原天车防碰程序只设置当触发天车防碰时只有盘刹动作，调速手柄依然可以动作，这种情况下会对钻井绞车造成很大的冲击，而且刹车钳磨损严重甚至绞车电机报过载故障停车。

2.2 改造技术分析及实施

分析盘刹液压回路，安全钳正常工作压力值为7.5 MPa，后备储能瓶压力值5.8～6 MPa，液压回路压力值如果低于5.8 MPa，可以默认安全钳没有打开，因此如何采集安全钳液压回路压力信号尤为关键。

通过加装可调压力开关（图1），用变径管线与液压回路连接，压力开关调节到800 psi（5.5 MPa）动作，取压力开关常开点信号到PLC 数字量输入端口I17.2，修改绞车操作手柄强制回零程序，增加安全钳压力开关状态I17.2。如果压力开关检测到安全钳液压回路低于800 psi（5.5 MPa），压力开关不动作，绞车操作手柄强制回零，锁死不能动作；如果压力开关检测到安全钳液压回路压力大于800 psi（5.5 MPa），压力开关动作，绞车手柄才可以操作。

图1 可调压力开关

另外，天车防碰回路取的是气源压力开关信号，当触发天车防碰，手拉阀动作，压力开关检测到气压开关动作，盘刹抱死，但是压力开关状态未添加到绞车操作手柄强制回零回路，绞车任然可以操作。修改PLC 程序，把天车防碰回路气源压力开关状态添加到程序手柄强制回零回路。从盘刹电机启动状态信号和盘刹状态旁路开关分别采集信号到PLC 数字量端口I19.2 和I19.5（图2）。

图2 输入地址

外部硬件连接好之后核对各取样点信号，进行模拟试验，检测程序运行正常（图3）。启动钻井绞车，对上述各种工况进行试验，压力开关动作准确到位，程序监测也正常，钻井绞车操作手柄与刹车、天车防碰联锁功能实现。

图3 模拟工况的检测程序

另外增加的功能保护回路也增加了旁路开关，如果压力开关失效或者出现其他误动作情况也可以打到旁路开关，不会影响到钻井绞车的正常使用。

2.3 效果

通过联锁防护改造的实施，经过一段时间使用，保护功能效果明显，大大减小了操作人员误操作导致设备异动的可能，改造使用至今未出现因为刹车未打开导致钻井绞车刹车受到冲击的现象。

3 钻井绞车与防喷器操作系统联锁保护

3.1 概述

某平台BOP（Blow Out Preventer，防井喷装置）闸板开关状态未与钻井绞车电控程序进行联锁保护，当BOP 闸板处于关闭状态时，调速手柄仍然可以操作，导致BOP 闸板密封损坏、严重井下事故等多种危害。

3.2 改造技术分析与实施

为了避免意外操作的发生，在储能器电控箱内增加4 只继电器（图4），采集四组闸板三位四通阀的开关状态信号，并把开关信号采集至PLC 程序中，当BOP 闸板三位四通阀处于关位时，钻井绞车强制零速给定，调速手柄锁死不能操作；当BOP 闸板三位四通阀处于开位时，程序解锁允许调速手柄进行操作。改造后进行功能性试验，所有保护功能及动作均正常。

图4 增加继电器

另外，联锁保护的一个关键点在于怎样取得所有BOP 闸板开关状态，查看储能器电气图纸，核实现场储能器远程操作盘控制情况，防喷器的开关液压回路的控制受到液控阀的控制，液控阀又受到电磁阀的控制，所以采集相应液控阀的电磁阀得电、失电状态就可以判断防喷器闸板处于什么位置，确定了信号取样点，通过继电器线圈可以取得电磁阀电源，取继电器常开点，4 个闸板状态4 组继电器常开点状态并联信号反馈到PLC 数字量输入口I20.1。司钻房操作面板增加BOP 与钻井绞车联锁旁路旋钮，采集旁路信号到PLC 数字量输入口I18.7，修改钻井绞车强制操作手柄零位程序，添加BOP 闸板开关状态以及联锁旁路。

3.3 效果

程序修改完后对BOP 进行模拟开关试验，当4 个闸板只要有1 个处于关闭状态，钻井绞车操作手柄就无法动作，当4 个闸板都处于打开状态，钻井绞车手柄可以正常操作，预期钻井绞车操作手柄与BOP 双闸动作联锁功能实现，检测程序运行正常。

4 应用价值

（1）减少设备人员损害，提高安全性。通过实施钻井绞车本质安全联锁防护改造，可以有效保证钻井绞车处于更优的保护状态下工作，减少设备误操作带来的设备损坏、作业事故和人员伤害。

（2）降低维护成本。减少易损件损耗，大大减少了维护时间以及维护成本，避免了误操作引起的设备配件更换和修理，降低维护成本。

（3）提高产值。钻井平台往往是日费结算形式，减少停工时间就是增加作业时间、提高产值。

（4）普适性。2010 年甚至更早建造的钻机，均通过PLC 控制驱动，本文介绍的技术改造方式均可应用，该方案的推广有较大的现实意义。

5 结语

通过简单的技术改造，实现钻井平台核心设备钻井绞车的本质操作安全，经应用验证，能显著降低甚至消除误操作或者指令错误导致的关键设备损坏和人员伤害，有效降低设备故障率和维护成本，提高生产效率。