石油钻机一体化集成控制设计

张建，张康利，王玉明，徐天刚

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻探公司，重庆 401147；2.天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃 天水 741000）

石油钻机主要分为八大系统，包括提升系统、旋转系统、循环系统、动力系统、传动系统、控制系统、辅助系统及井架和底座部分［1－3］。司钻房作为这八大系统的控制中心，内部集成电控系统控制、仪表系统显示、工业监控设置、气电系统控制等，集成控制系统设计是一个复杂且个性化的过程，既要考虑对钻机设备的监测和控制，又要考虑到有效需求功能，是集电气、液压、气控等多项知识所融合的综合性工程。因此，为了提高钻井效率和降低工人劳动强度，石油钻机的一体化集成控制已然成为钻机行业新技术革新的必要阶段。

1 系统简介

集成司钻室系统主要包括：正压防爆司钻房、集成控制单元、司钻操作单元、工业监视系统、辅助系统。集成司钻室系统及控制对象包括：盘式刹车和电磁刹车、液压站、绞车、泥浆泵、转盘自动送钻、顶驱、柴油机、井口工具、铁钻工、二层台（钻台面）机械手、气动卡瓦、液压吊卡、钻井参数仪、液压猫头操作控制、电代油设备等［4－5］。司钻房结构图如图 1所示。

图1 司钻房结构图

1.1 正压防爆司钻房

通常，司钻控制房正前方需设计视野开阔的固定窗口，满足司钻人员观察井口状况、鼠洞、大钩位置及液压大钳等设备，同时便于司钻与其他工作人员间的交流，房体底部留有气路管线、液压管线和电缆控制等进出线通道，同时具备易拆卸、易安装的特点。由于钻井过程中存在一定的客观危险因素，所以司钻房内电气设备的防爆要求十分严格。因此，司钻房整体必须设计为正压防爆型。正压防爆司钻房按照其结构可以划分为：房体设计、控制系统、触摸屏显示及辅助设备四个部分，其中房体设计包含整体房体、底座固定、转椅、前置控制台等。正压防爆司钻房外观如图2所示。

图2 正压防爆司钻房外观

1.2 集成控制单元

集成控制单元由PLC控制及通讯接口单元、电源配电单元和阀岛控制单元组成。电源配电单元提供集成控制单元所需400V／220V AC配电回路、24 VDC控制电源回路，包括电源模块、微型断路器、选择开关、指示灯、插板等。

PLC控制单元采用西门子S7－1500PLC，采集钻台信号和相关子系统数据，通过西门子专用通信电缆完成数据传输将信号传输至集成系统的PLC控制单元进行处理，包括西门子S7－1500CPU，I／O模块，8口网管型交换机（其中MOXA8口网管型交换机2套用于控制，MOXA8口网管型交换机2套用于视频）、端子排、中间继电器、安全栅、放大板、微型断路器等。系统采用冷备冗余，信号模块双通道配置。阀岛控制单元需要控制原钻机绞车阀岛箱、并车箱阀岛箱、司钻房阀岛，器件包括继电器、微型断路器、PLC、控制板等。

1.3 司钻操作单元

司钻操作单元由集成式不锈钢操作台、司钻座椅、触摸屏、操作手柄、转换开关、按钮、原机械表头、原视频控制板、原喊话器等组成。触摸屏操作系统通过PLC以PROFINET协议进行数据传输将钻机各个子系统集成到一个监控网络，所有设备的操控指令、状态信息、钻井工艺信息等，均由触摸屏统一监控和管理。整套系统通过集成实现原机械钻机绞车、泥浆泵和转盘装置启停操作、阀岛控制、顶驱控制、电代油控制、井口自动化机具监控及仪表系统等，是智能化、集成化、信息化为一体的司钻控制系统。具有完整的系统诊断功能，丰富的软件应用包，提升作业安全、效率。配备区域安全管理系统来实现不同设备间的防碰撞功能和司钻的防误操作。集成式操作台由不锈钢操作台、司钻操作座椅、操作手柄和转换开关等组成。采用一套集成座椅，操作器件安装在司钻正前方操作台面和司钻座椅上，司钻在座椅上可完成钻井相关的设备监控及操作。

1.4 工业监视系统

钻井多参数仪表显示是一种数字显示设备，主要包含下面四个界面：系统显示、逻辑显示、参数显示和司钻界面显示。系统界面含有传动设备的运行情况及设备的状态参数；逻辑界面含有设备连锁点的工作状态；参数界面主要含有各个设备的运行参数，如大钩高度、立管压力、井深、泵冲、转盘转速、扭矩等；司钻界面包括经常需查看的参数，如发电机电压电流、扭矩、游车高度等。其次，还需安装多画面监视器，在关键位置安装摄像头，通过一个界面的分屏显示，进一步仔细观察设备运行情况，以便及时发现问题，做出相应的调整措施。图3所示为司钻台原理图。ZJ70LDB型钻机司钻房控制系统具有以下4个优点：

图3 司钻台原理图

（1）实现远程精准控制电机转速；

（2）操作功能相互互锁，避免误操作，提升可靠度；

（3）天车防碰采用防碰过卷阀系统提高设备运行安全性；

（4）转盘惯刹回路简单可靠。

1.5 辅助系统

辅助系统除传统的辅助功能外新增防碰互锁保护功能。

防碰功能：

在井口区域与低位区域要设置防碰，防碰高度强制为5米。二层台区域要设置防碰，当机械手进入井口区域，绞车停止动作。

互锁功能：

（1）吊卡与卡瓦互锁：吊卡与卡瓦不可同时打开；

（2）吊卡与二层台机械手互锁：吊卡与二层台机械手不可同时打开；

（3）铁钻工与绞车互锁：绞车上卸扣时，绞车禁止上提下放；

（4）吊卡与绞车互锁：按下吊卡关闭按钮后若未收到吊卡关闭扣合信号，禁止绞车上提下放；

（5）钻台机械手与缓冲手互锁：钻台机械手未复位且没有偏移离开井口通道时，缓冲手禁止伸出至猫道；

（6）钻台机械手与猫道：钻台机械手未复位且没有偏移离开井口道时，猫道大车上钻台后禁止小车前进；

（7）绞车与吊环互锁：绞车高位之间时禁止吊环前倾与后倾，已前后倾的需重新按下吊环浮动，绞车方可运行；

（8）吊卡与二层台机械手互锁：绞车高位，若吊卡与二层台机械手钳头都闭合，禁止二层台机械手动作；

（9）吊环与二层台机械手互锁：绞车高位，二层台机械手井口伸出后，禁止吊环前倾或后倾。

同时对讲、喊话系统集成操作单元协同布局，对讲、喊话系统利用原钻机的配置进行重新安装。

2 结论

ZJ70LDB设计思路采用标准化的设计思路，运用可靠的线路，避免恶劣环境对系统稳定性的影响，同时该系统自动化程度高，系统稳定，安全可靠，可以最大程度减少事故发生。本设计方法解决了现有气控部件分散操控、安全性差、维护困难等问题，为司钻房的小型化、智能化的发展进一步提供保障。