石油钻机中电气液控制系统的智能化应用研究

2022-10-12郭关波朱小辉刘晶

中国设备工程 2022年19期

郭关波，朱小辉，刘晶

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

科学技术发展迅速，石油钻井机行业为了与时代发展相适应，石油钻机的工艺在不断提升，科研人员致力于将石油钻机电气控制系统设计的更为智能化和自动化，从而减少人力、财力的输出，通过改善人工施工和启动方式，逐渐向智能化、自动化方向发展，大幅度改善石油钻井工人的工作环境，降低工人的劳动强度。在石油钻井行业不断发展的过程中，气动液压技术与自动化技术的融合进一步加深，电控气液换向阀等一系列新型阀门的出现，极大提升了电气液压控制技术的能力，同时多种优良技术被应用于石油钻机电气液控制系统中，例如总线技术以及PLC控制技术等，通过这些技术的综合应用，可以实现石油钻机的自动化控制和集中智能化监控。

1 石油钻机电控系统的发展历程

电控系统作为石油钻井平台结构的重要组成部分，是控制钻井作业实际效果，实现钻井作业现代化的关键技术。随着其应用能力的不断提高，已成为油气开发的关键作业设备。因此，研究钻机电控系统的发展历程，对于促进电控系统功能的优化和创新发展具有重要的现实意义。石油钻机的电控系统可以从4个阶段进行概括，每个阶段的发展都具有一定的现实意义，下面就分别介绍。

1.1 驱动开发阶段(AC-AC)

初期的驱动系统主要是以柴油发电机进行供电，电流形式为交流供电，驱动方式也以交流驱动为主，在保证驱动效率和灵活性的基础上，驱动系统结构相对简单，还可以实现独立系统驱动，但是在使用过程中，由于驱动系统中绞车的控制方式是以机械齿轮实现的，因此初期的驱动系统不能进行速度的调节。

1.2 驱动开发阶段（DC-DC）

该阶段的驱动电流采用直流电驱动的方式，主要电源是以多台柴油发电机组进行供电，为整个驱动系统进行供电，这种驱动方式在工作效率，预防故障的能力，以及传动方式上都有一定的优势，还可以实现设备的独立驱动，速度的调节也更为便捷，但是在独立驱动的时候，设备的安全性得不到保证。

1.3 驱动发展阶段（AC-SCR-DC）

该阶段的石油钻机驱动系统的驱动供电方式有两种，一种由电网提供的电压，另一种是由柴油发电机组提供的电流，该驱动方式在满足DC-DC驱动所有优点的基础上，还能实现发电机组的动态并网，与电网相连接，柴油机组和电网以1:2的供电方式进行驱动系统的运行，虽然在市场上已广泛应用，但是任然存在一定的缺点，容易被谐波干扰，功率因数比较低。

1.4 驱动发展阶段（AC-VFD-AC）

石油钻机的组成部分包括主设备和三个相连的辅助设备，现阶段辅助设备采用交流变频驱动，但整个设备的主要驱动方式仍然是国家电网或柴油供电机组进行单元供电。利用国家电网供电的方式或柴油机供电，通过应用VFD变频器，可以实现交流变频电机的单独驱动。其优点是：系统控制性能好，操作简单，多功能扩展，安全保护。缺点是使用和维护成本相对较高，部分应用功能需要进一步改进。

2 电气液控制系统结构

石油钻机电控系统的主要结构组成由系统结构硬件、PLC控制器件，以及系统阀件和阀导控制箱等组成（见图1）。

图1 电气液智能控制系统简图

2.1 系统硬件架构

石油钻机的硬件系统共由5个部分组成，每个部分缺一不可，是石油钻机电气液控制系统的重要组成。其中包括有操作系统控制元件，主要是控制钻机操作；控制阀，控制系统安全；电源，石油钻机电力输出装备；核心控制系统，负责协调石油钻机各部分的运行使用；以及最后的电联辅助元件，负责石油钻机系统的辅助使用。例如图2所示的TP270触摸屏由数字量输出模块、模拟量输出模块、CPU314模块、电源输出模块和数字量输入模块组成。

图2 硬件组成结构图

图3 PLC 分系统控制框图

CPU314模块的主要构成部分由两个组成，分别是编码器的信号输入模块和操作开关状态显示模块，两个模块共同构成了CPU的核心部分，控制系统中的模拟输出模块主要是由压力系统构成，压力系统又包含了气源压力及润滑系统，可以在控制系统中实现模拟量的输入和输出。控制系统可以由三种控制方式进行控制，开关可以对控制系统进行启动和关闭操作；逻辑控制的方式是通过一些编码模块化设置，对参数进行优化之后，利用总线可以实现控制系统的启动和关闭，并控制系统的运行状态，且其中包含了预警报警模块，当出现故障时，还可以进行及时的报警，报警系统会立即显示错误的原因以及如何处理。数字控制系统采用串联方式，DDLDRIVE模块安装在气门导管上，DDLLINK模块安装在平行小车和绞车气门导管上，实现串联，发送数字信号，转换DDL模块数字量。来自该源的控制根据指令执行，最终执行每个控制，并通过触摸屏显示任务的反馈状态信息。

2.2 电液控制系统阀件的选择

电液控制系统的主要工作原理是通过电压液介质的使用，并根据石油钻机中离合器设备的大小，进而进行空气的压缩，能够实现钻机的快速响应和执行操作命令，并带动气门导管的运行，操作精度明显较高，且钻机气动设备的空气压缩流量可以达到1400L/min，能够实现快速响应运行。

2.3 系统气门导管控制箱及PLC选型

例如绞车气门导管控制箱的硬件电路和设计主要采用鼓式离合器控制绞车、换档结构、自动钻礼盒和适当的反馈。电液控制系统的选型受到钻机设备系统运行中一些参数的影响，例如输入输出点数等，根据参数的变化和实际需求考虑，确定电液控制系统的模块类型，采用PROFIBUS总线对电液系统的控制，根据参数变化的情况再选择和合适的PLC的储存容量的型号，满足石油钻机的运行使用。

3 石油钻机自动化电气控制系统优化

通过上述的石油钻机电气液自动化控制系统的结构分析，可以发现在石油钻机电气液控制系统中，智能化和自动化是其未来的发展方向，下文主要依据石油钻机电气液控制系统的结构内容，分析对电气液控制系统的优化发展，以制动器、绞车、顶驱、转盘、管柱输排系统、司钻系统以及司钻控制综合系统进行优化。

3.1 盘式制动器和绞车系统控制优化

整个石油钻机的运行是由制动器以及绞车共同控制的，但是在石油钻机中，制动器以及绞车系统的驱动控制，是2个相互独立且协作驱动石油钻机运行的关系。在绞车运行驱动的过程中，需要对绞车的控制系统设立一个专门的保护系统，保证绞车系统的安全运行，通过设定科学的参数以及提升绞丝的强度，提升绞车的运行安全性，并且强化绞丝的负荷能力，以此来满足石油钻机的使用强度。同时在司钻工作的过程中，应联合手动制动器对司钻的下降上升进行控制，并控制司钻的使用强度，了解司钻的工况环境，保证司钻的工作强度控制在合理的范围内，避免因司钻工作强度过大，导致的制动器和绞车的深度损耗，降低制动器和绞车的使用年限，并将智能化技术融入到制动器和绞车系统中，实现自动制动和绞车运行。

3.2 顶驱及转盘系统控制优化

通过对石油钻机运行过程中顶驱的下降速度以及扭矩大小的计算和设计，可实现动态检测的及时响应，防止上部驱动及转台系统受到干扰，或者它可以在钻机的钻孔过程中停止。除此之外，对顶驱和转盘系统进行优化，设定科学的参数，可以避免钻机在下降过程中出现的一些故障问题，例如卡钻和扭转等，增强智能化的控制系统，可实现数据速度的实时监测，对速度进行控制，并在出现故障问题时及时进行调整。

3.3 自动化管柱输排系统优化

石油钻机的自动管柱输排系统的实现需要多方系统和设备共同协作完成，在设计石油钻机管柱输排系统的时候，可以引用先进的控制技术和设备，例如司钻综合控制技术，以及自动猫道、升降机等的应用，并安装自动化的立根卸料系统，经多方设备的协作，实现管柱的自动化测量、上升和下降，以及自动化的控制司钻在遇到不同工况环境时的钻进方式的改变，更好的提升石油钻机的钻井速度，缩短石油钻机的钻井速度，从而避免人力成本的浪费和输出，减少石油钻机运行过程中出现的故障，并解放生产力和劳动力，提升石油钻机的运行效率。

立根卸料系统的研发和应用，通过设置自动化井架施工设备和气动指梁设备，完成逐级垂直卸料工作，取代传统的人工作业。该系统可通过智能检测完成钻杆卸料旋转、定位、调整、对准等一系列操作，实现精准作业。采用自动井架设备，从井口开始，计算机控制卸料到二层指梁位置，此时气动指梁系统承担钻杆卸料载荷，经过精密自动调试，垂直根部放电终于完成。整个过程无需人工，计算机智能化、自动化控制同时提高排放效率和准确性，避免安全事故的发生。

3.4 钻机综合自动化控制系统优化

在优化钻机综合自动控制系统的过程中，首先要了解石油钻机自动化控制系统的组成内容，主要包括钻机、计算机主控系统、以及石油钻机数据信息采集系统等，将这些集成综合，才能更好地实现石油钻机的驱动运行。想要实现石油钻机综合集成系统的自动化控制，那么首先就需要利用科学的手段，实现每个子设备和系统的自动化以及智能化，在通过主控系统进行联合，最终实现石油钻机的自动化驱动与控制，例如可以通过一键启动控制石油钻机的所有子系统，并设定运行参数，实现自动走道；其次，为石油钻机设备配备一个高端的智能化计算机控制区域，便于对石油钻机的精准控制，并且智能化的计算机设备才是实现石油钻机高质量生产运行的关键措施；最后，集成石油钻机控制系统的数据分析系统，通过各部分子设备收集到的数据、图像信息等内容，集中传输到中央控制系统中，进行数据的整合分析，及时发现问题并对问题进行解决，规避石油钻机在运行过程中可能出现的问题，保证石油钻机在一个良好的工况环境下进行工作，并提升石油钻机的使用寿命。