石油钻机固控电气设备自动化初探

陈和平，郑 雄，冉 建

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司川西钻探公司，四川成都 610051）

0 引言

随着国产钻机设备的不断优化升级，钻机动力、提升、钻具旋动已全面实现自动化，泥浆泵组、绞车、顶驱转盘、自动送钻及井口自动化采用集成控制，电气自动化智能化发展达到一个新的高度。钻机操作控制更轻松，节省大量的人力，设备效率显著提升。同时采用变频控制系统，节能效果更为明显。固控系统用于处理和储存钻井液，是钻井生产的血液，决定钻井的质量和效率。随着钻井工艺技术要求的提高，固控电气设备数量多、功率增大，且固控系统电气设备高耗能、自动化程度低、设备安全稳定性差。固控系统加重泵、剪切泵、灌注泵、除砂泵除泥泵、搅拌器、振动筛、除泥器、离心机及岩屑传送机等设备沿用传统的控制方式，存在明显的缺陷与不足。钻井液密度越来越大，其快速优质处理钻井液能力不足，无法满足智能钻机钻井工艺的技术要求，同时低效耗能与低碳绿色环保钻井要求也不相符合。

1 钻机固控系统电气设备发展回顾与现状

1.1 历史回顾

20 世纪90 年代，大部分钻机由机械钻机组成，钻机型号主要有ZJ32、ZJ45、ZJ60、ZJ70 等，机械钻机固控系统装机容量较小，总功率典型值为438.5 kW。2000 年开始引进电动钻机和复合（半电动）钻机，电动钻机主要有ZJ40DBS、ZJ50ZPD 型号，固控系统总功率增至584.5 kW。2010 年代国产电动钻机ZJ70DBS、ZJ80DBS 开始普及，固控系统总功率增大至739.6 kW。目前国产智能化钻机ZJ90DBS 已开始投入使用，固控系统总功率增至1094.7 kW。搅拌器电机单机功率由7.5 kW 增至15 kW，加重泵由30 kW 增至75 kW。同时钻井液处理技术、环保要求越来越高，离心机从无到有，发展到如今的两台（高速和中速）同时运行。岩屑传输和处理等清洁化生产设备增加非常明显，固控系统电气设备数量和功率均呈迅猛增加的趋势（表1）。

表1 钻机固控系统电气设备装机功率历史变化

1.2 现状与不足

与智能钻机主体设备相比，绞车、顶驱、转盘、钻台二层台机械手等均已实现自动化操作。而固控系统电气设备仍需由人工操作，自动智能化水平较低，明显落后于钻机主体设备，与智能钻机极不相符。

（1）数量多、功率大、耗能高。当前，智能钻机配套的固控系统电气设备数量多、功率大，电机大部分采用直接启动或软启动，仅有高速离心机采用变频器运行。普通Y 系列三相异步电机在传统的控制启动方式下，加重泵、剪切泵、除砂除泥泵、灌注泵等大功率泵类设备运转时通常处于满速运行，当泥浆密度和排量较低，电机功率损耗较大，功率因数和效率只有0.5～0.6。搅拌器电机因与减速器相连，传递功率损耗较大，在低密度泥浆搅拌时电机效率低下。以90DBS 为例，根据cosφ=P/S，当前固控系统绝大部分电机采用YB 系列防爆电机，额定功率因数为0.85，无功损耗为821 kVar。按50%计算，一台钻机年（6 个月纯钻）损耗电量为：Q=1/2×821×0.9×182.5×24=161.82 万千瓦时。同时，搅拌器通过减速器传递后，其最大效率为0.9，但在实际运行中平均效率仅有0.7。

（2）自动化水平低。钻井工程中，钻井工艺对钻井液固相处理和控制技术要求更高，随钻井层位的不同泥浆密度随之变化。固控系统电气设备的控制均由人工操作，从泥浆材料加料到搅拌、循环，返回泥浆除砂除泥分离处理，整个流程的闸阀开通和关断，设备控制耗时费力，处理泥浆效率低下。同时，电气设备的运行状态无法及时监控。电气设备运行参数不随泥浆密度的变化而改变，电机转速以恒定转速运行。

（3）安全性、可靠性、稳定性差。①固控系统电气设备运行环境的特殊性。固控系统区域因钻井液循环，容易产生混合性爆炸可燃性物质，根据API RP 500 对固控区域的划分规定，距罐面1.5 m 为一级一类区域，距一类区域外界面3 m 为一级二类区域。电机直接启动方式启动瞬间超过额定电流的4～7 倍，电机、导线及插接件易产生电气火花。冲击电流、腐蚀性气体使电气设备的使用寿命大大缩短；②设备的安全和可靠性、稳定性。据统计，固控系统电气设备平均电寿命约为5～8 年，因启动过电流而产生的故障率约为8%，插接件故障率约为10%。离心机控制柜及振动筛控制箱长期高温腐蚀，故障比例高达20%。控制箱柜中的电气元器件长期置于高温密封的箱体中，湿度大易结露，电气元器件寿命大大缩短。操作人员维护和保养频次较高，设备自身无法反馈监控运行状况。运行时间、运行参数、保养记录缺失或不准，多重因素造成设备可靠性和稳定性大大降低。

2 固控电气设备智能化系统研究的方向

2.1 提高设备功率因数和效率，降低能耗

（1）集中补偿与分散补偿相结合。充分利用现有设备加装400 V SVG 自动无功补偿装置，提高设备的功率因数。现有钻机电控房空间容量有限，加装难度较大。可采用增设专用的无功补偿装置与400 V 母线并联，实时在线监测系统的功率因数，自动投切补偿电容。对大电机可采用分散补偿，一对一进行补偿，投资成本较低。对新钻机可从设计方面统筹考虑整体的功率补偿，同时考虑固控系统采用600 V 系统供电方式，可以减小导线截面，便于与智能化钻机统一集成。

（2）变频器改造。对老旧钻机固控系统电气设备改进，可采用逐步淘汰低效耗能电机，37 kW 以上电机使用变频器控制。变频器控制风机泵类可节约1/3 的能耗。老旧钻机可将变频器设置在防爆控制箱内，对新钻机设计，搅拌器电机采用直驱降低机械损耗，固控所有电机采用变频控制，统一集成于VFD 房，便于智能化控制。国内市场小功率变频器技术非常成熟，价格低廉，更换加装成本较低，有利于降低成本。

加装自动无功补偿装置和变频器是降低能耗的主要方法和途径，优化和改进老旧的固控系统电气设备能够有效降低能耗，提高设备效率，延长设备使用寿命。

2.2 固控系统电气自动化

（1）系统集成优化。对新设计钻机可将固控系统电机启动自动控制装置集成在VFD 房，泥浆材料的储存、加料和传送全自动化，加重泵、除砂泵除泥泵、灌注泵、振动筛、离心机等，将井口排量、泥浆泵压、钻井液密度信号与流程闸阀通断状态反馈到PLC，现场总线控制，由程序发出指令控制固控系统电气设备自动运行。同时可以在线监测设备运行参数，设备维护保养自动记录，通过5G 互联，实现全自动化操作控制。

（2）搅拌器的自动化思路。搅拌器采用变频永磁电机直驱方式，通过对泥浆密度的采集，由PLC 程序进行优化算法控制变频电机的输出功率和转速。因停电或泥浆沉淀叶轮易堵转，搅拌器叶轮由伺服电机或液压控制升降，也可采用高压泥浆枪自动无死角喷射，防止泥浆沉淀。搅拌器的转速由泥浆密度信号和钻井液的进出口排量实现自动化控制，通过编程对钻井液密度或钻井层位工艺要求进行模块化设计，选取智能模式和手动模式，变频器自动实现电机输出转矩和转速的控制。

（3）大电机的自动化思路。新设计钻机，对固控系统采用大功率永磁变频电机，采用变频器+PLC+工控机现场总线控制。加重泵、除砂除泥泵、灌注泵、离心机大功率电机在VFD 房共用双整流器模块，一对一的逆变器模块，利于优化控制节省空间。大电机控制组态通过钻机的泵压、流量和钻井工况实现互联控制，在正常钻进或起下钻作业时，大电机应与之保持对应的运行模式。

（4）振动筛、岩屑、泥浆材料加料传送自动化方向。现有振动筛振动频率是固定的，而实际钻井施工中，返回液体的固相是变化的，振动筛处理固相的效率较低。通过改进传统的振动筛分离固相的方式，推荐新型负压固液分离器。岩屑机等清洁化生产设备可以改为无轴螺旋结构，并与井口排量信号实现自动关联，电机运行速度与转矩随振动筛分离固相的多少而实时改变。泥浆材料的输送填装加料装置由智能化机械手与传送带实现自动拾取、运移、填装泥浆材料，全过程无人化操作。

2.3 提升系统运行的安全稳定和可靠性

对单台单套老旧设备进行逐步替换淘汰，YB 系列电机可用YBX3 系列高效节能电机替代，小电机启动采用无触点接触器启动控制，大电机变频启动控制单元统一集成在VFD 房，减小启动电流，同时避免高温腐蚀环境，提高设备的安全性和延长设备使用寿命。采用FF-H1 IEC61158-2 的双线信号传输技术，支持总线供电和本质安全防爆。对于新的固控系统装备，采用全系统的智能化控制技术，通过系统集成，对设备的启动控制单元进行集中控制，运用智能仪表，由中央处理器通过现场总线对设备自动控制，提高系统的稳定可靠性。改进老旧固控系统电气设备的防爆控制箱。高温锈蚀结露使箱内的电气元器件故障率更高，寿命一般仅有8 年。建议采用正压防爆，通入清洁干燥的气源，有效降低环境温度和湿度，延长电气元件使用寿命。对现有的离心机控制系统改进方法，将启动控制单元置于MCC 房内，延长电气元件寿命，便于检维修。采用遥控或有线触摸屏控制技术，便于现场操作离心机。

3 结束语

“十四五”时期，单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%，国家对这两项指标作为约束性指标进行管理。节能降耗、降本增效、绿色环保钻井是钻井企业生存发展的永恒主题。对现有的固控电气设备进行升级改造，降低能耗，提高效率。充分利用成熟的自动无功补偿、变频器、PLC、微机控制和万物互联技术，提高处理固相分离效率，为钻井工程提供优质钻井液，也是高效钻井的必要保证。固控系统电气设备智能化是未来发展必然趋势，研究前景十分广阔。