管柱自动化处理系统在石油钻机改造升级中的应用研究

鲁鹏程，周华妮，韩亚洲，吴瀚，蔺鹏博

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002）

1 前言

石油钻机作为石油勘探开发的重要设备，其性能和效率直接影响石油钻井的成效。随着石油工业的发展和技术进步，对石油钻机的自动化水平和效率要求越来越高。为了满足这一需求，管柱自动化处理系统在石油钻机改造升级中得到了广泛应用。其中，管柱自动化处理系统是一种利用先进的自动化技术和设备，对石油钻机中的管柱进行自动化处理和管理的系统。该系统包括钻台面排管机械手、液压钳智能控制系统、吊卡智能控制装置、动力猫道和集中钻井控制系统等组成部分，本文将详细介绍管柱自动化处理系统在石油钻机改造升级中的应用，并探讨其在提高钻机自动化水平和效率方面的重要性和作用。通过对该系统的分析和研究，本文旨在为石油钻机改造升级提供有益的参考和指导，进一步推动石油钻机技术的发展和应用。

2 管柱自动化处理系统

适用于升级改造钻机的管柱自动化处理设备主要包括钻台面排管机械手、液压钳智能控制系统、吊卡智能控制装置、动力猫道和集中钻井控制系统等。

2.1 钻台面排管机械手

钻台面排管机械手是管柱自动化处理系统的重要组成部分，主要负责在钻台上排列和整理管柱。能够自动抓取和放置钻杆、钻铤和套管等管柱，减少人工操作的需求，提高工作效率和安全性。具体钻台面排管机械手操作步骤如图1 所示。

图1 钻台面排管机械手操作步骤图

如图1 所示，在开始钻井作业前，需将钻台面排管机械手安装在钻台上，并对其进行检查和维护，确保其正常运行。钻台面排管机械手的安装位置通常位于钻台的中心部位，距离钻台边缘1000mm 左右。其检查和维护内容包括：检查机械手的各个部件是否完好，如夹具、臂架、电机等；检查机械手的电缆是否完好无损；检查机械手的控制系统是否正常工作。检查完毕后，开启钻台面排管机械手的控制系统，启动机械手。控制系统会自动进行自检，确保各个部件正常工作。自检过程通常需要2 ～3min。自检内容包括：检查电机是否正常工作；检查夹具是否能够正常打开和关闭；检查臂架是否能够正常移动。接着，操作人员将通过控制系统输入指令，告诉机械手需要处理的管柱类型、规格和排列方式，相应控制系统会根据指令生成相应的操作程序。例如，如果需要处理的管柱类型为油管，规格为φ62.5mm，排列方式为垂直排列，操作人员需要在控制系统中输入这些信息。机械手根据控制系统的指令，自动抓取钻台上的管柱。抓取过程中，机械手会根据管柱的形状和规格，调整夹具的力度和位置，确保夹紧并安全运输。夹具的力度通常为500N 左右，可以根据管柱的规格和材质进行调整。同时，机械手将抓取的管柱按照预定的排列方式进行摆放，在排列过程中，机械手可以灵活调整管柱的位置，确保管柱的有序排列。如果预定的排列方式为垂直排列，机械手会将管柱垂直放置在钻台上。当管柱排列完成后，机械手会将其放置在指定的位置，然后释放管柱。此时，管柱自动脱离机械手，并保持稳定的放置状态。管柱的放置位置通常为钻台边缘的指定区域。在钻台面排管机械手完成一次管柱处理任务后，机械手会根据控制系统的指令，继续进行下一次操作。如此循环，直至完成所有管柱的处理任务。一次管柱处理任务通常需要2 ～3min。最后，在机械手完成钻井作业后，操作人员可以通过控制系统关闭钻台面排管机械手，结束作业。关闭机械手后，可以对其进行检查和维护，为下次钻井作业做好准备。

2.2 液压钳智能控制系统

液压钳智能控制系统是一种采用先进控制技术和液压驱动原理的控制系统，主要应用于液压钳等工程机械的自动化控制。该系统通过实时采集和处理各种传感器信号，实现对液压钳的工作状态和执行任务的精确控制，提高工作效率和安全性。液压钳智能控制系统的主要组成部分如下。

（1）控制器。控制器是液压钳智能控制系统的核心部分，负责接收来自传感器的信号，传感器将实时监测液压钳的工作状态和环境信息，如压力、流量、位置、速度等，并将监测到的信息转换为电信号传输给控制器，由控制器进行处理和分析，若传感器输出的是模拟信号，控制器需要通过模数转换器（ADC）将其转换为数字信号，具体ADC 计算如式（1）所示：

式中，d_v是数字输出值，ADC 是模数转换器的分辨率，a_l是模拟输入值，AREF 是模数转换器的参考电压。在转换信号的过程中，控制器为了减少噪声和干扰，需要使用一阶低通滤波对信号进行滤波处理，具体滤波计算如式（2）所示：

式中，outp 是滤波后的输出，inp 是输入信号，T 是滤波器的采样周期。将信号处理完毕后，控制器需根据预设的程序和算法生成PID 控制指令，实现对液压钳的精确控制。具体PID 表达式如（3）所示：

式中，outp 是是控制指令，er 是设定值与实际值之间的误差，Kp、Ki、Kd 是比例、积分、微分系数。

（2）执行器驱动。将控制器生成的控制指令精确地转换为机械动作，以完成特定的任务，如夹紧、松开、移动等。在这个过程中，控制器起到大脑的作用，分析情况并生成指令，而执行器则是肌肉，根据这些指令执行具体的动作。以液压钳为例，当控制器检测到需要闭合或打开液压钳的时候，会生成相应的控制指令。这些指令通过执行器驱动，传递给液压马达或液压缸等执行器。执行器接收指令后，通过液压系统将电能转化为机械能，进而驱动液压钳完成开合的动作。

（3）通信模块。负责实现控制系统与外部设备的数据交互。这种数据交互可以包括与上位机、其他设备进行通信，以实现远程监控和控制。在通信模块的设计和实现过程中，需要使用差错控制检测和纠正数据传输过程中出现的错误。常见的差错控制方法为循环冗余校验，该控制方法通过计算数据的冗余校验码来检测动作是否错误，首先，选定一个生成多项式G 和一个初始值I，然后对数据进行除法运算和模运算，得到CRC 校验码。假设有一个数据位序列为：b1,b2,b3,...bn，其中，bi 表示数据位，则生成多项式是G,初始值是I。CRC 计算如式（4）所示：

式中，C 是CRC 校验码，n 是数据位的长度。通过以上计算公式，通信模块可以实现对数据传输过程中的错误检测和纠正，提高通信的可靠性和稳定性。

2.3 吊卡智能控制装置

吊卡智能控制装置是管柱自动化处理系统的一个重要组成部分，也是一种应用于吊卡设备中的控制系统，能实现对吊卡设备的自动化、智能化控制。在石油钻机的改造升级中，吊卡智能控制装置的应用可以实现对吊卡设备的实时监控和控制，提高设备的工作效率和安全性。其可以通过传感器实时监测吊卡设备的工作状态和环境信息，如负荷、速度、位置等，然后将这些信息发送至控制器，作为控制决策的依据。控制器再通过执行器将控制指令转化为实际的机械动作，如驱动吊卡设备的电机、液压马达等。

2.4 动力猫道

在石油钻机的改造升级中，动力猫道可以实现对吊卡设备的实时监控和控制。具体动力猫道示意如图2所示。

图2 动力猫道示意图

如图2 所示，动力猫道作为钻井管柱自动化处理系统中的重要组成部分，其主要组成部分如下。

（1）底座。作为动力猫道的基础部分，用于支撑整个系统的运行。

（2）液控系统。是动力猫道中负责液压控制的部件，通过调节和控制液压流量和压力，来驱动动力猫道的各个运动部件。液控系统的精确控制对于确保钻井管柱的准确位置和速度至关重要。其中，变量泵是液控系统的核心部件，通过改变泵的转速和调节泵的偏心距，实现液控。通常情况下，泵的流量与转速之间成正比例关系，具体泵的转速与流量的表达式如（5）所示：

式中，Q 是泵的流量，m³/s；K 是比例常数，表示泵每转一转所输出的流量；n 是泵的转速，转/分钟。

此外，在液控系统中，泵的偏心距也是影响泵流量的重要因素。泵的偏心距是指泵内部转子与泵壳之间的径向距离。值得注意的是，泵的流量与偏心距之间也成正比例关系。通过调整泵的偏心距，可以实现对液压流量的精确控制。具体泵的偏心距与流量的表达式如（6）所示：

式中，Q 是泵的流量；e 是泵的偏心距，m；C 是比例常数，表示泵每增加一个单位的偏心距所输出的流量。在实际应用中，调整泵的转速或偏心距时，要综合考虑系统的压力、功率等参数，以确保系统的稳定运行。

（3）坡道。主要用于引导钻井管柱的移动。坡道的设计和角度对于管柱的顺利移动至关重要，需要确保管柱在运输过程中既稳定又顺畅。一般坡道的角度需控制在30°～60°，这个角度既可以保证管柱的稳定，又可以方便管柱的移动。需要注意的是，坡道的角度并不是一成不变的，它会根据实际的钻井需求和条件进行调整。例如，如果管柱比较重，或者地面的摩擦力比较大，那么坡道的角度可能会相对较小。反之，如果管柱比较轻，或者地面的摩擦力比较小，那么坡道的角度可能会相对较大。

（4）输送架。负责实际承载和运输钻井管柱的部件。其中支架是输送架的主要结构部分，通常由坚固的金属制成，如钢或铸铁。支架的设计需要能够承受钻井管柱的重量和运输过程中的各种力。而输送架上的滚轮用于减少输送架移动时的摩擦力，使得输送架可以更轻松地移动。此外，一些输送架可能需要驱动装置，如电机或液压马达，用于提供动力，使输送架能够根据需要移动。

（5）支撑臂。连接输送架和液控系统的部件，主要作用是在液控系统的驱动下，支撑和调节输送架的位置和角度，从而确保钻井管柱能够精确地定位和移动。

（6）猫道主体。是动力猫道的核心部分，通常是一个复杂的机械结构，集成了上述所有部件，并且通过精确的设计和制造，确保整个系统的顺畅运作。

这些部分相互关联，共同构成了动力猫道这一高效的钻井管柱自动化处理系统。每个部分都发挥着不可或缺的作用，以确保钻井作业的顺利进行，提高钻井作业的效率和安全性。

2.5 集中钻井控制系统

集中钻井控制系统是一种高度集成的钻井设备控制系统，它通过将各种钻井设备和部件连接到一个统一的控制平台上，实现对整个钻井过程的实时监控和精确控制。这种系统的目的是提高钻井作业的效率、安全性和准确性。具体集中钻井控制系统组成如图3 所示。

图3 集中钻井控制系统组成图

如图3 所示，集中钻井控制系统通过安装在钻井设备上的传感器和监测设备，实时采集钻井过程中的各种数据，如钻井深度、转速、泥浆压力等，并通过数据传输系统将数据发送到控制中心。控制中心接收到实时数据后，通过数据处理和分析，对钻井过程进行实时监控和控制，并根据所接收的数据报告调整钻井参数、监测异常情况、预测并处理潜在问题等。且集中钻井控制系统通常需具备可视化功能，可以将钻井过程中的各种数据以图形化界面展示，便于操作人员了解钻井情况，同时系统还设有报警装置，当发生异常情况时，可以及时通知操作人员采取相应措施。此外，系统还可以实现远程监控和诊断，使操作人员可以在远程控制中心实时查看钻井过程，并远程控制钻井作业，这有助于提高钻井作业的安全性，尤其是在复杂和危险的环境中。最后，系统可以将钻井过程中的历史数据存储起来，进行后期分析和研究，以便优化钻井参数、提高钻井效率和安全性。通过这样的方式，集中钻井控制系统确保石油钻机改造升级的高效、安全和准确性。

3 管柱自动化处理系统石油钻机改造升级中的对策

在石油钻机改造升级中，管柱自动化处理系统是一个重要的环节。在改造升级过程中，可以优化布局设计，尽量将传感器和设备放置在钻井作业附近，以减少数据传输和能源损耗，提高实时性和效率，同时将设备面板应朝向操作人员，以便于其操作和监控，预留足够的操作空间，以方便设备的维护和检修。此外，对于高温、高压等危险设备，应设置防护罩或隔离区域，以防止意外伤害。其次，在布局设计中，应尽量采用标准化设计，采用统一的接口和连接方式，以便于设备的更换和升级，通过图形化界面展示设备运行状态和数据，以便于操作人员快速了解设备运行情况。也可将系统划分为多个功能模块，每个模块负责一定的功能。这样，在布局设计时，可以根据模块的功能和相互关系进行合理布局，提高系统整体的运行效率和稳定性。遵循以上原则进行布局设计，可以实现管柱自动化处理系统的高效、稳定和安全运行，为石油钻机改造升级提供有力的支持。

4 结语

综上所述，通过在石油钻机改造升级中引入钻台面排管机械手、液压钳智能控制系统、吊卡智能控制装置、动力猫道等设备，能实现管柱操作过程的自动化，大大提高了钻井效率和安全性。在未来的发展中，相关技术人员将继续加大对管柱自动化处理系统的研究和开发力度，不断优化系统性能，提高钻井作业的质量和效率，为我国石油工业的可持续发展作出更大的贡献。