剖析石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤測(cè)控儀器設(shè)計(jì)應(yīng)用

趙冠華　熊玉婷　尚小義　李晉

石油開采工作設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備種類很多，鉆機(jī)是其中比較重要的一種設(shè)備，從結(jié)構(gòu)上分析來(lái)看，地面部分的轉(zhuǎn)盤旋進(jìn)部分對(duì)于其工作性能和工作效果有著重要的影響，對(duì)于轉(zhuǎn)盤性能的測(cè)試也對(duì)其正常工作有一定的影響。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)化檢測(cè)，我們創(chuàng)新引入了微處理測(cè)量模塊，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化測(cè)量與測(cè)試。對(duì)于鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)和使用，要從測(cè)量硬件和計(jì)算軟件兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，才能實(shí)現(xiàn)高效率、高性能、高準(zhǔn)確度的測(cè)量?jī)x器，使石油鉆機(jī)更加可靠和準(zhǔn)確的運(yùn)行，保證工作效率和使用安全

引言

轉(zhuǎn)盤是石油鉆機(jī)的重要組成部分，石油開采工作中石油鉆機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)盤的工作性能也決定了石油鉆機(jī)的應(yīng)用效果，其主要性能參數(shù)是傳遞扭矩，決定了帶動(dòng)鉆頭旋進(jìn)完成鉆進(jìn)工作。轉(zhuǎn)盤在鉆機(jī)工作時(shí)，主要用于旋進(jìn)鉆頭和鉆桿的打撈工作、懸掛下桿管住、起鉆卸扣、承受渦輪旋進(jìn)反作用扭矩。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的扭矩和轉(zhuǎn)速直接關(guān)系到鉆井質(zhì)量和鉆井進(jìn)度，這些工作指標(biāo)也是鉆機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的主要參數(shù)，能夠?yàn)殂@探技術(shù)人員提供更加直觀的工作反饋，通過(guò)這些數(shù)據(jù)的直觀表達(dá)，能夠更加準(zhǔn)確并快速的分析出鉆機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，是否遇到工作問題，如何做出工作調(diào)整。

在傳統(tǒng)的鉆井工作中，對(duì)于轉(zhuǎn)盤的監(jiān)控都是通過(guò)模擬表數(shù)值反映，模擬儀表雖然也能夠反映一些工作數(shù)據(jù)，但是信息的反饋時(shí)效性低，特殊情況下準(zhǔn)確度不足，也限制了單一技術(shù)人員進(jìn)行監(jiān)控。隨著鉆井技術(shù)不斷進(jìn)步，逐漸引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)和微控技術(shù)，信息化智能化的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用變得很有必要，為了響應(yīng)電氣化鉆井設(shè)備和人性化共享化工作要求，要針對(duì)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的測(cè)控設(shè)計(jì)和開發(fā)更加高效的數(shù)字化儀器。

一、轉(zhuǎn)盤測(cè)控系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)

（一）轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)

鉆井轉(zhuǎn)盤實(shí)際上是一個(gè)減速器，多呈“八”字形，主要部件有：底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、各種圓弧齒輪、錐齒輪、鏈輪、各種軸承。轉(zhuǎn)盤的主要功能就是為鉆機(jī)旋進(jìn)提供主要扭矩輸出，動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)和變速傳動(dòng)系統(tǒng)，在動(dòng)力轉(zhuǎn)換方面將電機(jī)提供的水平動(dòng)力變?yōu)樾M(jìn)所需的垂直動(dòng)力，轉(zhuǎn)換扭矩使得鉆頭和鉆桿能夠按特定方向進(jìn)行旋進(jìn)。鉆頭在下鉆和起鉆兩個(gè)過(guò)程中需要兩個(gè)相反的扭矩，所以轉(zhuǎn)盤也應(yīng)當(dāng)能夠提供這樣兩種相反的扭矩。另外在鉆柱進(jìn)入地下一定深度后，將扭矩傳遞入更下級(jí)鉆頭或鉆柱時(shí)，高速的旋轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致絲扣脫落，轉(zhuǎn)盤還應(yīng)當(dāng)具有一定的反扭矩中和作用，這樣才能更好的避免這樣的事故發(fā)生。

（二）轉(zhuǎn)盤測(cè)控系統(tǒng)的作用和工作原理

轉(zhuǎn)盤測(cè)控系統(tǒng)主要有兩大測(cè)量傳感器，霍爾傳感器和壓力傳感器，轉(zhuǎn)盤接受了經(jīng)過(guò)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)動(dòng)能在水平軸上產(chǎn)生一系列作用，霍爾元件可以直接獲取轉(zhuǎn)速等信息，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)又可以將壓力指標(biāo)間接的傳遞給壓力傳感器，最終將這兩種數(shù)據(jù)傳入測(cè)控儀器進(jìn)行表達(dá)和分析。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要是把轉(zhuǎn)盤中鏈輪和軸承之間的扭矩轉(zhuǎn)化為液壓，這樣就可以將扭矩用壓力來(lái)表達(dá)?；魻杺鞲衅髦饕抢妹}沖轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速用脈沖信號(hào)進(jìn)行表達(dá)，利用間接量對(duì)直接量進(jìn)行等效代換，更有利于測(cè)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行。測(cè)控系統(tǒng)主要接受了來(lái)自兩大傳感器的信號(hào)，將該信號(hào)等效為扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)值并進(jìn)行直觀表達(dá)，并且該系統(tǒng)對(duì)于數(shù)值的接受和表達(dá)功能還能提供預(yù)警信號(hào)，數(shù)值在與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)之間如果存在誤差，將能夠?qū)⑦@種誤差表達(dá)給技術(shù)人員。

二、測(cè)控系統(tǒng)的硬件

（一）硬件結(jié)構(gòu)

使用微芯片和微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫是高效的，我們采用一種適用性能良好的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片作為主要處理單元，該單元具有8KB大小的ROM可用于存放數(shù)據(jù)和微程序，另外還有256B大小的RAM，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理速度效率比較高。以該芯片作為系統(tǒng)處理核心，轉(zhuǎn)盤感應(yīng)器的信號(hào)獨(dú)處通過(guò)信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換成芯片可處理信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)入，導(dǎo)出方面則可以使用顯示器和打印機(jī)等對(duì)數(shù)據(jù)表達(dá)進(jìn)行收集。另外，系統(tǒng)中還可以接入外部存儲(chǔ)設(shè)備，能夠?qū)v史數(shù)據(jù)整體保存，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

（二）測(cè)控電路

一、信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換電路，把傳感器傳入的脈沖信號(hào)等核心不可直接處理的信號(hào)調(diào)整成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片可處理的高低電平信號(hào)。

二、用戶交互電路，由I/O電路構(gòu)成，可以接入輸入設(shè)備如鍵盤、輸出設(shè)備如顯示器、打印機(jī)、報(bào)警器等。鍵盤作為主要的輸入單元，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片預(yù)編程和相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)設(shè)；顯示器是最直觀的數(shù)據(jù)表達(dá)設(shè)備，芯片將處理的數(shù)據(jù)直接以可視化內(nèi)容表達(dá)在顯示器上，技術(shù)人員能夠更好的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；打印機(jī)則是將信息以紙質(zhì)內(nèi)容顯示出來(lái)，有利于數(shù)據(jù)的保存；信號(hào)報(bào)警器則更好的實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守化，遇到數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或其他異常，可以通過(guò)聲音和燈光進(jìn)行提醒。

三、核心電路，通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體微芯片的中央處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算。

四、可選電路，通訊模塊和時(shí)鐘模塊。通訊模塊能夠直接將傳感器信號(hào)作為信息向其他已連接設(shè)備傳輸，提供了工作協(xié)作效率。時(shí)鐘模塊則將測(cè)量信息與精確的時(shí)間對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣的數(shù)據(jù)分析起來(lái)能夠得到更多的準(zhǔn)確結(jié)論。

三、軟件設(shè)計(jì)

基于微芯片處理的測(cè)控系統(tǒng)，軟件的設(shè)計(jì)是將硬件與設(shè)計(jì)目的緊密結(jié)合的關(guān)鍵，也是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。軟件設(shè)計(jì)要保證運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理精確、高性能。軟件要能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行精確的計(jì)算，還要能夠減少人工參與量，最大程度保證系統(tǒng)的完整運(yùn)行。

（一）監(jiān)控程序

監(jiān)控程序?qū)?yīng)系統(tǒng)的中央處理核心，應(yīng)當(dāng)具有對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的功能，要能夠?qū)⑤斎雲(yún)?shù)保留、能夠?qū)⒉僮餍盘?hào)反映到各個(gè)模塊電路。監(jiān)控程序也是整個(gè)軟件系統(tǒng)各個(gè)功能的主入口，在監(jiān)控程序中能夠通過(guò)不同的鍵功能映射到其他程序功能，為此監(jiān)控程序要提供診斷程序入口、預(yù)設(shè)程序入口、查詢與打印程序入口、登錄與退出程序入口等，各個(gè)鍵功能對(duì)應(yīng)子程序，子程序功能完成后能夠回到監(jiān)控主程序進(jìn)行下一步操作要求。

（二）服務(wù)程序

為了滿足實(shí)際的鉆井工作需要，對(duì)于轉(zhuǎn)盤工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要求較高，周期性數(shù)據(jù)采樣成為測(cè)控的關(guān)鍵，所以要設(shè)計(jì)定時(shí)中斷-響應(yīng)程序，主要完成周期采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、現(xiàn)實(shí)周期內(nèi)現(xiàn)實(shí)采樣數(shù)據(jù)。主要工作原理在通過(guò)中斷-響應(yīng)條件的設(shè)計(jì)，出發(fā)中斷條件，各數(shù)據(jù)處理模塊開始工作，將所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，將數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)，在將中斷條件恢復(fù)，系統(tǒng)繼續(xù)原始運(yùn)行狀態(tài)。中斷體現(xiàn)在人工介入的參與，響應(yīng)體現(xiàn)在暫停系統(tǒng)目前工作流程，將中斷時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行保存，現(xiàn)行處理中斷條件要求，完成后在從以保存的工作狀態(tài)進(jìn)行回復(fù)。這大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性和可控性。

結(jié)語(yǔ)

石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際使用情況，還可以根據(jù)工作要求添加其他的功能和設(shè)備，數(shù)據(jù)傳感器越多對(duì)于轉(zhuǎn)盤工作狀態(tài)把握也就越準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)工作系統(tǒng)化，規(guī)范系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，微處理、模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?yàn)檗D(zhuǎn)盤測(cè)控提供更加可靠的工作價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]高龍崗，張福.石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤慣性剎車裝置[J].石油機(jī)械. 2009（09）.

[2]于大海.ZJ70D鉆機(jī)液控盤式剎車的應(yīng)用與建議[J].科技資訊.2010（36）.

[3]黃建勛，吳光強(qiáng)，王立軍.液力變矩器軸向力計(jì)算與優(yōu)化[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2012（01）.

（作者單位：遼寧石油化工大學(xué)）