石油電動鉆機(jī)智能防碰系統(tǒng)的研究

高小紅 ，朱光虎

（1.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅天水741020；3.中國石油天然氣股份有限公司 玉門油田分公司 老君廟采油廠，甘肅玉門735200）

1 引言

鉆機(jī)在鉆井作業(yè)過程中，最頻繁的操作就是起下鉆作業(yè)。絞車通過滾筒的鋼絲繩拉動游車大鉤來帶動井下鉆具上提和下放。在上提游車或鉆具的過程中，如果操作失誤，游車大鉤到達(dá)一定高度未能及時剎車，游車大鉤將碰到鉆機(jī)井架頂部的天車，會對天車和井架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響。同樣，在下放游車或鉆具時，如出現(xiàn)操作失誤，大鉤達(dá)到轉(zhuǎn)盤附近未及時剎車，將會對轉(zhuǎn)盤和井架造成巨大沖擊，甚至造成設(shè)備損壞，同時可能危及鉆工的安全。所以，提高鉆機(jī)絞車防碰系統(tǒng)的可靠性一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文介紹了一套石油電動鉆機(jī)智能化防碰系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過檢測游車大鉤的行駛高度，當(dāng)絞車游車到達(dá)預(yù)設(shè)定的減速、停車、上碰、下砸位置時，絞車會自動減速和停車，如作業(yè)需要絞車?yán)^續(xù)上提或者下放，司鉆在解除保護(hù)的情況下，絞車可以低速運(yùn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)上碰和下砸點(diǎn)時，防碰系統(tǒng)自動置絞車給定為零，變頻器處于懸停狀態(tài)，剎車系統(tǒng)自動抱閘。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，系統(tǒng)還增加了依據(jù)懸重限速、大鉤高度自動校正、Anti－Two Block保護(hù)裝置和盤剎測試等功能。

2 技術(shù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及原理

這種電動鉆機(jī)智能防碰系統(tǒng)是鉆機(jī)電控系統(tǒng)的內(nèi)嵌程序，它以PLC、操作顯示屏和變頻器為核心。該智能防碰控制系統(tǒng)由其核心控制系統(tǒng)、增量或絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器、剎車控制器件、剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)、絞車、Anti－Two Block 保護(hù)裝置、懸重傳感器、高度自動校準(zhǔn)系統(tǒng)等組成，其工作原理如圖1所示。

控制系統(tǒng)是整個智能防碰系統(tǒng)的核心。防碰系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器從絞車滾筒上采集旋轉(zhuǎn)脈沖信號，輸送到FM350計數(shù)模塊，PLC讀取FM350的相關(guān)信息，通過方向判斷、計數(shù)，再根據(jù)滾筒的直徑、開檔距離、繩徑、當(dāng)前層數(shù)、當(dāng)前圈數(shù)、每層圈數(shù)、繩系和絞車電機(jī)的傳動比計算絞車游車高度和速度，并根據(jù)預(yù)設(shè)置的減速點(diǎn)、上停、上碰、下砸等安全參數(shù)做出相應(yīng)報警和自動抱閘；同時根據(jù)高度自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，自動校正大鉤高度；依據(jù)懸重信號，自動限制鉤速；司鉆還可以在作業(yè)允許的情況下，靈活、自由地測試盤剎的工況。

圖1 智能防碰系統(tǒng)工作原理框圖

2.2 系統(tǒng)軟件主要算法和工作原理

現(xiàn)代滾筒多采用Lebus繩槽，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于滾筒帶槽，導(dǎo)致鋼絲繩大部分作環(huán)狀纏繞，并在180°對側(cè)有兩次跳槽，這就避免了一側(cè)跳槽帶來的滾筒旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不均勻的現(xiàn)象，這是一個優(yōu)點(diǎn)，另外，這種帶槽滾筒的第一層纏繩可以松開工作，這也減少了總的纏繩層數(shù)。

大鉤高度相關(guān)參數(shù)的計算：

a）滾筒每層纏繩直徑計算

滾筒槽底的直徑為D0

圖2 鋼絲繩的纏繩示意圖

式中，Δ為排繩間隙，實(shí)際使用中由于鋼絲繩受力變形等因素忽略不計，在每層總長度增加校正系數(shù)Kn。

c）滾筒編碼器每圈脈沖數(shù)為np

滾筒編碼器每層脈沖數(shù)為nr

d）各層的纏繩量計算

當(dāng)大鉤落在鉆臺面上時，滾筒的纏繩按第一層剩余1/3圈數(shù)計算，纏5層可滿鉆機(jī)起升單根立柱的需求，則各層的纏繩量如下：

總纏繩量為：

式中，K1－K5為第一層到第五層的纏繩量校正系數(shù)。

e）絞車提升系統(tǒng)繩系結(jié)構(gòu)

絞車提升繩系為Z＝mL×nL，所以鋼絲繩的移動距離L總和大鉤移動高度H的關(guān)系為：

式中，Z為有效繩數(shù)，mL為動滑輪數(shù)，nL為靜滑輪數(shù)。

f）大鉤高度H計算

g）大鉤速度V鉤計算

2.3 系統(tǒng)軟件流程圖

防碰系統(tǒng)的保護(hù)主要通過PLC程序根據(jù)FM350計數(shù)模塊采集的滾筒編碼器的信息，依據(jù)絞車滾筒相關(guān)參數(shù)、繩系、絞車電機(jī)到滾筒的傳動比等計算游車的高度和速度。依據(jù)游車高度，系統(tǒng)自動限制游車的速度，在上碰、下砸、絞車故障、盤剎故障時自動報砸和報警。同時，在游車運(yùn)行過程中，系統(tǒng)在大鉤高度自動校零點(diǎn)，進(jìn)行高度校零，再自動校正運(yùn)行高度，修正由于繩滑和計算誤差而造成的高度偏差。

在大鉤高度保護(hù)的基礎(chǔ)上，智能防碰系統(tǒng)還增加了以下輔助功能：

a）依據(jù)懸重限速和超重后禁止上提保護(hù)功能；

b）過電子上防碰點(diǎn)后給定自動置零、抱盤剎，停止上提保護(hù)功能；

c）Anti－Two Block動作后禁止上提保護(hù)功能。

具體控制軟件的流程圖如圖2所示。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 智能限速

智能防碰系統(tǒng)通過PLC采集主電機(jī)的給定速度、實(shí)際速度、實(shí)際扭矩、頻率、絞車懸重信號、滾筒編碼器數(shù)字信號等，可精確地計算出游車的具體位置，同時將計算的游車高度與設(shè)定的上碰下砸高度、絞車實(shí)際懸重、絞車固有懸重等特性進(jìn)行比較分析，并與絞車控制系統(tǒng)結(jié)合，使系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的負(fù)載特性和運(yùn)行參數(shù)，自動地限制絞車的速度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能報警—減速—剎車的功能。

3.2 智能剎車和智能禁止上提

智能防碰系統(tǒng)將計算的游車高度與設(shè)定的上碰下砸高度進(jìn)行比較分析后，利用控制系統(tǒng)，自動根據(jù)智能保護(hù)程序，自動地控制變頻器的給定，實(shí)現(xiàn)絞車自動減速和停車。在上、下自動停車后，在解除CrownFloorSaver O/R指令后，絞車可以繼續(xù)上提和下放，當(dāng)?shù)竭_(dá)上碰或者下砸設(shè)置高度后，控制系統(tǒng)使絞車給定置零，防碰系統(tǒng)發(fā)出剎車指令，系統(tǒng)自動抱閘。當(dāng)電子上防碰動作后，在釋放盤剎的情況下，智能防碰系統(tǒng)會自動判斷絞車的運(yùn)行方向，如果司鉆加上提給定，程序控制絞車禁止上提，觸摸屏報警區(qū)提示“絞車上碰動作，禁止上提”的警告信息；如果司鉆向下操作絞車，絞車運(yùn)行正常且在大鉤高度低于上停車點(diǎn)后，系統(tǒng)自動復(fù)位CrownFloorSaver O/R。

圖2 控制軟件的流程圖

3.3 Anti－Two Block 保護(hù)裝置

在滾筒編碼器出現(xiàn)故障或者司鉆在不正確的位置對大鉤高度校零后，計算的實(shí)際游車高度與實(shí)際距鉆臺面高度不符后，在實(shí)際需要的上停車、上碰點(diǎn)上沒有動作，當(dāng)游車上升到接近天車位置時，Anti－Two Block保護(hù)裝置發(fā)出保護(hù)信號，防碰系統(tǒng)發(fā)出剎車指令抱盤剎，絞車給定置零，觸摸屏上顯示“Anti－Two Block動作”的報警信息。在解除Anti－Two Block保護(hù)下，不管司鉆如何操作絞車，通過防碰控制程序保護(hù)，絞車只能向下運(yùn)行，不能向上運(yùn)行。

3.4 盤剎測試功能

盤剎是鉆機(jī)制動的主要部件，為了提高系統(tǒng)的可靠性，防碰系統(tǒng)特別設(shè)計了盤剎測試功能。正常情況下，如果盤剎沒有打開，絞車只出靜態(tài)矩，不會再額外出力；當(dāng)司鉆需要測試盤剎的工況時，只需要激活Brake Test按鈕開關(guān)，司鉆漸漸增加手柄給定，在制動的工況下，絞車的扭矩逐漸增加，司鉆通過絞車電機(jī)的扭矩就可以觀察、判斷剎車工作是否正常。司鉆定期應(yīng)測試盤剎，以避免盤剎可能失靈而造成上碰、下砸等重大事故發(fā)生。

3.5 位置記憶功能

系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)緊急停車或者其它情況下，當(dāng)遇到停電時，游車可能停在任何高度位置，這時智能防碰系統(tǒng)會自動記憶游車位置，當(dāng)系統(tǒng)供電恢復(fù)后，游車再次運(yùn)行時，不需要重新校正大鉤高度，系統(tǒng)會在原高度位置繼續(xù)正常工作。

3.6 高度校正方便

在頂驅(qū)的軌道或者相似位置安裝兩個磁性接近開關(guān)，游車在有效的運(yùn)行空間工作時，當(dāng)移動到下方接近開關(guān)時，游車高度自動校零，當(dāng)移動到上方接近開關(guān)時，游車高度自動校正為現(xiàn)場實(shí)測的高度。

觸摸屏上還有一個大鉤高度校零按鈕，在長時間運(yùn)行過程中，由于絞車滾筒與大繩間的滑動和繩徑變化會造成高度誤差較大時，司鉆會將游車下放至鉆臺合適的位置，只需輕輕按動大鉤高度校零按鈕即可。

3.7 雙滾筒編碼器

防碰系統(tǒng)的高度保護(hù)數(shù)據(jù)源由滾筒編碼器采集。為了提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)在滾筒上安裝兩個編碼器來計算游車的行駛高度，如果兩個編碼器的計數(shù)偏差大于設(shè)定值，防碰系統(tǒng)會自動使絞車的給定置零，系統(tǒng)自動抱閘，觸摸屏上會顯示“大鉤高度計數(shù)錯誤”的報警信息。

4 現(xiàn)場運(yùn)行

通過在多套鉆機(jī)系統(tǒng)中的使用和現(xiàn)場運(yùn)行試驗，該智能防碰系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、正常，實(shí)現(xiàn)了司鉆不操作剎把、游車到達(dá)預(yù)設(shè)的減速點(diǎn)自動減速、到達(dá)預(yù)設(shè)停車點(diǎn)自動停車、到達(dá)預(yù)設(shè)上碰下砸點(diǎn)自動剎車等功能。Anti－Two Block保護(hù)裝置在電子防碰出現(xiàn)故障的特殊情況下，可作為電子防碰的有效補(bǔ)充，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全系數(shù)。通過使用智能防碰系統(tǒng)，可有效防止司鉆在違章或誤操作情況下發(fā)生上碰或下砸事故，可對鉆機(jī)系統(tǒng)起到良好的安全保護(hù)作用，極大地提高了鉆機(jī)在操作過程中的安全性。