石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)加裝改造方案

張慧杰，梁維剛，袁 健

（1.川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，四川成都 610056；2.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)送鉆系統(tǒng)已成為石油鉆機(jī)必不可少的輔助設(shè)備，其優(yōu)良的性能可以大大減輕司鉆勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)化。同時(shí)能顯著提高鉆井效率，改善鉆井質(zhì)量，降低鉆頭的磨損程度。但由于國(guó)內(nèi)部分老式鉆機(jī)出廠配套時(shí)并沒(méi)有裝配自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，要想實(shí)現(xiàn)其功能必須在原鉆機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造。

1 技術(shù)改造方案分析

按照自動(dòng)送鉆執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，可以分為盤(pán)剎自動(dòng)送鉆和變頻電機(jī)自動(dòng)送鉆?，F(xiàn)以某國(guó)內(nèi)油田ZJ50D 鉆機(jī)為基礎(chǔ)，分別通過(guò)以上兩種方式進(jìn)行技術(shù)改造，加裝自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆功能?，F(xiàn)闡述兩種改造方案。

1.1 方案1——盤(pán)剎自動(dòng)送鉆

1.1.1 實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)鉆壓信息的反饋，通過(guò)比例調(diào)節(jié)盤(pán)剎工作鉗油缸內(nèi)的油壓，從而調(diào)整盤(pán)剎的制動(dòng)力矩，以達(dá)到鋼絲繩的均勻下放的目的，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆。送鉆方式分為恒鉆壓送鉆和恒鉆速送鉆。

同時(shí)根據(jù)采集到的鉆壓、頂驅(qū)扭矩、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、立管壓力、游車(chē)速度等信息，實(shí)現(xiàn)緊急工況下的安全保護(hù)功能、自動(dòng)送鉆功能、鉆壓保護(hù)功能，泵壓保護(hù)功能、起下鉆過(guò)程中異常情況保護(hù)功能、上碰下砸點(diǎn)功能、過(guò)卷閥保護(hù)、上下減速點(diǎn)設(shè)置、剎車(chē)點(diǎn)保護(hù)、應(yīng)急操作解開(kāi)盤(pán)剎功能等。

1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)改造細(xì)節(jié)

（1）增加滾筒編碼器：用于計(jì)算大鉤高度，實(shí)現(xiàn)上碰下砸保護(hù)，參與速度計(jì)算，進(jìn)行內(nèi)部控制等功能。安裝細(xì)節(jié)：絞車(chē)滾筒端，原絞車(chē)預(yù)留直徑約25mm 的母扣，現(xiàn)需提供1 根編碼器安裝軸與此孔相連接，長(zhǎng)度約200mm，編碼器套在軸上，外面用鐵質(zhì)外罩保護(hù)。編碼器信號(hào)線(xiàn)纜敷設(shè)至鉆臺(tái)偏房，離司鉆房幾米遠(yuǎn)。

（2）控制箱的安裝位置暫定在鉆臺(tái)偏房，為留有足夠的空間，采用壁掛安裝方式。

（3）盤(pán)剎手柄安裝位置規(guī)劃可分為增加司鉆椅和安裝在原來(lái)鉆臺(tái)兩種方案。①安裝在原來(lái)的氣控剎把位置，安裝孔如圖1所示，緊急制動(dòng)、駐車(chē)制動(dòng)、過(guò)卷閥旁通等按鈕在鉆臺(tái)上選擇空余位置開(kāi)孔安裝即可，因施工難度繁瑣，無(wú)需單獨(dú)制作操作箱。顯示器安裝在鉆臺(tái)左上角位置，尺寸如圖1 中顯示，開(kāi)孔背部空間滿(mǎn)足觸摸屏安裝。此安裝需要增擴(kuò)，顯示器尺寸309mm×247mm，或者選擇更小的顯示器，安裝尺寸為226mm×166mm，需要增補(bǔ)1 塊過(guò)度機(jī)構(gòu)，建議選擇司鉆椅單獨(dú)安裝。②增加小型司鉆椅，將按鈕、剎車(chē)手柄以及觸摸屏安裝支架集成在司鉆椅上，司鉆房底座為空心，可開(kāi)孔，走線(xiàn)布置，司鉆房剩余空間粗略測(cè)量長(zhǎng)1.4m、寬1.2m，因HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）需要操作，所以建議安裝在司鉆椅上集成，操作起來(lái)更加方便?，F(xiàn)場(chǎng)司鉆房布局如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)司鉆房布局

（4）液壓站圖紙、傳感器安裝所需的三通接口和傳感器安裝由液壓室制造商提供，傳感器線(xiàn)纜進(jìn)控制箱，線(xiàn)纜敷設(shè)、傳感器調(diào)試由電氣端負(fù)責(zé)。

（5）控制箱進(jìn)司鉆房有1 根HMI 通信線(xiàn)，1 根10 芯以上的信號(hào)線(xiàn)，敷設(shè)線(xiàn)路可以滿(mǎn)足要求，無(wú)需大面積開(kāi)孔。

1.2 方案2——采用變頻電機(jī)自動(dòng)送鉆

1.2.1 實(shí)現(xiàn)原理

增加變頻自動(dòng)送鉆電機(jī)，與主絞車(chē)采用離合器連接，當(dāng)自動(dòng)送鉆時(shí)，在HMI 上面根據(jù)實(shí)際情況選擇鉆進(jìn)方式和鉆進(jìn)量，變頻器精確執(zhí)行電機(jī)速度給定，以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的均勻下放，達(dá)到自動(dòng)送鉆的目的，同時(shí)具備懸停功能。根據(jù)鉆壓、頂驅(qū)扭矩、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、立管壓力、游車(chē)速度等信息的反饋實(shí)現(xiàn)緊急工況下的安全保護(hù)功能，游車(chē)位置顯示、自動(dòng)送鉆功能、鉆壓保護(hù)功能、泵壓保護(hù)功能、起下鉆過(guò)程中異常情況保護(hù)功能、過(guò)卷閥保護(hù)、剎車(chē)點(diǎn)保護(hù)、應(yīng)急操作解鎖盤(pán)剎、上碰下砸區(qū)域自動(dòng)智能減速等功能。

1.2.2 施工細(xì)節(jié)

（1）在電控中心房?jī)?nèi)增加變頻柜，變頻柜安裝位置見(jiàn)圖3（暫定安裝在MCC 抽屜柜旁邊），內(nèi)部安裝ABB 成套55 kW 變頻器、斷路器、風(fēng)機(jī)接觸器等控制器件，同時(shí)輸出與電機(jī)和風(fēng)機(jī)的動(dòng)力電纜、控制箱之間控制信電纜及通往CPU 的通信電纜。

圖3 變頻柜安裝位置

（2）采用智能集成司鉆椅，將觸摸屏安裝架子裝在椅子上面，可根據(jù)情況旋轉(zhuǎn)，方便操作，右手邊集成緊急制動(dòng)、駐車(chē)制動(dòng)、蜂鳴器、報(bào)警指示燈，過(guò)卷閥旁通等按鈕，方便司鉆操作。

（3）自動(dòng)送鉆裝置傳動(dòng)落線(xiàn)：交流變頻電機(jī)→K 型減速箱→摩擦轂→氣胎離合器→球籠萬(wàn)向軸→傳動(dòng)軸高速端的鏈輪→滾筒高速鏈輪→主滾筒。

（4）機(jī)械部分改造。取消原有絞車(chē)傳動(dòng)軸端面處（高速側(cè)）的絞車(chē)立板翻蓋，加大絞車(chē)箱體立板的開(kāi)孔，并加工螺紋孔。取下傳動(dòng)軸端面的鏈輪（P=50.8，Z=23，4 排），對(duì)其進(jìn)行加工整改：鉆螺紋孔、端面車(chē)鍵槽。新制作連接過(guò)渡安裝連接盤(pán)，安裝到整改后的鏈輪上。新制作擋油環(huán)安裝到整改后的箱體立板上，以保證不漏油。新制作離合器護(hù)罩、減速箱安裝支座。新制作摩擦轂。增加氣胎離合氣連接管線(xiàn)。

2 兩種方案比較分析（表1）

表1 兩種方案綜合對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)以上兩種方式的技術(shù)改造，鉆機(jī)均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送鉆功能，并通過(guò)分析比較，能從各個(gè)方面了解到兩種改造方式的優(yōu)缺點(diǎn)，施工作業(yè)隊(duì)從而可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)構(gòu)造和司鉆使用習(xí)慣，選擇符合自身要求的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)加裝改造最優(yōu)方案。