交流變頻控制系統(tǒng)在修井機(jī)的應(yīng)用

李 靖

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

1 修井機(jī)設(shè)備的操作特點(diǎn)

修井機(jī)設(shè)備在石油開采過程中是非常重要的設(shè)備，熟練掌握并運(yùn)用修井設(shè)備能夠增加石油開采的進(jìn)程，提升石油開采效率。修井機(jī)設(shè)備由絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等3 大部分組成，主要作用如下。

（1）絞車。絞車主要連接起吊鉆桿，對(duì)于鉆桿進(jìn)行控制，促使鉆桿進(jìn)行活動(dòng)。

（2）轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤也是和鉆桿連接，轉(zhuǎn)盤的主要作用是將鉆桿用來驅(qū)動(dòng)，促使鉆桿進(jìn)行最深層次的活動(dòng)。

（3）泥漿泵。也屬于負(fù)載類的一種，在修井設(shè)備中，對(duì)于泥漿泵的要求并不高。

上述修井機(jī)設(shè)備的組成部分都屬于負(fù)載設(shè)備，盡管對(duì)于泥漿泵沒有任何要求，但是在進(jìn)行轉(zhuǎn)盤和和絞車選取時(shí)，要選取便于控制的變頻器類型，變頻器類型最好選擇頻率低、轉(zhuǎn)速高，控制系統(tǒng)一定要設(shè)置好安全參數(shù)，便于修井機(jī)的控制。

2 修井機(jī)設(shè)備交流變頻系統(tǒng)的構(gòu)成

修井機(jī)設(shè)備中的交流變頻系統(tǒng)可以說是一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，綜合控制系統(tǒng)由兩部分組成，其中包括PLC 控制技術(shù)。PLC控制技術(shù)的主要作用是控制修井機(jī)的中心系統(tǒng)，以及變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)。修井機(jī)變頻控制系統(tǒng)的主要設(shè)備包括全數(shù)字矢量控制交流變頻器、MCC 柜、PLC 綜合控制柜（含觸摸式工控機(jī)）、司鉆控制臺(tái)、泥漿泵本地操作箱。修井機(jī)變頻控制系統(tǒng)以PLC 作為控制核心。PLC 作為主站，司鉆臺(tái)數(shù)據(jù)采集站、泥漿泵本地操作箱、絞車變頻器、轉(zhuǎn)盤變頻器、泥漿泵變頻器作為從站，通過現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC 進(jìn)行通信，完成系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的保護(hù)、故障檢測(cè)、顯示與報(bào)警。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，減少了硬接線，提高了系統(tǒng)的靈活性。

一般修井機(jī)的中心控制系統(tǒng)即PLC 控制系統(tǒng)，總共分為2個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)互相獨(dú)立且不產(chǎn)生任何影響。主要目的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)可以起到彌補(bǔ)作用，避免出現(xiàn)系統(tǒng)故障，導(dǎo)致修井機(jī)工作停止。修井機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，備用的PLC 控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)，啟動(dòng)方式是司鉆將控制臺(tái)上的開關(guān)進(jìn)行切換，完成系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，保證修井機(jī)正常工作。上述所有設(shè)備和系統(tǒng)，都安裝在同一個(gè)工作室中，主要目的是為方便整體的拆遷和移動(dòng)。司鉆房一般也可以進(jìn)行觸屏操作，同時(shí)還可以收集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)故障的發(fā)生。處理故障時(shí)，系統(tǒng)不僅能夠起到警示作用，還可以進(jìn)行手動(dòng)緊急關(guān)閉系統(tǒng)，避免造成更多危害。在這個(gè)系統(tǒng)中可以通過觸屏操作系統(tǒng)修改修井機(jī)的一些參數(shù)，保證修井機(jī)正常工作。除此之外，控制系統(tǒng)中所涉及到的一些組成子系統(tǒng)，都被安裝在一個(gè)房間內(nèi)，除了能夠便于系統(tǒng)控制之外，還能夠保證系統(tǒng)的及時(shí)監(jiān)測(cè)和良好運(yùn)行。通常這些系統(tǒng)采用集成安裝方式，除了能夠節(jié)約成本外，還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且安裝在房間內(nèi)，只要設(shè)計(jì)合理，可以同時(shí)安裝幾個(gè)控制系統(tǒng)，便于修井機(jī)工作的順利進(jìn)行，提升修井機(jī)工作效率，節(jié)約資源、降低成本，或是一個(gè)控制系統(tǒng)可以同時(shí)控制幾個(gè)修井機(jī)的工作。這樣大大提升了修井機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)利益的最大化。

3 交流變頻控制修井機(jī)的功能

3.1 絞車的變頻控制

絞車在交流變頻控制修井機(jī)中起到至關(guān)重要的作用，絞車的變頻控制系統(tǒng)主要是通過收集數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，從而控制絞車連接部分的行動(dòng)，絞車連接部分有滾筒、游車和盤剎。絞車中的PLC 控制系統(tǒng)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的收集，判斷游車的速度、距離，以及位置。對(duì)需要修理的部分進(jìn)行距離預(yù)測(cè)，通過控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，促使?jié)L筒和游車運(yùn)動(dòng)。并且需要將控制系統(tǒng)中游車和滾筒的運(yùn)動(dòng)速度控制在一定范圍內(nèi)，一般來說游車的速度控制在0～1.2 m/s。該范圍內(nèi)變頻器的過載能力也有所保證，不僅提高了鉆井效率，而且還滿足了鉆井所需要的工藝要求。這個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，絞車電機(jī)獨(dú)立于修井機(jī)設(shè)備，修井機(jī)設(shè)備中的絞車在運(yùn)行過程中，只要絞車變頻系統(tǒng)沒有被損壞或出現(xiàn)故障，那么絞車就能進(jìn)行良好的控制和運(yùn)行。同時(shí)絞車中包含的盤剎剎車就不會(huì)被用到，如果絞車中的變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么盤剎就需要運(yùn)行手動(dòng)控制，保證修井機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行。在絞車變頻控制系統(tǒng)中，盤剎剎車只是一個(gè)輔助系統(tǒng)，其主要目的是在絞車變頻控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)使用，如果絞車變頻控制系統(tǒng)不出現(xiàn)故障，那么就可以減少對(duì)盤剎剎車的使用，從而增加盤剎剎車的使用壽命，減少成本增加收益，提升工作效益。

3.2 游車位置的智能控制

游車的位置可以實(shí)現(xiàn)智能控制，其控制系統(tǒng)是絞車中的PLC 技術(shù)控制系統(tǒng)，通過絞車中的PLC 控制系統(tǒng)，可以精確收集到游車位置。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析和參數(shù)的設(shè)置，來確定游車需要用到的速度以及運(yùn)行距離，包括游車所需要停留的高度，在這個(gè)過程中可以實(shí)現(xiàn)零誤差。游車控制系統(tǒng)與絞車控制系統(tǒng)有一定區(qū)別，游車控制系統(tǒng)除了能夠控制游車的位置、速度、以及停留點(diǎn)之外，還能夠?yàn)橛诬囂峁p速、剎車、以及警示作用，即在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)意外或阻礙，游車控制系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到并控制游車進(jìn)行減速或剎車，并將阻礙信息上傳到中央控制系統(tǒng)，即絞車控制系統(tǒng)。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，游車和滾筒的最大速度為0.06 m/s，通常所說的游車也就是大鉤，同時(shí)，在絞車控制系統(tǒng)中還設(shè)置了一定的安全警報(bào)參數(shù)，游車控制系統(tǒng)于絞車控制系統(tǒng)相結(jié)合，形成了一個(gè)完整控制系統(tǒng)，能夠安全有效提升修井機(jī)的工作效率。在修井機(jī)控制系統(tǒng)中還安裝了過卷閥，主要作用是保證大鉤的起吊以及下鉆距離和速度。

3.3 大鉤運(yùn)行速度智能控制

游動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，PLC 自動(dòng)采集游動(dòng)系統(tǒng)的懸重信號(hào)，并根據(jù)大鉤懸重的大小，自動(dòng)計(jì)算出游動(dòng)系統(tǒng)可允許的最高運(yùn)行速度，控制大鉤運(yùn)行速度在最優(yōu)狀態(tài)，以充分提高設(shè)備效率，提高修井時(shí)效。

3.4 變頻系統(tǒng)的控制

該控制系統(tǒng)中包括轉(zhuǎn)矩限制、無極調(diào)速和轉(zhuǎn)盤控制等3 個(gè)部分，在鉆工作時(shí)，修井機(jī)的PLC 控制系統(tǒng)，通過收集數(shù)據(jù)，完成對(duì)鉆的控制，包括計(jì)算出這個(gè)過程中轉(zhuǎn)矩速度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)修井機(jī)工作的無極調(diào)速，控制修井機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)作。無極調(diào)速的速度控制，可以根據(jù)井下的實(shí)際工況調(diào)節(jié)額定速度，還可以設(shè)定正反轉(zhuǎn)矩，在鉆進(jìn)時(shí)，修井機(jī)PLC 控制系統(tǒng)和游車控制智能系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆的進(jìn)程控制，通過收集到的電壓、電流等數(shù)據(jù)來分析計(jì)算此時(shí)鉆的工作情況。在這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，有效節(jié)約時(shí)間，提升鉆的效率。轉(zhuǎn)盤在運(yùn)行過程中，還可以根據(jù)轉(zhuǎn)盤之前收集到的數(shù)據(jù)，修改轉(zhuǎn)盤速度，轉(zhuǎn)盤速度與開關(guān)角度有關(guān)，開關(guān)角度越大，轉(zhuǎn)盤的速度就越快。

3.5 泥漿泵變頻控制

泥漿泵采用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，其速度控制可通過現(xiàn)場(chǎng)總線在司鉆控制臺(tái)上由司鉆進(jìn)行速度調(diào)節(jié)給定。在泥漿泵控制房安裝有泥漿泵控制箱，可實(shí)現(xiàn)泥漿泵的本地操作（包括泥漿泵本地啟動(dòng)、停止、調(diào)速、調(diào)試等）。

3.6 變頻控制系統(tǒng)的完善

變頻控制系統(tǒng)是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，需要包含集控制、保護(hù)、警示為一體的綜合系統(tǒng)。這個(gè)變頻系統(tǒng)中的保護(hù)系統(tǒng)，可以有效保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的故障，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，甚至可以自動(dòng)實(shí)行系統(tǒng)關(guān)系或關(guān)閉開關(guān)，停止修井機(jī)的工作，避免出現(xiàn)更大傷害和故障損失。例如，修井機(jī)中有過電流以及過電壓保護(hù)等，甚至還可以限制修井機(jī)的最大輸出電流，包括自我診斷系統(tǒng)。故障發(fā)生時(shí)，各大控制系統(tǒng)自我保護(hù)，實(shí)現(xiàn)集體控制，與機(jī)械單位共同結(jié)合，完成設(shè)備的鎖定，保證設(shè)備完整，避免設(shè)備出現(xiàn)更大故障。在系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警中，記錄報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)記錄，增加系統(tǒng)可靠性，提高系統(tǒng)保護(hù)性能。

3.7 修井機(jī)的臨時(shí)緊急停車

當(dāng)井場(chǎng)上發(fā)生意外情況時(shí)，司鉆可通過安裝在司鉆控制臺(tái)上的緊急停止按鈕對(duì)變頻控制系統(tǒng)實(shí)行緊急關(guān)斷（手動(dòng)）。緊急關(guān)斷時(shí)系統(tǒng)設(shè)有程序保護(hù)，不會(huì)造成設(shè)備損壞。在泥漿泵本地控制箱的面板上，安裝有泥漿泵變頻器遠(yuǎn)程急停按鈕，在泥漿泵房即可關(guān)停電控房內(nèi)的泥漿泵變頻器。

4 總結(jié)

闡述修井機(jī)變頻交流控制系統(tǒng)在修井機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用以及控制情況，包括PLC 系統(tǒng)和變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)；以及控制修井機(jī)設(shè)備的全部系統(tǒng)和機(jī)械元件組成，保證修井機(jī)設(shè)備的順利施工和運(yùn)行，同時(shí)還有警示系統(tǒng)，增加了修井機(jī)設(shè)備使用的安全可靠性。