模塊鉆機(jī)防壓猴臺(tái)安全互鎖技術(shù)研究與實(shí)施

何玉茍，何德磊，杜 昆，蔣平東

（中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

為了提高鉆完井作業(yè)效率，頂驅(qū)成為近些年新建海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置?，F(xiàn)役和新建模塊鉆機(jī)的頂驅(qū)控制系統(tǒng)與電控系統(tǒng)、絞車系統(tǒng)的控制相互獨(dú)立，頂驅(qū)的起升和下放控制以及頂驅(qū)各功能操作控制完全依賴司鉆人工進(jìn)行判斷和操控。頂驅(qū)在井架內(nèi)空的高度控制以及頂驅(qū)在二層臺(tái)位置的操控是司鉆根據(jù)電控系統(tǒng)顯示屏和CCTV顯示屏所顯示的數(shù)據(jù)和圖像來進(jìn)行操控的。海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)司鉆一般都是實(shí)行12 h輪班工作制，精神高度集中、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易疲勞，稍有不慎或誤操作，頂驅(qū)吊環(huán)和吊卡就容易壓碰井架二層臺(tái)猴臺(tái)，造成不同程度的設(shè)備損壞和作業(yè)時(shí)效損失，且對井架工的人身安全產(chǎn)生較大風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，避免誤操作，一種基于鉆機(jī)電控系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、頂驅(qū)控制系統(tǒng)特性，通過PLC程序和軟件實(shí)現(xiàn)安全互鎖從而防止頂驅(qū)壓猴臺(tái)損壞的技術(shù)亟待研究與提出。

1 海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)電控、絞車系統(tǒng)和頂驅(qū)控制系統(tǒng)簡介

1.1 模塊鉆機(jī)電控與鉆井絞車的控制現(xiàn)狀

鉆井絞車采用1臺(tái)或2臺(tái)交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由能耗制動(dòng)系統(tǒng)和液壓盤式剎車配合使用實(shí)現(xiàn)制動(dòng)剎車，絞車主電機(jī)由鉆機(jī)電控系統(tǒng)所配的變頻器驅(qū)動(dòng)，實(shí)行閉環(huán)控制。鉆機(jī)電控系統(tǒng)會(huì)采集鉆井絞車的各種工作狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合司鉆絞車控制手柄的速度給定，通過PLC程序控制實(shí)現(xiàn)不同工況下絞車的正常驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、駐車和制動(dòng)等。鉆機(jī)電控和鉆井絞車的控制存在著緊密的邏輯聯(lián)系，但這兩者與頂驅(qū)的控制系統(tǒng)卻相對獨(dú)立。

1.2 模塊鉆機(jī)頂驅(qū)的控制現(xiàn)狀

由于頂驅(qū)價(jià)值較高，約占模塊鉆機(jī)造價(jià)的9%，結(jié)合海洋石油平臺(tái)模塊鉆機(jī)開發(fā)井和調(diào)整井作業(yè)特點(diǎn)，模塊鉆機(jī)在設(shè)計(jì)建造時(shí)會(huì)充分考慮區(qū)域共享及頂驅(qū)的搬遷、互換性能等因素。頂驅(qū)主要由頂驅(qū)本體、VFD控制房和司鉆控制面板等組成。因此，海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)頂驅(qū)的控制在設(shè)計(jì)上都是獨(dú)立于模塊鉆機(jī)其他系統(tǒng)的，VFD控制房是頂驅(qū)的控制和驅(qū)動(dòng)中心，一般設(shè)計(jì)為集裝箱式，頂驅(qū)懸掛在游車大鉤上沿著井架上的頂驅(qū)導(dǎo)軌上下運(yùn)行，司鉆通過操作單獨(dú)安裝在司鉆房的頂驅(qū)司鉆控制盤對頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)和其他各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

1.3 存在的問題

對頂驅(qū)高度位置的感知和吊環(huán)擋位的操控完全由司鉆人工觀測、判斷和操作，在K形套裝井架的司鉆房內(nèi)司鉆只能通過內(nèi)部CCTV顯示屏觀察頂驅(qū)的高度位置，當(dāng)操作鉆井絞車速度過快、視線受阻或CCTV系統(tǒng)故障，極易導(dǎo)致頂驅(qū)壓猴臺(tái)情況發(fā)生，造成猴臺(tái)損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致二層臺(tái)和頂驅(qū)吊環(huán)傾斜液壓缸損壞，嚴(yán)重影響鉆完井作業(yè)時(shí)效。另外，猴臺(tái)的修復(fù)屬于高空作業(yè)，操作非常困難，維修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)非常高。

2 防壓猴臺(tái)安全互鎖技術(shù)的研究

2.1 建立安全互鎖的條件

頂驅(qū)吊環(huán)有前、中、后3個(gè)工作擋位，由司鉆通過控制面板進(jìn)行操作。其中前擋位是吊環(huán)掛著吊卡往立根盒方向伸出，用于在鉆臺(tái)面和二層臺(tái)位置接、甩鉆桿或立根。以南海東部某平臺(tái)新建7000 m模塊鉆機(jī)為例，該鉆機(jī)K形套裝井架凈空約46 m，二層臺(tái)高度為距離鉆臺(tái)面26.5 m，猴臺(tái)位于二層臺(tái)井口中心方向的最前端，頂驅(qū)中心線距離二層臺(tái)猴臺(tái)邊緣約1.4 m，頂驅(qū)的吊環(huán)傾斜動(dòng)作由頂驅(qū)自帶液壓站提供的液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，電控液的控制方式。當(dāng)頂驅(qū)上、下運(yùn)行至二層臺(tái)高度時(shí)，司鉆必須將頂驅(qū)吊環(huán)工作擋位切換到中擋位，如果此時(shí)頂驅(qū)吊環(huán)在前擋位或后擋位，吊環(huán)及其懸掛的吊卡就會(huì)壓碰二層臺(tái)猴臺(tái)。所以，必須從頂驅(qū)和鉆機(jī)電控、絞車控制系統(tǒng)綜合考慮，通過傳感技術(shù)和建立通信網(wǎng)絡(luò)獲取頂驅(qū)吊環(huán)的工作擋位信息、鉆井絞車的工作擋位和轉(zhuǎn)向、鉆井絞車起升下放速度和加速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、大鉤高度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合鉆井絞車本身的制動(dòng)性能參數(shù)，利用電控系統(tǒng)綜合控制柜的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全互鎖。安全互鎖應(yīng)基于兩個(gè)條件和目的：

條件一：設(shè)定減速安全高度范圍，當(dāng)頂驅(qū)沿導(dǎo)軌自下而上或自上而下運(yùn)行，其高度即將接近二層臺(tái)高度的安全減速高度范圍時(shí)，若同時(shí)頂驅(qū)吊環(huán)在前擋位或后擋位，即不在擋位，則通過某種方式向司鉆發(fā)出聲光報(bào)警信息。司鉆觀測到此報(bào)警信息后應(yīng)及時(shí)松開絞車控制手柄使絞車減速，并及時(shí)將吊環(huán)擋位切換到中擋位。

條件二：設(shè)定主動(dòng)制動(dòng)安全高度范圍，當(dāng)頂驅(qū)沿導(dǎo)軌自下而上或自上而下運(yùn)行進(jìn)入設(shè)定的主動(dòng)制動(dòng)高度范圍時(shí)，若同時(shí)頂驅(qū)吊環(huán)不在中擋位，電控系統(tǒng)變頻器開始停止輸出并開始能耗制動(dòng)，同時(shí)絞車控制系統(tǒng)給液壓盤式剎車輸出一個(gè)剎車信號開始制動(dòng)。當(dāng)絞車控制系統(tǒng)實(shí)施主動(dòng)制動(dòng)的同時(shí)，也應(yīng)還能給司鉆發(fā)出相應(yīng)的信息，比如聲光報(bào)警或絞車控制系統(tǒng)自帶的急停制動(dòng)報(bào)警。

JC70DB鉆井絞車對游動(dòng)系統(tǒng)上下運(yùn)行進(jìn)行制動(dòng)由能耗制動(dòng)系統(tǒng)和液壓盤式剎車共同完成，能耗制動(dòng)的功率與絞車主電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，隨著速度的減慢，其制動(dòng)能力越來越小，盤剎的制動(dòng)力矩是由剎車鉗自身決定的，基本上屬于固有特性，一般情況絞車廠家會(huì)給出該參數(shù)。絞車的制動(dòng)距離由絞車本身特性、運(yùn)行速度、正反轉(zhuǎn)有關(guān)，同時(shí)也與游動(dòng)系統(tǒng)包括頂驅(qū)本身的重量、鉤載重量有關(guān)，但是主要由能耗制動(dòng)和剎車鉗力矩決定。為了設(shè)定一個(gè)合理的減速安全高度范圍和主動(dòng)制動(dòng)安全高度范圍數(shù)值，調(diào)研多臺(tái)7000 m鉆機(jī)作業(yè)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，絞車制動(dòng)時(shí)間由其控制系統(tǒng)設(shè)定為4 s，制動(dòng)距離會(huì)因速度、鉤載等不同工況有所區(qū)別，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明制動(dòng)距離一般為3～4 m。經(jīng)過驗(yàn)算得出，以鉆臺(tái)面為基準(zhǔn)，ZJ70鉆機(jī)減速安全高度范圍設(shè)定在26.5±7 m以內(nèi)26.5±5 m以外，主動(dòng)制動(dòng)安全高度范圍設(shè)定在26.5±5 m以內(nèi)。

2.2 安全互鎖控制原理

取頂驅(qū)吊環(huán)中擋位信號并傳遞給鉆機(jī)電控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集大鉤高度數(shù)據(jù)、鉆井絞車正反轉(zhuǎn)向信息和絞車轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并接入鉆機(jī)電控系統(tǒng)，由鉆機(jī)電控PLC對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判定。當(dāng)頂驅(qū)吊環(huán)處于中擋位且頂驅(qū)吊環(huán)上下運(yùn)行至減速安全高度范圍時(shí)，觸發(fā)互鎖，鉆機(jī)電控直接從司鉆房電控操作臺(tái)通過帶燈蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警信息提醒司鉆實(shí)施降速并切換頂驅(qū)吊環(huán)擋位到中擋位；當(dāng)頂驅(qū)吊環(huán)處于中擋位且頂驅(qū)吊環(huán)上下運(yùn)行至主動(dòng)制動(dòng)安全高度范圍時(shí)，觸發(fā)互鎖，鉆機(jī)電控發(fā)出控制指令給變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和絞車控制系統(tǒng)實(shí)施制動(dòng)和剎車，同時(shí)帶燈蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警信息提醒司鉆防壓猴臺(tái)安全互鎖已觸發(fā)，需將吊環(huán)切換至中擋位后才能解除互鎖恢復(fù)正常工作。若頂驅(qū)吊環(huán)處在中擋位，則不觸發(fā)安全互鎖。安全互鎖技術(shù)框圖如圖1所示。

圖1 安全互鎖技術(shù)框圖

3 防壓猴臺(tái)安全互鎖技術(shù)的實(shí)施

3.1 安全互鎖的建立

基于某新建模塊鉆機(jī)建造項(xiàng)目，該鉆機(jī)配備的DQ70頂驅(qū)吊環(huán)控制為電控液的控制方式，取頂驅(qū)吊環(huán)中擋位信號有兩種方式：一種是從頂驅(qū)司鉆控制面板采集吊環(huán)擋位控制信號，一種是取吊環(huán)傾斜油缸的壓力信號，用壓電傳感器將其轉(zhuǎn)換成電信號。第一種方式操作簡單，但可能存在控制吊環(huán)傾斜液缸的電磁閥故障導(dǎo)致的吊環(huán)真實(shí)擋位與控制選擇按鈕狀態(tài)不一致的情況；第二種方式則難度相對較高，需在頂驅(qū)閥島對應(yīng)的吊環(huán)傾斜液缸液壓回路測壓口增加1個(gè)壓電傳感器，將液壓油壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號并利用頂驅(qū)游動(dòng)系統(tǒng)通信線路將其傳輸至司鉆房鉆機(jī)電控系統(tǒng)接入端，這種方式信號傳輸線路較長，所需元器件多故而成本相對較高，而且液壓回路的油壓可能存在泄壓延遲現(xiàn)象需要電控PLC對壓電傳感器反饋的電流信號進(jìn)行合理的數(shù)值區(qū)間判定，對于信號的判斷有一定技術(shù)難度，通過多次的設(shè)定和測試才能選取合理的判定值，但測試成功后，這種方式獲取的吊環(huán)擋位信號真實(shí)準(zhǔn)確、整體可靠性高。

考慮到防壓猴臺(tái)安全互鎖技術(shù)的重要性和該技術(shù)對可靠性的高要求，該項(xiàng)目選擇安全性、可靠性高的方法進(jìn)行實(shí)施。出于閉環(huán)控制的要求，鉆機(jī)電控系統(tǒng)通過鉆井絞車主電機(jī)和自動(dòng)送鉆電機(jī)軸末端的編碼器可以實(shí)時(shí)采集大鉤高度數(shù)據(jù)、鉆井絞車正反轉(zhuǎn)向信息和絞車轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，頂驅(qū)吊環(huán)高度位置數(shù)據(jù)可以通過大鉤高度數(shù)據(jù)換算得出。當(dāng)增加的吊環(huán)中擋位信號接入電控系統(tǒng)后，由電控系統(tǒng)PLC按照設(shè)定的防壓猴臺(tái)安全互鎖程序進(jìn)行綜合判定和處理，實(shí)現(xiàn)安全互鎖功能。

在ZJ70模塊鉆機(jī)聯(lián)合調(diào)試期間，通過計(jì)算、反復(fù)嘗試和優(yōu)化，經(jīng)過現(xiàn)場測試和驗(yàn)證，對減速安全高度范圍和主動(dòng)制動(dòng)安全高度范圍的預(yù)設(shè)值進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，使得控制和制動(dòng)效果更好，同時(shí)也獲得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 安全互鎖程序流程

防壓猴臺(tái)安全互鎖技術(shù)的PLC邏輯控制程序設(shè)計(jì)根據(jù)以下流程圖進(jìn)行（圖2）。

圖2 安全互鎖程序設(shè)計(jì)流程

4 結(jié)束語

頂驅(qū)是關(guān)鍵的鉆井設(shè)備，發(fā)生頂驅(qū)壓猴臺(tái)導(dǎo)致故障時(shí)維修困難，猴臺(tái)是井架二層臺(tái)的重要組成部分，受損后其維修作業(yè)屬于高空作業(yè)而且是占井口作業(yè)，對鉆完井作業(yè)時(shí)效影響很大。通過對海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)電控、絞車系統(tǒng)和頂驅(qū)系統(tǒng)控制現(xiàn)狀的總結(jié)，分析存在的問題，提出防壓猴臺(tái)安全互鎖技術(shù)，在南海東部新建模塊鉆機(jī)項(xiàng)目上成功實(shí)施和應(yīng)用。該技術(shù)的有效性和可靠性在該模塊鉆機(jī)13口井的開發(fā)井作業(yè)中得到驗(yàn)證，可有效防止頂驅(qū)壓猴臺(tái)情況的發(fā)生，降低維修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障該平臺(tái)模塊鉆機(jī)提升系統(tǒng)和頂驅(qū)系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行，取得很好的應(yīng)用效果，同時(shí)也通過實(shí)踐獲得一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該技術(shù)也適合在現(xiàn)有海上設(shè)施模塊鉆機(jī)上進(jìn)行推廣和升級改進(jìn)且很有必要，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也有較高的參考價(jià)值。