石油鉆機固控電氣設備自動化初探

陳和平，鄭 雄，冉 建

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都 610051）

0 引言

隨著國產鉆機設備的不斷優(yōu)化升級，鉆機動力、提升、鉆具旋動已全面實現(xiàn)自動化，泥漿泵組、絞車、頂驅轉盤、自動送鉆及井口自動化采用集成控制，電氣自動化智能化發(fā)展達到一個新的高度。鉆機操作控制更輕松，節(jié)省大量的人力，設備效率顯著提升。同時采用變頻控制系統(tǒng)，節(jié)能效果更為明顯。固控系統(tǒng)用于處理和儲存鉆井液，是鉆井生產的血液，決定鉆井的質量和效率。隨著鉆井工藝技術要求的提高，固控電氣設備數量多、功率增大，且固控系統(tǒng)電氣設備高耗能、自動化程度低、設備安全穩(wěn)定性差。固控系統(tǒng)加重泵、剪切泵、灌注泵、除砂泵除泥泵、攪拌器、振動篩、除泥器、離心機及巖屑傳送機等設備沿用傳統(tǒng)的控制方式，存在明顯的缺陷與不足。鉆井液密度越來越大，其快速優(yōu)質處理鉆井液能力不足，無法滿足智能鉆機鉆井工藝的技術要求，同時低效耗能與低碳綠色環(huán)保鉆井要求也不相符合。

1 鉆機固控系統(tǒng)電氣設備發(fā)展回顧與現(xiàn)狀

1.1 歷史回顧

20 世紀90 年代，大部分鉆機由機械鉆機組成，鉆機型號主要有ZJ32、ZJ45、ZJ60、ZJ70 等，機械鉆機固控系統(tǒng)裝機容量較小，總功率典型值為438.5 kW。2000 年開始引進電動鉆機和復合（半電動）鉆機，電動鉆機主要有ZJ40DBS、ZJ50ZPD 型號，固控系統(tǒng)總功率增至584.5 kW。2010 年代國產電動鉆機ZJ70DBS、ZJ80DBS 開始普及，固控系統(tǒng)總功率增大至739.6 kW。目前國產智能化鉆機ZJ90DBS 已開始投入使用，固控系統(tǒng)總功率增至1094.7 kW。攪拌器電機單機功率由7.5 kW 增至15 kW，加重泵由30 kW 增至75 kW。同時鉆井液處理技術、環(huán)保要求越來越高，離心機從無到有，發(fā)展到如今的兩臺（高速和中速）同時運行。巖屑傳輸和處理等清潔化生產設備增加非常明顯，固控系統(tǒng)電氣設備數量和功率均呈迅猛增加的趨勢（表1）。

表1 鉆機固控系統(tǒng)電氣設備裝機功率歷史變化

1.2 現(xiàn)狀與不足

與智能鉆機主體設備相比，絞車、頂驅、轉盤、鉆臺二層臺機械手等均已實現(xiàn)自動化操作。而固控系統(tǒng)電氣設備仍需由人工操作，自動智能化水平較低，明顯落后于鉆機主體設備，與智能鉆機極不相符。

（1）數量多、功率大、耗能高。當前，智能鉆機配套的固控系統(tǒng)電氣設備數量多、功率大，電機大部分采用直接啟動或軟啟動，僅有高速離心機采用變頻器運行。普通Y 系列三相異步電機在傳統(tǒng)的控制啟動方式下，加重泵、剪切泵、除砂除泥泵、灌注泵等大功率泵類設備運轉時通常處于滿速運行，當泥漿密度和排量較低，電機功率損耗較大，功率因數和效率只有0.5～0.6。攪拌器電機因與減速器相連，傳遞功率損耗較大，在低密度泥漿攪拌時電機效率低下。以90DBS 為例，根據cosφ=P/S，當前固控系統(tǒng)絕大部分電機采用YB 系列防爆電機，額定功率因數為0.85，無功損耗為821 kVar。按50%計算，一臺鉆機年（6 個月純鉆）損耗電量為：Q=1/2×821×0.9×182.5×24=161.82 萬千瓦時。同時，攪拌器通過減速器傳遞后，其最大效率為0.9，但在實際運行中平均效率僅有0.7。

（2）自動化水平低。鉆井工程中，鉆井工藝對鉆井液固相處理和控制技術要求更高，隨鉆井層位的不同泥漿密度隨之變化。固控系統(tǒng)電氣設備的控制均由人工操作，從泥漿材料加料到攪拌、循環(huán)，返回泥漿除砂除泥分離處理，整個流程的閘閥開通和關斷，設備控制耗時費力，處理泥漿效率低下。同時，電氣設備的運行狀態(tài)無法及時監(jiān)控。電氣設備運行參數不隨泥漿密度的變化而改變，電機轉速以恒定轉速運行。

（3）安全性、可靠性、穩(wěn)定性差。①固控系統(tǒng)電氣設備運行環(huán)境的特殊性。固控系統(tǒng)區(qū)域因鉆井液循環(huán)，容易產生混合性爆炸可燃性物質，根據API RP 500 對固控區(qū)域的劃分規(guī)定，距罐面1.5 m 為一級一類區(qū)域，距一類區(qū)域外界面3 m 為一級二類區(qū)域。電機直接啟動方式啟動瞬間超過額定電流的4～7 倍，電機、導線及插接件易產生電氣火花。沖擊電流、腐蝕性氣體使電氣設備的使用壽命大大縮短；②設備的安全和可靠性、穩(wěn)定性。據統(tǒng)計，固控系統(tǒng)電氣設備平均電壽命約為5～8 年，因啟動過電流而產生的故障率約為8%，插接件故障率約為10%。離心機控制柜及振動篩控制箱長期高溫腐蝕，故障比例高達20%。控制箱柜中的電氣元器件長期置于高溫密封的箱體中，濕度大易結露，電氣元器件壽命大大縮短。操作人員維護和保養(yǎng)頻次較高，設備自身無法反饋監(jiān)控運行狀況。運行時間、運行參數、保養(yǎng)記錄缺失或不準，多重因素造成設備可靠性和穩(wěn)定性大大降低。

2 固控電氣設備智能化系統(tǒng)研究的方向

2.1 提高設備功率因數和效率，降低能耗

（1）集中補償與分散補償相結合。充分利用現(xiàn)有設備加裝400 V SVG 自動無功補償裝置，提高設備的功率因數?，F(xiàn)有鉆機電控房空間容量有限，加裝難度較大。可采用增設專用的無功補償裝置與400 V 母線并聯(lián)，實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的功率因數，自動投切補償電容。對大電機可采用分散補償，一對一進行補償，投資成本較低。對新鉆機可從設計方面統(tǒng)籌考慮整體的功率補償，同時考慮固控系統(tǒng)采用600 V 系統(tǒng)供電方式，可以減小導線截面，便于與智能化鉆機統(tǒng)一集成。

（2）變頻器改造。對老舊鉆機固控系統(tǒng)電氣設備改進，可采用逐步淘汰低效耗能電機，37 kW 以上電機使用變頻器控制。變頻器控制風機泵類可節(jié)約1/3 的能耗。老舊鉆機可將變頻器設置在防爆控制箱內，對新鉆機設計，攪拌器電機采用直驅降低機械損耗，固控所有電機采用變頻控制，統(tǒng)一集成于VFD 房，便于智能化控制。國內市場小功率變頻器技術非常成熟，價格低廉，更換加裝成本較低，有利于降低成本。

加裝自動無功補償裝置和變頻器是降低能耗的主要方法和途徑，優(yōu)化和改進老舊的固控系統(tǒng)電氣設備能夠有效降低能耗，提高設備效率，延長設備使用壽命。

2.2 固控系統(tǒng)電氣自動化

（1）系統(tǒng)集成優(yōu)化。對新設計鉆機可將固控系統(tǒng)電機啟動自動控制裝置集成在VFD 房，泥漿材料的儲存、加料和傳送全自動化，加重泵、除砂泵除泥泵、灌注泵、振動篩、離心機等，將井口排量、泥漿泵壓、鉆井液密度信號與流程閘閥通斷狀態(tài)反饋到PLC，現(xiàn)場總線控制，由程序發(fā)出指令控制固控系統(tǒng)電氣設備自動運行。同時可以在線監(jiān)測設備運行參數，設備維護保養(yǎng)自動記錄，通過5G 互聯(lián)，實現(xiàn)全自動化操作控制。

（2）攪拌器的自動化思路。攪拌器采用變頻永磁電機直驅方式，通過對泥漿密度的采集，由PLC 程序進行優(yōu)化算法控制變頻電機的輸出功率和轉速。因停電或泥漿沉淀葉輪易堵轉，攪拌器葉輪由伺服電機或液壓控制升降，也可采用高壓泥漿槍自動無死角噴射，防止泥漿沉淀。攪拌器的轉速由泥漿密度信號和鉆井液的進出口排量實現(xiàn)自動化控制，通過編程對鉆井液密度或鉆井層位工藝要求進行模塊化設計，選取智能模式和手動模式，變頻器自動實現(xiàn)電機輸出轉矩和轉速的控制。

（3）大電機的自動化思路。新設計鉆機，對固控系統(tǒng)采用大功率永磁變頻電機，采用變頻器+PLC+工控機現(xiàn)場總線控制。加重泵、除砂除泥泵、灌注泵、離心機大功率電機在VFD 房共用雙整流器模塊，一對一的逆變器模塊，利于優(yōu)化控制節(jié)省空間。大電機控制組態(tài)通過鉆機的泵壓、流量和鉆井工況實現(xiàn)互聯(lián)控制，在正常鉆進或起下鉆作業(yè)時，大電機應與之保持對應的運行模式。

（4）振動篩、巖屑、泥漿材料加料傳送自動化方向?，F(xiàn)有振動篩振動頻率是固定的，而實際鉆井施工中，返回液體的固相是變化的，振動篩處理固相的效率較低。通過改進傳統(tǒng)的振動篩分離固相的方式，推薦新型負壓固液分離器。巖屑機等清潔化生產設備可以改為無軸螺旋結構，并與井口排量信號實現(xiàn)自動關聯(lián)，電機運行速度與轉矩隨振動篩分離固相的多少而實時改變。泥漿材料的輸送填裝加料裝置由智能化機械手與傳送帶實現(xiàn)自動拾取、運移、填裝泥漿材料，全過程無人化操作。

2.3 提升系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定和可靠性

對單臺單套老舊設備進行逐步替換淘汰，YB 系列電機可用YBX3 系列高效節(jié)能電機替代，小電機啟動采用無觸點接觸器啟動控制，大電機變頻啟動控制單元統(tǒng)一集成在VFD 房，減小啟動電流，同時避免高溫腐蝕環(huán)境，提高設備的安全性和延長設備使用壽命。采用FF-H1 IEC61158-2 的雙線信號傳輸技術，支持總線供電和本質安全防爆。對于新的固控系統(tǒng)裝備，采用全系統(tǒng)的智能化控制技術，通過系統(tǒng)集成，對設備的啟動控制單元進行集中控制，運用智能儀表，由中央處理器通過現(xiàn)場總線對設備自動控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。改進老舊固控系統(tǒng)電氣設備的防爆控制箱。高溫銹蝕結露使箱內的電氣元器件故障率更高，壽命一般僅有8 年。建議采用正壓防爆，通入清潔干燥的氣源，有效降低環(huán)境溫度和濕度，延長電氣元件使用壽命。對現(xiàn)有的離心機控制系統(tǒng)改進方法，將啟動控制單元置于MCC 房內，延長電氣元件壽命，便于檢維修。采用遙控或有線觸摸屏控制技術，便于現(xiàn)場操作離心機。

3 結束語

“十四五”時期，單位國內生產總值能耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%，國家對這兩項指標作為約束性指標進行管理。節(jié)能降耗、降本增效、綠色環(huán)保鉆井是鉆井企業(yè)生存發(fā)展的永恒主題。對現(xiàn)有的固控電氣設備進行升級改造，降低能耗，提高效率。充分利用成熟的自動無功補償、變頻器、PLC、微機控制和萬物互聯(lián)技術，提高處理固相分離效率，為鉆井工程提供優(yōu)質鉆井液，也是高效鉆井的必要保證。固控系統(tǒng)電氣設備智能化是未來發(fā)展必然趨勢，研究前景十分廣闊。