數(shù)字化智能游車防碰系統(tǒng)在油田鉆機(jī)上的研究及應(yīng)用

盛哲 李周建 趙立娟

【摘要】在石油鉆井過程中絞車系統(tǒng)是一個非常重要的系統(tǒng)，它不僅關(guān)系到鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行，同時也關(guān)系到鉆井工人和設(shè)備的安全，操作不當(dāng)或者違規(guī)操作都會造成嚴(yán)重的事故，造成設(shè)備損壞，人員傷亡。絞車系統(tǒng)在鉆井系統(tǒng)中作為一個游吊系統(tǒng)，它通過鋼絲繩、定滑輪組（天車）、動滑輪組（游車）來完成井架起升、鉆具下放、提升等工作，但所有這些工作都必須限定在一定的游車行程內(nèi)，否則超過行程將導(dǎo)致游車沖撞天車或砸向鉆臺。因此游車防碰系統(tǒng)在鉆井過程中顯得極為重要，本文將介紹在長慶油田運(yùn)行智能防碰系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】 SCR VFD DCR 懸停 HMI 限位

1 防碰系統(tǒng)的產(chǎn)生

在傳統(tǒng)的石油鉆機(jī)上，游車的速度控制主要靠司鉆的操作，游車上行高度都會超過二層臺，游車的位置主要靠鉆井工的目測，游車上下行的速度也通?？克俱@的感覺，當(dāng)游車速度過快時容易導(dǎo)致剎車失靈，造成游車上行沖撞天車，下行砸到鉆臺的事故。因此司鉆操作的熟練程度決定著鉆機(jī)安全系數(shù)的高低。為了提高鉆井作業(yè)的安全性，鉆機(jī)設(shè)計者設(shè)計出游車防碰系統(tǒng)，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，各種類型的電子防碰系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，鉆機(jī)的安全性能也得到了極大的提高。

2 游車防碰系統(tǒng)組成

游車防碰系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件包括：滾筒編碼器、PLC、觸摸屏、防碰過圈閥和液壓盤剎等。滾筒編碼器安裝在與絞車滾筒軸的末端，滾筒轉(zhuǎn)動時帶動滾筒編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器由此可檢測到滾筒轉(zhuǎn)動的信號。PLC是鉆機(jī)的控制核心，所有控制指令、檢測信號處理均有它來完成，觸摸屏作為游車防碰系統(tǒng)的HMI設(shè)備，防碰過圈閥安裝在滾筒內(nèi)，用于檢測游車上行的極限位置。盤剎是鉆機(jī)的剎車裝置。軟件主要包括PLC控制程序和HMI軟件。

3 游車防碰系統(tǒng)的工作原理

對于電動石油鉆機(jī)來講，游車防碰系統(tǒng)利用絞車的零速懸停功能（即絞車可以實(shí)現(xiàn)零速滿扭矩輸出的功能），使得游車防碰系統(tǒng)具有減速控制、停車控制和剎車控制，并具有報警提示功能，相對SCR驅(qū)動的直流鉆機(jī)游車防碰系統(tǒng)，VFD變頻驅(qū)動的鉆機(jī)游車防碰系統(tǒng)具有速度過渡平穩(wěn)、鋼絲繩受力沒有沖擊等特點(diǎn)。

游車防碰系統(tǒng)的核心是如何正確計算出游車的相對位置，也就是與鉆臺面的距離。一般通過測量滾筒轉(zhuǎn)動過圈數(shù)來計算游車的相對位置，在滾筒上安裝的編碼器為增量型編碼器，PLC通過計數(shù)模塊來采集編碼器的脈沖數(shù)，根據(jù)下述算法計算出游車位置。由于滾筒上面的鋼絲繩最多繞6層，因此我們只需要計算到7層就足夠了。

Li：滾筒上第i層的鋼絲繩長，單位mm；

D：滾筒直徑，單位mm；

d：鋼絲繩直徑，單位mm；

Ni：第i層的圈數(shù)，即第i層有多少圈；

N：每層圈數(shù)，由于滾筒長度和鋼絲繩直徑是固定的，因此每層圈數(shù)也是固定的。

通過上述公式我們可以得出只要知道當(dāng)前的層數(shù)和圈數(shù)就可以計算出滾筒上的繩長，由繩長和動滑輪組數(shù)我們就可以計算出游車的位置。最終可以得出游車位置H與滾筒編碼器脈沖關(guān)系：

H=f（p） p為累計脈沖數(shù)，可通過PLC計數(shù)模塊得到。

其程序控制流程圖如圖1所示：

圖1 游車防碰系統(tǒng)框圖和控制流程圖

下行時，系統(tǒng)與之類似，所不同的是游車的實(shí)際位置小于下減速位、下停車位、下剎車時會觸發(fā)相應(yīng)的程序。PLC執(zhí)行程序采用循環(huán)掃描方式，其主程序掃描周期可達(dá)到10ms，其輸出在程序掃描結(jié)束后執(zhí)行。游車的位置在觸摸屏上實(shí)時顯示，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的減速、停車、剎車位置后觸摸屏?xí)@示相應(yīng)的報警提示。

圖1為游車在上行過程中的控制程序邏輯，下行時，系統(tǒng)與之類似，所不同的是游車的實(shí)際位置小于下減速位、下停車位、下剎車時會觸發(fā)相應(yīng)的程序。PLC執(zhí)行程序采用循環(huán)掃描方式，其主程序掃描周期可達(dá)到10ms，其輸出在程序掃描結(jié)束后執(zhí)行。游車的位置在觸摸屏上實(shí)時顯示，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的減速、停車、剎車位置后觸摸屏?xí)@示相應(yīng)的報警提示。

4 游車防碰系統(tǒng)的特點(diǎn)

交流鉆機(jī)防碰系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）游車位置計算精度高，精度誤差到達(dá)毫米級；

（2）根據(jù)游車速度大小自動計算游車減速位置，減速位置的計算可確保游車能準(zhǔn)確停在停車位；

（3）具有游車到達(dá)減速位、停車位和剎車位自動報警提示功能；

（4）避免頻繁使用盤剎，因為絞車具有零速懸停功能，因此當(dāng)?shù)竭_(dá)停車位時，盤剎可以不用剎車，延長剎車片的使用壽命。

5 總結(jié)

不論是直流鉆機(jī)還是交流鉆機(jī)，游車防碰系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用都極大地增強(qiáng)了鉆井作業(yè)的安全性，隨著電動石油鉆機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，游車防碰系統(tǒng)也逐步集成到鉆機(jī)電傳動系統(tǒng)中，作為鉆機(jī)系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。隨著更多新的控制算法的出現(xiàn)，游車防碰系統(tǒng)也越來越智能化，微電子技術(shù)的發(fā)展也使得新的控制方式得以實(shí)現(xiàn)，預(yù)計在不久的將來會有更多、更智能的游車防碰系統(tǒng)運(yùn)行在我國的各大油田。

參考文獻(xiàn)

[1].西門子自動化與驅(qū)動集團(tuán)[2] .西門子自動化與驅(qū)動集團(tuán)

[3] .ABB（中國）有限公司

作者簡介

盛哲（1985-），男，陜西人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：油田數(shù)字化及儀器儀表管理。