張革民 ,袁通華 ,李炎偉 ,解新
(1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721002;2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002;3.川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司,西安 710018;4.西部鉆探工程有限公司 巴州分公司,新疆 庫爾勒 841000;5.川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司,新疆 庫爾勒 841000)
近年來,工業(yè)自動化、智能化、信息化技術發(fā)展迅猛,帶動多個行業(yè)生產(chǎn)力水平步入新高度。而石油鉆采裝備,由于受油氣市場低迷、傳統(tǒng)生產(chǎn)模式難以更改等多方面因素的制約,新技術應用較為滯后,造成現(xiàn)場作業(yè)依然存在人員安全性差、勞動強度大、設備能效等級低、環(huán)境污染嚴重等問題。自2015年以來管柱自動化處理設備開始逐步推廣應用,鉆井作業(yè)的機械化程度和自動化程度有所改善,如動力貓道、鐵鉆工、二層臺排管裝置等設備均實現(xiàn)了機械化作業(yè)[1-2]。因此,繼續(xù)應用新技術改變現(xiàn)有石油鉆機的作業(yè)方式,取消井架工,解放井口作業(yè)人員成為鉆機技術發(fā)展的新方向。同時,中油集團提出了工程技術服務隊伍“標準化、機械化、信息化、專業(yè)化”的四化建設要求,石油鉆機作為油氣勘探開發(fā)主要裝備也同步提出了更高的需求,必須應用機械化、自動化、信息化裝備替代人力,以此徹底改變現(xiàn)有的局面。另一方面受國際原油價格長期震蕩的影響,全球能源公司都集中于采用新技術提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。我國也應采用新技術實現(xiàn)鉆井作業(yè)的節(jié)能降耗保安全,減員增效促生產(chǎn)。
基于上述諸多原因,以提升石油鉆機的自動化水平作為基本目標,寶石機械公司開始研發(fā)7000 m自動化鉆機產(chǎn)品,其中,在鉆機傳動與控制方面具有以下主要技術創(chuàng)新。
打破常規(guī)變頻驅動鉆機中每個傳動設備配套專用逆變器的技術方案,將鉆機中具有相似功效的轉盤與頂驅共用一套逆變器。通過在電控房設置切換開關,實現(xiàn)該共享逆變器驅動頂驅或轉盤的設備選擇。圖1(a)所示為逆變器輸入信號的控制方式,圖中22.11和22.12分別表示逆變器的兩個速度給定值,分別對應頂驅轉速給定和轉盤轉速給定。切換開關連接至22.14,實現(xiàn)速度給定1或速度給定2的通道選擇,從而實現(xiàn)不同的設備控制。圖1(b)所示為逆變器輸出端驅動設備的控制原理,當切換開關位于轉盤時,該電動機供電斷路器閉合,頂驅電動機斷路器切斷。否則,頂驅電動機斷路器閉合,轉盤電動機斷路器斷開。
圖1 共用逆變器控制原理
該方案的成功實施,將常規(guī)鉆機中7臺逆變器縮減為6臺,生產(chǎn)成本縮減16.7%,整流模塊裝機容量縮減10.3%。對降低整流、逆變、制動單元成本,柴油發(fā)電動機組容量,日常生產(chǎn)成本,降低排放、提升環(huán)保等各方面效果顯著。
通過共享逆變器資源優(yōu)化方案,省掉常規(guī)頂驅的電控房,在鉆機布局時節(jié)省井場占地面積,減少鉆機拆裝工作量,降低系統(tǒng)運輸成本。
該系列鉆機的直驅系統(tǒng)包括絞車、轉盤、鉆井泵、頂驅4類,共計6臺(套)設備,10臺直驅電動機,總功耗約為6900 kW,每類設備的主電動機參數(shù)如表1所示。其中,絞車由2臺1000 kW交流變頻電動機直接驅動滾筒軸,采用主電動機實現(xiàn)自動送鉆,如圖2所示。轉盤由1臺600 kW的交流變頻電動機直驅。每臺泥漿泵由2臺600 kW交流變頻電動機(左右各一臺對稱布置)直接驅動曲軸,如圖3所示,每鉆機配套3臺泵組。頂驅由1臺700 kW直驅電動機驅動主軸旋轉。
圖2 直驅絞車傳動原理
圖3 直驅鉆井泵傳動原理
表1 直驅電動機配置
較之常規(guī)驅動方式直驅系統(tǒng)的主要技術優(yōu)勢如下:
1)傳動效率高,結構簡單,便于維護保養(yǎng),降低系統(tǒng)故障率;
2)降低生產(chǎn)成本,僅絞車減速箱減重約17噸,且無需送鉆電動機及其變頻器;
3)控制更為精確,無減速機的齒輪間隙、減速比換算誤差等問題;
4)外形體積小,絞車寬度不超過2.5 m,泥漿泵寬度不超過3.2 m,實現(xiàn)一體化運輸,降低運輸成本和拆裝工作量。
自動化鉆機中管柱處理全流程實現(xiàn)機械化作業(yè),包括建立根、立根排放等工序[3-6]。其中關鍵控制技術包括伺服驅動二層臺排管裝置、區(qū)域安全管控等。
二層臺排管裝置用于在井口與指梁之間取放目標管柱,如圖4所示,取管柱工況,機械手抓取目標管柱后沿灰色箭頭所指方向以AB-C-D路徑將管柱送至井口位置。放管柱工況,沿黑色箭頭所指方向以D-C-BA的動作順序將管柱送至目標指梁。
圖4 二層臺機械手工作路徑示意圖
該電控系統(tǒng)主要由開關電源(SP)、運動控制器(MC)、伺服驅動器(SMD1~SMD4)、伺服電動機(M1~M4)、操作終端(OP)等幾部分組成。圖5所示為該運動控制系統(tǒng)原理,其中:SP提供24 VDC控制電源;編號1~4的SMD表示不同執(zhí)行機構所對應的驅動器。SP的輸出端分別連接至OP、MC和SMD的控制電源端。SMD1~SMD4分別與二層臺機械手各個動作機構的伺服電動機相連。OP以總線形式與MC通信,實現(xiàn)各動作機構依次執(zhí)行控制指令。
圖5 二層臺機械手控制系統(tǒng)原理
運動控制程序執(zhí)行流程如圖6所示。PLC首先判斷與MC的通信是否正常,通信正常時可進入自檢程序。若PLC或MC有故障(MC的故障診斷包含MC本身和SMD反饋故障),則系統(tǒng)自診斷故障位置、分析可能原因并在OP顯示故障代碼,以便于操作人員快速解決問題。自檢正常后按操作指令執(zhí)行相應動作,包括滑車行走、旋轉、推扶臂伸縮等。
圖6 控制流程圖
2.2.1 區(qū)域防碰管理
針對鉆機井架及鉆臺安裝的所有運動設備,梳理其在工作過程中存在的相互間碰撞風險。以井口中心為坐標點,結合相關傳感器信號,經(jīng)過軟件編程,實時計算各設備的關鍵輪廓點,通過比較關鍵點的距離判斷是否存在碰撞風險,然后通過提示或緊急制動實現(xiàn)即將碰撞設備的停車,以確保設備自身的安全。圖7所示為防碰空間劃分及存在碰撞風險的設備狀態(tài)提示。
圖7 防碰顯示
2.2.2 設備互鎖管理
互鎖控制程序主要存在與管柱持有權限交接的過程中。確保交接管柱的兩設備之間至少有一個設備持有管柱,避免管柱脫落的事故出現(xiàn)。如圖8所示,為互鎖功能設置與狀態(tài)提示人機界面。
圖8 互鎖顯示
圖9 集成控制網(wǎng)絡
該鉆機集成控制系統(tǒng)由上位級、中間級和現(xiàn)場級3個分系統(tǒng)組成[7-9]。
1)上位級。上位級實現(xiàn)鉆機集成控制網(wǎng)絡中所有設備狀態(tài)的一體化顯示,以及主要功能的集成化遠程操作。根據(jù)作業(yè)分工將其分別定義為主司鉆和副司鉆,二者操作設備的分工與功能劃分如表2所列。
表2 雙司鉆分工
2)中間級。中間級是實現(xiàn)鉆機集成化操作控制核心,該鉆機系統(tǒng)網(wǎng)絡架構主要實現(xiàn)的功能包括:上位機與各單元設備數(shù)據(jù)交換;鉆機不同層級急停安全管理;對鉆機各單元設備的集成化協(xié)同控制和參數(shù)集中采集及歸檔;設備之間防碰、交接互鎖等功能。
3)現(xiàn)場級?,F(xiàn)場級是各單元設備的控制站,負責各自設備內(nèi)部的控制邏輯、軌跡運算、狀態(tài)檢測等。通過現(xiàn)場級控制站與中間級集成控制網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)多設備的遠程中央操控。
所開發(fā)的石油鉆機遠程監(jiān)測與技術服務平臺[10-11]主要由現(xiàn)場層、傳輸層和應用層組成,如圖10所示。
圖10 鉆機遠程在線服務系統(tǒng)
1)現(xiàn)場層。搭建集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)平臺,制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入、傳輸和存儲標準。將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標準、通過統(tǒng)一通道存儲進物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,提高數(shù)據(jù)的可用性、可靠性及可擴展性,避免信息孤島。
2)傳輸層。通過無線移動網(wǎng)絡、衛(wèi)星、有線網(wǎng)絡等方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至遠端數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的分析和歸檔。另外還可將應用層下發(fā)的指令信息回傳至現(xiàn)場層。實現(xiàn)信息的雙向交互。
3)應用層。用于將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行結構化處理,對數(shù)據(jù)進行歸檔,用于建立大數(shù)據(jù)分析庫;實現(xiàn)鉆機遠程監(jiān)測、故障診斷、統(tǒng)計分析、維保提醒等功能,并將結構進行可視化顯示;遠端專家通過客戶端對現(xiàn)場提供技術服務。
應用該平臺,建立基于風險和狀態(tài)的維修管理模式,實現(xiàn)設備預知維修管理,為用戶提供鉆機早期的故障征兆、類型及處理方案;建成設備狀態(tài)異常預警管理系統(tǒng),實現(xiàn)快速調(diào)度、科學決策;通過在外配件庫查詢系統(tǒng)實時了解在外配件庫的庫存情況,針對緊缺配件及時排產(chǎn)和補充;通過鉆機檔案管理系統(tǒng)實現(xiàn)對出廠鉆機檔案的管理。
目前該系列化鉆機已經(jīng)應用于油田現(xiàn)場。分別在大慶鉆探、川慶鉆探、渤海鉆探和西部鉆探等主要鉆探公司近60套鉆機進行現(xiàn)場作業(yè),累計鉆井100余口,實現(xiàn)雙司鉆對整個鉆機的集成化操控,整體運行平穩(wěn)可靠。
圖11 油田現(xiàn)場鉆機
傳動系統(tǒng)動力優(yōu)化配置方案實現(xiàn)柴油發(fā)電動機組的節(jié)能運行;直驅系統(tǒng)運行效率高,響應速度快,提升自動化鉆機的綠色環(huán)保、節(jié)能減排性能;伺服驅動二層臺排管裝置,控制精度高、環(huán)境適應性強,杜絕液壓系統(tǒng)跑冒滴漏等問題;集成控制系統(tǒng)運行平穩(wěn),通過司鉆一體化監(jiān)控,實現(xiàn)井架無人化,大幅減輕工人的勞動強度,徹底改善工作環(huán)境,實現(xiàn)一線操作員工作業(yè)的本質(zhì)安全;信息化系統(tǒng)為鉆機裝備了實時在線的“智慧醫(yī)生”,開創(chuàng)了全新的設備運維管理模式。上述多項傳動與控制關鍵技術的成功應用,將國內(nèi)石油鉆機的自動化、信息化水平提升至一個新的高度。