自動(dòng)送鉆技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

賴正友

南興裝備股份有限公司

自動(dòng)送鉆技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

賴正友

南興裝備股份有限公司

研究自動(dòng)送鉆技術(shù)可以提升機(jī)械鉆桿速率與井身質(zhì)量，減少鉆頭部件的磨損與井下事故的發(fā)生，以此保障鉆機(jī)的可持續(xù)發(fā)展。自動(dòng)送鉆技術(shù)的硬件機(jī)構(gòu)，包括有信號(hào)檢測(cè)變送單元、控制單元、變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元、上位機(jī)監(jiān)控單元，通過闡述交流變頻技術(shù)在鉆機(jī)中的應(yīng)用，最后提出盤式剎車自動(dòng)送鉆與系統(tǒng)智能鉆井裝置將成為自動(dòng)送鉆裝置的首要發(fā)展方向。

鉆機(jī)；自動(dòng)送鉆；交流變頻；智能鉆機(jī)

1.自動(dòng)送鉆的基本原理

所謂的自動(dòng)送鉆，即保持鉆頭對(duì)鉆井底的鉆頭壓力穩(wěn)定，同時(shí)需要系統(tǒng)控制鉆機(jī)主滾筒的剎車部件，以此使鉆頭縱向送進(jìn)井底。融合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，倘若聯(lián)系井底鉆壓與主滾筒剎車部件，以此直接或者間接促使鉆頭縱向自動(dòng)控制，便可以保障鉆頭自動(dòng)送鉆。自動(dòng)送鉆技術(shù)的基礎(chǔ)便是以鉆頭端頭出死結(jié)繩錨來感知系統(tǒng)負(fù)載，即在鉆頭端口可以感知到系統(tǒng)載荷，以此與輸入鉆壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)參考，數(shù)據(jù)隨之流向系統(tǒng)中央服務(wù)器，集成出自動(dòng)送鉆決策。中央服務(wù)器端口可以控制主滾筒剎車部件，依照輸出數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)游車大鉤縱向與鉆桿回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)送鉆。

2.自動(dòng)送鉆技術(shù)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)自動(dòng)送鉆技術(shù)硬件框架包括有信號(hào)檢測(cè)變送單元、控制單元、變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元與上位機(jī)監(jiān)控單元，以系統(tǒng)中央服務(wù)器控制子單元不斷協(xié)調(diào)，以此促使系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理與自動(dòng)送鉆決策的集成，以下為自動(dòng)送鉆技術(shù)框架。

圖1

2.1 信號(hào)檢測(cè)變送單元

信號(hào)檢測(cè)變送單元即為鉆壓數(shù)據(jù)輸送系統(tǒng)，包括有指重鉆壓、鉆具扭矩、鉆井泵泵壓、鉆具轉(zhuǎn)速與鉆桿游車傳感變送器。系統(tǒng)控制部件交互協(xié)調(diào)，以此促進(jìn)數(shù)據(jù)信號(hào)的監(jiān)測(cè)變送，同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)而言，指重鉆壓、鉆具扭矩、鉆井泵泵壓以4—20mA為標(biāo)準(zhǔn)，而鉆具轉(zhuǎn)速、鉆桿游車傳感變送器則以0或者5V電平信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 控制單元

系統(tǒng)控制單元即為系統(tǒng)控制服務(wù)器端口，屬于系統(tǒng)整體核心部件。以控制單元端口的控制器來采集或者演示鉆機(jī)數(shù)據(jù)信息，并且在中央服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理，以此集成出控制鉆機(jī)決策。

2.3 變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元

變頻器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元即為進(jìn)行系統(tǒng)電流信號(hào)的變流，系統(tǒng)微機(jī)以4—20mA的電流信號(hào)輸出，信號(hào)數(shù)據(jù)傳遞至變頻器端口，此時(shí)系統(tǒng)控制輸出電壓為0—600V,輸出頻率為0—200Hz的電流信號(hào)，以此對(duì)鉆機(jī)絞車主電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，而主電動(dòng)機(jī)連接鉆桿，根據(jù)需要輸出信號(hào)來控制鉆井速度。除此之外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元中數(shù)字編碼器在主電動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)后，反饋脈沖信號(hào)至系統(tǒng)速度控制端口，脈沖信號(hào)隨之參與鉆桿控制。

2.4 上位機(jī)監(jiān)控單元

上位機(jī)監(jiān)控單元即為對(duì)系統(tǒng)送鉆的監(jiān)測(cè)，屬于自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為保障系統(tǒng)送鉆的可靠性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可謂是至關(guān)重要，所以說在單元配置上要求較高，硬件基本配置包括有CPU奔騰處理器、256M內(nèi)存、40G以上固態(tài)硬盤；軟件基本配置包括有Window s98、Window s2000、監(jiān)控輔助軟件。上位機(jī)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示保持鉆機(jī)穩(wěn)定所需要的系統(tǒng)參數(shù)，并且對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)設(shè)置、資料查詢與打印等。

3.交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)中的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)

隨著自動(dòng)送鉆技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)隨之逐漸延伸，包括有盤式剎車自動(dòng)送鉆系統(tǒng)、蝸輪蝸桿自動(dòng)送鉆系統(tǒng)、液壓缸自動(dòng)送鉆系統(tǒng)。研究自動(dòng)送鉆技術(shù)，促進(jìn)鉆機(jī)部件不斷發(fā)展，以此保障鉆機(jī)市場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。課題以交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)為例，著重研究交流變頻技術(shù)框架。1990年，交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的興起代表著世界鉆機(jī)技術(shù)的革新，90年代后期，中國(guó)鉆井研究部門以交流變頻調(diào)速技術(shù)融合到石油鉆采中，尤其為電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，在當(dāng)時(shí)頗受青睞。以交流變頻取代機(jī)械與直流鉆機(jī)，融合交流變頻調(diào)速技術(shù)，促使鉆機(jī)工藝不斷提升，簡(jiǎn)化系統(tǒng)機(jī)械框架，保障系統(tǒng)后期維護(hù)保養(yǎng)工作，以此提升系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性與移運(yùn)性。交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)在絞車部件上，有著質(zhì)量輕巧、維護(hù)便捷的優(yōu)勢(shì)，并且送鉆調(diào)速范圍寬，可以直接無級(jí)調(diào)速，以低速扭矩恒定輸出，以此促進(jìn)鉆機(jī)的數(shù)控自動(dòng)，保障鉆井效率與鉆機(jī)工藝的提升。交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)控制準(zhǔn)確，操控簡(jiǎn)單，使鉆機(jī)工藝擺脫傳統(tǒng)體力勞動(dòng)，著重于鉆井操控技巧與數(shù)據(jù)參考。

4.自動(dòng)鉆井技術(shù)展望

伴隨著電動(dòng)鉆機(jī)、噴射柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與換擋液力變速箱的普及，可以隨時(shí)檢查或者管控鉆機(jī)的系統(tǒng)部件，以此維持系統(tǒng)部件扭矩與鉆桿速度。以嚴(yán)苛的比例控制技術(shù)來對(duì)剎車部件、電動(dòng)機(jī)部件、絞車控制部件、轉(zhuǎn)盤與鉆井泵進(jìn)行控制，促使鉆機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)的工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)鉆井，所以說需要研究部門不斷實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，以此尋找系統(tǒng)最優(yōu)控制參數(shù)。隨著自動(dòng)鉆井技術(shù)的不斷拓展，融合頂部驅(qū)動(dòng)鉆井部件、MWD與LWD等，鉆井技術(shù)不久便可以脫離人工調(diào)試，以系統(tǒng)智能展現(xiàn)出來。未來鉆井技術(shù)的研究發(fā)展著眼于盤式剎車自動(dòng)送鉆與系統(tǒng)智能鉆井，所以說需要深入研究盤式剎車、鐵鉆工，以此促使鉆井技術(shù)不斷發(fā)展，從而提升鉆井效率，保障鉆井安全。

結(jié)語

研究自動(dòng)鉆井技術(shù)，選擇科學(xué)的控制方式與剎車框架，以此保障自動(dòng)送鉆系統(tǒng)控制性能，提升鉆井效率。隨著鉆井技術(shù)的不斷拓展，自動(dòng)送鉆執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制器隨之不斷延伸，控制精準(zhǔn)度也逐漸提升。分析自動(dòng)送鉆技術(shù)基礎(chǔ)概念與系統(tǒng)框架，不斷研究交流變頻技術(shù)與全液壓自動(dòng)送鉆技術(shù)，促使鉆井逐漸走向節(jié)能技術(shù)與智能技術(shù)。

[1]付勃.基于鉆壓優(yōu)化的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)研究[D].西安石油大學(xué),2012.

[2]華鵬濤.交流變頻鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的研究[D].西安工程大學(xué),2013.