石油钻机刹车安全保护系统的设计与应用

刘德智，李前佑，蒋洪波

（中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

0 引言

石油是重要的不可再生的自然资源。虽然我国进口的石油远远大于自行开采的石油产量，但整体开采规模却并不小。在石油开采设备中，石油钻机是关键设备之一。针对此设备的安全防护，目前已经有了多种类型方法。根据现场的实际情况，结合防护方法，有效利用各种防护条件达到防护目的。

1 硬件设计

整体的安全设计应从2 个方面进行，分别是硬件和软件部分。硬件是系统运行的基础，对整体的安全防护实施起着重要作用。

1.1 设计系统化的控制中枢进行安全操控

钻机操作人员是负责相关运作的基本人员，也是直接人员。作为操控者，需要从整体运行情况和运行详情对钻机进行操控、监视各类异常情况。当出现异常情况时，操作人员通过监控的方式，在第一时间进行了解，并采取相应的解决方案进行调整，避免意外事故的发生，保障器械和人员的安全。因此，需要在操作人员控制中心内进行相关的操控中心建设，以达到对设备远程操作的目的。而老旧设备由于自身限制，无法进行远距离操作，只能在设备现场对设备进行操作。

操控中心的构建，需要考虑设备的整体功能，结合当前网络信息技术的先进性，通过控制设备的运作，实现对当前状态的了解，并实现信息传输的目的。现在主要采用互联网的方式对设备进行远程操控。当前的互联网架构分为星形、环形、星形与环形的而结合等方式。充分利用网络构建技术的特点，结合设备实际功能，保障设备整体稳定运行。

第一种架构建设方式主要针对整体数量分布比较密集的情况下。这种方式能实现数据的快速交换，并通过各种设备原件的控制，实现整体控制。

第二种是针对分散性布设设备的情况下。这种方式能最大限度地实现信息的收集和传输。

第三种是由于特殊情况采用特殊的系统架构方式。主要因为在实际设备布置中，部分设备比较集中，部分设备的整体分布比较分散。因此，需要结合两种不同方式对设备进行有效监管。

在整体架构中，通过不同的网络节点进行传输、指令的信息。只有在各个阶段都做好相应的工作准备，才能确保工作人员很好地操作系统进行生产安全保障[1]。

1.2 刹车系统是石油钻机最后一道保全防护

在实际的设备使用中面临不同的问题，设备会引发措施进行安全防护。在整体的开采业务中，刹车系统是最后一道也是最重要的一道安全防护。刹车机制主要是通过对运行中的钻机进行相应部位的摩擦，使整体速度下降，并能进行有效控制的过程。这个过程如何刹车非常关键。对于这种安全防护措施的整体规划，需要根据不同机械设备的特性，结合现场情况进行设计，以确保实际方案的有效实施。主要从3 个方面进行思考：一是对各个设备部件的刹车防护，每个部件自身都要带有相应的功能。在实际操作过程中，通过多种设备进行搭配、协同工作，确保整体运行的可靠性。部分设备部件出现意外情况时，要针对这个部件进行相应的刹车操作，从而确保设备使用的安全性。同时，由于异常现象只是局部的，只需对相应部件进行操作，而整体运转不受影响。只有这样，在部分设备发生意外时，才能做到针对性处理而不影响整体的运行稳定性。二是必须对所有设备进行刹车控制。在系统实际操作过程中，有可能出现紧急情况，要求能够做到对所有设备进行紧急刹车控制。这种情况下，要求系统对所有设备有一键操控的功能，能在指令下达后，对所有设备进行刹车操作，确保系统在必要的时候短时间内全部紧急停止运转。三是对能源动力要有相应的紧急控制方式。所有钻机设备都通过相应的能源进行动力供应，对能源的操作能在一定层面上迫使设备运转暂停。一旦启动开关开启，能源供应可以直接切断，迫使设备停止运转。这种操作是在非常紧急的情况下使用，虽然使用的概率不大，但必须保证有相应的功能，因为任何意外都不能完全避免，需要相应的机制进行保障[2]。

1.3 多种因素结合控制的必要性

刹车系统的控制主要通过对钻机惯性操作方式的改变而迫使设备运转停止的操作方式。实际的能源供应方式不同，各种钻机的实际操作也不同。有盘刹方式，也有能源消耗控制方式，还有电磁涡流等其他相应的方法。

在紧急情况下的操作中，必须确保指令的下达，系统能够在第一时间内进行反应。因此，刹车系统的反应快慢是重要的关键。反应的快慢也代表着系统的灵敏度高低。但并不是说反应越快，灵敏越高，系统越好。过快的反应可能会造成整体架构的晃动，从而造成意外的发生。而反应过慢会造成部件触碰受损。因此多种因素结合的控制方式是必要的。

（1）刹车和游车监测系统关联，设计时充分考虑两者之间的关系。通过对游车系统几个重要部门进行强制管控，更好地确保刹车系统的高效性。主要从3 个部位着手，一是上部的报警装置，二是下部的报警装置，三是停靠位置的报警装置。这3 个位置要实现设备的自我调控，能自行调整，避免因人工判断不准确造成时机的延误，影响整体安全性。

（2）充分考虑其他方面的不安全因素。钻机使用中，不但要考虑它的安全使用，还要考虑各个环节正常运作能否保障钻机的安全使用。因此，对于这些环节都要进行相应的功能设计，确保这些环节发生意外，不能确保钻机安全性时，系统根据情况自动制动，停止整体运转。

（3）通过系统的自我调节，能更好地辅助设备的安全使用。正常情况下，刹车设备都需要人工操作，根据实际情况进行计算、判断，实施一定的操作方案，确保设备安全使用。但人工操作是依据以往的工作积累，这种方式的判断在一些情况下有可能出现失误。一旦失误，会对整个系统的安全运行造成非常大的威胁。因此，要通过系统的自我调节，使系统对数据进行自我监控、分析时，设计相应的阈值，一旦发现不正常数据，系统自动调整执行刹车指令，减少人员判断的不确定性和误差，更好地保障设备的安全运行。随着技术的发展，这种方式已开始逐步推广。主要是根据钻机运行情况、游车整体位置以及能源供应装置的运行情况进行判断，通过判断，再结合当前的整体速度情况等进行分析，一旦发现异常，执行系统内部设计指令，迫使设备进行相应的自我调整[3]。

1.4 智能化设备的使用

当前，智能化设备逐步运用于各行各业，并得到了高度认可。石油开采行业智能化设备的使用，同样能起到非常大的作用。在设备运行过程中，智能化系统分析判断整体运行情况，得出目前运行情况是否正常。出现不正常的情况，会在必要的时候进行系统控制，保障设备的安全和操作人员的生命安全[4]。

1.5 重要配件的备份措施

系统的运行主要依靠核心配件的功能。当核心配件功能出现问题时，会对整体运行造成很大影响。因此，可以针对核心配件进行多重备份，在某些配件出现问题时，及时进行更换，确保系统的稳定运行。另外，某些系统还可以根据实际需求设计成双配件的AB 角，在一个配件运转出现问题时，另一个配件通过系统判断进行工作承接。这样，配件正常工作有一套紧急处置方案，意外发生时能进行自我调整，保障关键配件的运转不会出现问题[5]。

2 软件设计

软件的功能设计能对刹车系统起到非常好的调节作用。

一是针对硬件的急停操作，软件可以设置软急停功能，在需要的时候可以下达相应的刹车指令，使钻机刹车。另外通过软件的控制，在某些时候，可以将其他的指令全部清除，迫使钻机停止在相应的位置，确保系统的运行安全。二是能对能源供应进行有效控制。在刹车指令下达后，由于惯性的原因，有可能造成过快或过慢的刹车情况出现，都会对设备造成很大的影响。通过软件，可以监测设备的实时运行情况，根据相应的数据，实时、灵活地对能源进行控制，从而控制整体的速度，确保刹车过程安全，不会出现刹车力度过大或过小的问题[6]。

3 结束语

随着石油开采的不断发展，各种钻机的使用愈加频繁。在钻机的使用过程中，安全问题是重中之重。因此，相应的刹车安全防护，要结合设备的特征以及现场环境，从硬件和软件两方面考虑，设计出适合现场使用的方案。