直流钻机司钻操作技术现状及优化方案

李庆福，王飞，张彦伟，史金红，李娜，李博，王辉，秦弈涵，邱立波

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721000；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721000）

0 引 言

目前直流钻机司钻房内的司钻操作台布满了各种调速手轮、手柄、显示屏、指示灯、开关等元器件，导致司钻操作不方便并且信息化及自动化水平低，同时很多关键钻井设备参数司钻无法监控，影响钻机的安全性及可靠性。操作台上操作元器件过多最终导致司钻房整体尺寸加大，增大钻台面的使用面积及影响其他设备的摆放。

为了提高司钻操作的便捷性及钻机信息化和自动化水平，必须对司钻操作进行优化设计，以保证钻机安全可靠运行。取消司钻操作台上各种调速手轮、手柄、指示灯、开关等元器件，配置电控触摸屏，将相关系统设备集成到钻机电控系统内，并在电控触摸屏上进行参数监控及操作控制。使司钻能够实时监控钻井相关参数并掌握各相关设备运行情况，减少设备故障率，提高生产效率。现场信息的集成是过程控制系统的要求，对现场设备通过传感器进行信息采集，按照控制器PLC 的指令对现场设备进行控制[1]。司钻操作优化设计后将大大降低司钻操作台的尺寸，从而可减小司钻房的尺寸，增加钻台面的使用面积。

1 直流钻机司钻操作技术现状

直流钻机司钻房内主要安装了钻机电控系统、钻井仪表系统、独立数显防碰装置、开关类电控操作设备、手柄类气控气操作机构的相关元器件，用于司钻操作，导致司钻操作台布满了各种调速手轮、手柄、显示屏、指示灯、开关等元器件。

1.1 钻机电控系统

采用SCR 可控硅技术将交流母排的600 V 交流电源转换为0～750 V 连续可调的直流电，通过接触器指配开关进行切换，控制驱动转盘、绞车及泥浆泵的直流电动机，拖动性能满足转盘、绞车及泥浆泵的传动要求。

在司钻房配置转盘、绞车及泥浆泵的调速手轮用于相应设备调速，配置转盘、绞车及泥浆泵的启停开关用于相应设备启停控制，配置转盘、绞车及泥浆泵的运行指示灯用于相应设备运行指示，配置自动送钻触摸屏用于自动送钻控制及显示。

配置SCR 柜运行指示灯用于相应SCR 柜运行指示，配置柴油发电机组运行指示灯用于柴油发电机组运行指示。

1.2 钻井仪表系统

钻井仪表系统为独立仪表系统，在司钻房内配置独立的仪表显示屏、机械指重表、机械立管压力表、机械吊钳转矩表用于仪表参数显示。钻井仪表系统用于显示悬重、钻压、立管压力、吊钳转矩、泵冲及排量、累计泵冲、转盘转速、顶驱转速、转盘转矩、顶驱转矩、大钩位置、大钩速度、出口泥浆返回量、泥浆罐泥浆体积（液位）、井深、钻头深度、吨公里等参数。

1.3 独立数显防碰装置

在司钻操作台上配置1 个独立数显防碰装置，用于检测游车高度，并将报警点和上碰下砸点信号传输给钻机电控系统PLC，由钻机电控系统PLC 控制盘刹车。独立数显防碰装置和钻机电控系统共同完成游车电子防碰功能，保证钻机的安全使用。

1.4 开关类电控操作设备

在司钻房操作台上配置了液压猫头操作开关、灌浆泵启停开关等电控操作开关，用于相关设备的司钻房启停等操作。这使得司钻房操作台上布置了大量的开关，司钻操作很不方便并且增加操作台的面积。

1.5 手柄类气控气操作机构

在司钻房操作台上配置了转盘惯刹手柄、绞车挡位选择、滚筒高低速等气控气操作手柄，通过手柄控制气控阀的输出来控制执行机构动作，以达到例如转盘惯刹动作及绞车换挡的目的，这使得司钻操作台上布置了大量的气控气操作手柄。

1.6 机械压力表

在司钻房操作台上配置转盘润滑油压机械表、绞车润滑油压机械表等机械表头用于显示相关设备压力，这使得司钻房操作台上布置了大量的机械表头，司钻不易查看并且没有报警提示。

1.7 直流钻机司钻房操作台布局

目前直流钻机司钻房操作台布局如图1 所示。

2 直流钻机司钻操作优化设计方案

2.1 钻机电控系统优化

取消转盘调速手轮、绞车调速手轮、泥浆泵调速手轮、转盘启停开关、绞车启停开关、泥浆泵启停开关、指配开关、自动送钻触摸屏、电控系统设备运行指示灯、柴油发电机组运行指示灯等，配置2 台电控触摸屏，正常情况下，一台作为电控监控屏，一台作为钻井仪表参数显示屏，当有一台故障时，可相互切换显示2 种软件界面，2 台电控触摸屏均布置在司钻前方的操作台上。

电控触摸屏设计人机界面，通过相关组态软件实现控制界面制作、控制变量建立、相关属性设置等[2]。人机界面主要包括操作控制区、状态显示区、参数设置区等，通过电控触摸屏与电控系统PLC 的通信实现相关设备的操作控制、状态显示和参数设置。

1）自动送钻操作和显示技术。电控触摸屏具有原自动送钻触摸屏的全部功能，可在电控触摸屏上进行自动送钻的参数设置、参数显示、命令发送，满足恒钻压及恒钻速自动送钻功能。

图1 目前直流钻机司钻房操作台布局

2）关键参数设置及显示技术。由于老式直流钻机没有单独的电控触摸屏，所以转盘、绞车及泥浆泵的相关参数无法显示，增加电控触摸屏后，可在电控触摸屏上进行转盘、绞车及泥浆泵的参数设置、参数及状态显示、命令发送等功能，实现转盘、绞车、泥浆泵的调速功能和启停功能等。司钻可实时查看转盘、绞车及泥浆泵的所有相关信息，指导司钻进行相关作业，同时也增加了钻机的安全性。

在电控触摸屏上实现指配开关的功能。完成钻机在不同钻井工况下，通过指配开关实现SCR 柜控制不同的驱动设备，满足钻机的实际使用要求。电控触摸屏通过与钻机电控PLC 之间的通信线实现命令发送，同时钻机电控PLC 与SCR 柜之间的通信实现SCR 柜控制转盘、绞车及泥浆泵设备的各种工况输出组合。

3）柴油发电机组远程启停操作及显示技术。柴油发电机组的运行信号及使用功率信息接入钻机PLC 并通过Profibus 通信方式传输给司钻房内的电控触摸屏，在电控触摸屏上进行柴油发电机组的运行及使用功率显示。同时可在电控触摸屏上设置柴油发电机组远程启停按钮，在司钻房对柴油发电机组进行远程启停控制。这将提高司钻操作的便捷性并且司钻可通过监视各柴油发电机组的功率使用情况决定柴油发电机组的开启数量，可以节能增效，产生很好的经济效益，也可减少机组排污对空气的污染。

4）控制系统冗余备份技术。钻机电控系统控制方式由单PLC+BYPASS（应急旁路硬线连接）方式变更为双PLC（冷备冗余），原单PLC+BYPASS 方式存在单PLC 出现故障时，BYPASS 应急旁路硬线连接控制时钻机不具备电子防碰功能及相关互锁保护功能，降低钻机安全性。采用双PLC（冷备冗余）后，当1 个PLC 出现故障时，可通过PLC 切换开关切换至另一套PLC，使钻机具备电子防碰功能及相关互锁保护功能，保证了钻机能够继续使用的同时增加了钻机的安全性。

PLC 技术维修简单，当系统出现故障时，司钻可根据故障诊断信息对系统进行分级式检测，可迅速找到问题所在。PLC 技术对自动化控制进行逻辑性控制、数据信息控制、模拟化控制等[3]。

5）数据远程传输技术。钻机电控系统预留远程数据传输接口，通过无线远传的方式将钻井设备相关信息传输给后台队长办公室，井队队长可在队长办公室内实时查看钻井相关数据。做到信息共享，提高信息化水平，同时对井队的安全作业又增加了一份保障。

2.2 钻井仪表系统优化设计

取消直流钻机独立钻井仪表系统的仪表显示屏及各类机械液压表头，由钻机电控系统集成钻井仪表系统所有参数在电控触摸屏上进行显示及设置。仪表系统配置OPC 服务器与钻机电控系统PLC 进行通信，将仪表系统参数传输给钻机电控系统并在司钻房内的电控触摸屏上进行显示及设置。取消直流钻机独立钻井仪表系统的仪表显示屏及各类机械液压表头后节省了司钻操作台的空间。

2.3 独立数显防碰装置优化设计

取消独立数显防碰装置，由钻机电控系统集成游车电子防碰功能（防上碰下砸），在电控触摸屏设计游车电子防碰界面。在绞车滚筒轴安装一只绝对值编码器，由PLC 采集编码器信号,精确计算出当前游车的位置,并与设定的防止上碰下砸位置进行比较。当游车到达预警位置,将通过数控程序，发出预警指令信号，控制绞车电动机进入安全速度；当游车到达限定位置，再发出急停指令信号,通过盘刹电磁阀驱动盘刹刹车。取消独立数显防碰装置后将消除前期两个系统间接口对接时可能存在的错误，并节省了司钻操作台空间，增加钻机的安全性和可靠性。

2.4 开关类电控操作设备优化设计

取消液压猫头操作开关、灌浆泵启停开关等设备电控操作开关，将此类设备集成在钻机电控系统内，在电控触摸屏上设置相关设备的操作开关代替原物理开关，通过钻机PLC 系统对相关设备进行控制，并且将反馈信号接入钻机电控系统PLC，在电控触摸屏上进行显示，PLC通过相关反馈信号状态进行相应的程序控制，满足钻机电气互锁要求，保证钻机设备动作有序进行。取消液压猫头操作开关、灌浆泵启停开关等设备电控操作开关后将大大节省司钻操作台的空间。

2.5 手柄类气控气操作机构优化设计

取消司钻房操作台上的转盘惯刹、绞车挡位选择、滚筒高低速等气控气操作手柄，将控制方式由气控气变更为电控气，将原气控气阀组变更为电控气的电磁阀组。将上述手柄操作集成在司钻房电控触摸屏上，通过电控触摸屏对电控系统PLC 发送指令，PLC 接收到指令后由PLC 控制相应的电磁阀，进而控制执行机构完成例如转盘惯刹刹车、绞车挡位变换、滚筒高低速转换等。提高了司钻操作便捷性及参数可监控性，取消大量的气控气手柄将节省司钻操作台的空间。控制方式由气控气变更为电控气后将缩短气路管线长度，缩短响应时间，执行机构能够更快速地动作。另外，在严寒地区冬季气温太低的情况下，缩短气路管线长度将大大降低气路管线及气控阀故障。

2.6 机械压力表的优化设计

取消转盘润滑油压机械表、绞车润滑油压机械表等机械表头，配置转盘润滑油压及绞车润滑油压等压力传感器（4～20 mA），将电信号接入钻机电控系统PLC 中，由钻机电控系统PLC 与司钻房电控触摸屏进行通信，在司钻房电控触摸屏上显示各类油压等模拟量参数。司钻可以直观地在电控触摸屏上查看相关参数，并且电控系统可实时监测油压等参数，当参数异常时进行报警提示。取消转盘润滑油压机械表、绞车润滑油压机械表等机械表头将大大节省司钻操作台的空间。

2.7 安全急停方案设计

出于安全考虑，司钻操作台仍保留盘刹急停按钮、柴油发电机组急停按钮、SCR 系统急停按钮，当出现紧急事故时司钻可按下相应的急停按钮，保证钻机及人员的安全。

2.8 优化后的司钻房操作台布局

优化后的司钻房操作台布局如图2 所示，司钻左手边布置1 个电磁涡流刹车手柄，用于绞车辅助刹车。司钻右手边布置1 个绞车盘刹手柄、1 个盘刹急停按钮、1 个柴油发电机组急停按钮、1 个SCR 急停按钮，其中绞车盘刹手柄用于绞车主刹车，盘刹急停按钮用于盘刹急停，柴油发电机组急停按钮用于柴油发电机组急停，SCR 急停按钮用于钻机SCR 柜急停。

司钻前方布置2 台电控触摸屏，用于相关钻井设备的操作控制及参数显示等，正常情况下，1 台作为电控监控屏，1 台作为钻井仪表参数显示屏，当有1 台故障时，可相互切换显示2 种软件界面。控制系统采用双PLC（冷备冗余），当1 个PLC 出现故障时，可通过PLC 切换开关切换至另一套PLC，使钻机具备电子防碰功能及相关互锁保护功能，保证了钻机能够继续使用的同时增加了钻机的安全性。

图2 优化后的司钻房操作台布局

3 结 语

通过相关系统设备集成化设计简化司钻操作台，由电控触摸屏操作代替原物理开关、手轮、指示灯等电器元件，提高了司钻操作的便捷性及钻机的安全性和可靠性，司钻可以通过电控触摸屏对相关钻井参数进行监控及设置，并具有故障诊断功能，帮助司钻迅速解决故障，提高了钻机信息化及自动化水平，提高了钻井效率及经济效益。