李才良，秦 江，楊懷建，張 耀，王玉明

（1.渤海鉆探塔里木鉆井分公司 設(shè)備科，新疆 庫爾勒841000；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司 裝備科，河北 河間062465；3.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水741020）

1 引言

油氣鉆井是勘探、開發(fā)地下油氣資源的基本手段，是探明油氣儲(chǔ)量和提高油氣田產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)，具有技術(shù)密集、高投資、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。在世界范圍內(nèi)，鉆井費(fèi)用約占油氣勘探總投資的55%－80%、油氣田開發(fā)總投資的50%以上。因此，鉆井技術(shù)的優(yōu)劣和水平直接影響著勘探開發(fā)效益。由于自動(dòng)送鉆能夠顯著提高機(jī)械鉆速、鉆頭使用壽命和進(jìn)尺，有效地降低成本，使鉆進(jìn)過程達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，因此是影響勘探開發(fā)效益的主要因素之一，本文就其目前最新的電氣控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2 自動(dòng)送鉆

采用自動(dòng)送鉆不僅能“解放”司鉆，而且能夠保證鉆柱均勻連續(xù)下放。油氣鉆井的自動(dòng)送鉆指鉆進(jìn)過程中在無人參與的條件下通過送鉆裝置實(shí)現(xiàn)鉆頭的自動(dòng)給進(jìn)。給進(jìn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化問題，國內(nèi)外很早就開始研究，并且有了各種產(chǎn)品應(yīng)用，但大都屬于單方向動(dòng)作的氣動(dòng)、液動(dòng)等機(jī)械式，目前最新的送鉆裝置為電動(dòng)式。它們的工作原理基本相同，都是送鉆裝置的輸出經(jīng)中間機(jī)構(gòu)與絞車滾筒連接，經(jīng)調(diào)節(jié)控制的輸出給進(jìn)量，通過游吊系統(tǒng)、大鉤、鉆桿、鉆井工具等，最終反應(yīng)在井底的鉆頭上。

3 電氣自動(dòng)送鉆系統(tǒng)

電氣自動(dòng)送鉆系統(tǒng)指電動(dòng)（拖動(dòng)源為電力）式、輸出給進(jìn)量通過電氣調(diào)節(jié)控制的送鉆裝置。與其他方式相比較，具有動(dòng)力穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、滾筒能夠雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，目前是鉆機(jī)，特別是電動(dòng)鉆機(jī)送鉆裝置采用的主流方式，其中電動(dòng)鉆機(jī)的又分為單獨(dú)電機(jī)拖動(dòng)、絞車電機(jī)拖動(dòng)兩種。這兩種方式除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變比對(duì)控制精度有影響外，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全一致，即：輸出給進(jìn)量采用負(fù)反饋外閉環(huán)PI 電氣控制器，內(nèi)環(huán)采用速度或轉(zhuǎn)矩控制的電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一種目前比較常用的電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)為速度控制的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，控制框圖如圖1所示。

圖1中，電氣控制系統(tǒng)中的PI 控制器和限幅器，既可以采用單獨(dú)系統(tǒng)，如PLC 等硬件實(shí)現(xiàn)，也可以采用某些電氣調(diào)速系統(tǒng)中預(yù)存的功能軟件實(shí)現(xiàn)；為保證控制精度，電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般要求帶有速度反饋的轉(zhuǎn)矩或速度控制系統(tǒng)，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)為包括傳動(dòng)箱、滾筒、鋼絲繩、大鉤、鉆桿等在內(nèi)的機(jī)械部分。

4 常用送鉆方式及其控制

常用送鉆方式指給進(jìn)量或輸出量所選用的方式，一般有恒鉆速、恒鉆壓、恒壓差等多種。下面以圖1所示的框圖為例，簡(jiǎn)單介紹以上3 種方式的控制和優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 恒鉆速

恒鉆速要求滾筒或鉆頭在下行（一個(gè)）方向以恒定的速度運(yùn)行即可，即框圖1中給進(jìn)或輸出量為速度；由于鉆頭在井底，無法測(cè)出實(shí)際速度，因此組成控制系統(tǒng)時(shí)，沒有外閉環(huán)，γ＝0、PI 控制器只用比例或者去掉，只有電氣和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以電機(jī)的速度間接反應(yīng)實(shí)際鉆速。根據(jù)鉆機(jī)的成本要求和實(shí)際工作特點(diǎn)，電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，直流可逆調(diào)速系統(tǒng)只適用于單獨(dú)電機(jī)（他勵(lì)）拖動(dòng)的自動(dòng)送鉆，其余的包括采用絞車電機(jī)的送鉆，目前絕大多數(shù)為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作方便，缺點(diǎn)是只能在特殊的地層段使用。

4.2 恒鉆壓

恒鉆壓要求井底鉆頭上的鉆壓保持恒定。即：圖1中的給進(jìn)或輸出量為鉆壓（kN）；由于鉆頭在井底，無法測(cè)出實(shí)際鉆壓，通過安裝在死繩上的液壓傳感器，將鉆重或懸重對(duì)應(yīng)的拉力（kN）信號(hào)轉(zhuǎn)換為0－10V 或0（4）－20mA 的電流信號(hào)，間接計(jì)算鉆壓。計(jì)算方法為：當(dāng)鉆柱全部懸吊時(shí)，鉆頭離開井底，大鉤的負(fù)荷為懸重，鉆進(jìn)時(shí)，把一部分鉆柱重量加在井底，此時(shí)的大鉤負(fù)荷為鉆重，則鉆壓＝懸重－鉆重。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)最大懸重調(diào)整實(shí)際測(cè)量通道γ 的數(shù)值，使其盡量提高鉆壓精度；電氣調(diào)速系統(tǒng)的選用原則同上，一般為由交流變頻器組成的調(diào)速控制系統(tǒng)。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是適合絕大多數(shù)地層段，缺點(diǎn)是鉆壓較低時(shí)，控制精度較差。

圖1 送鉆系統(tǒng)控制框圖

4.3 恒壓差

恒壓差送鉆要求鉆壓保持為恒定壓力差，這是最近幾年采用的新型鉆井工藝。圖1中的給進(jìn)或輸出量為壓力差（kN）；根據(jù)泥漿管線承壓能力設(shè)定一個(gè)工作時(shí)的最高壓力，通過安裝在泥漿泵出口或鉆臺(tái)立管上的液壓（0－50MPa）傳感器檢測(cè)實(shí)際壓力（轉(zhuǎn)換為0－10V 或0（4）－20mA）；設(shè)定最高壓力－實(shí)際壓力＝實(shí)際壓力差作為反饋量，給進(jìn)壓力差和實(shí)際壓力差經(jīng)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)算后再控制電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整鉆頭與井底之間的距離（鉆壓）實(shí)現(xiàn)恒壓差控制；設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)最大壓力調(diào)整實(shí)際通道γ 的數(shù)值，使其盡量提高壓力精度；電氣調(diào)速系統(tǒng)的選用原則同上。該方式的優(yōu)點(diǎn)是鉆進(jìn)速度快，缺點(diǎn)是設(shè)定最高壓力不易確定。

5 注意事項(xiàng)

由于目前組成電氣控制系統(tǒng)時(shí)普遍采用16 位或32 位數(shù)字控制技術(shù)，加上電氣運(yùn)算速度很快，因此圖1中在恒鉆壓和恒壓差送鉆方式下，電氣控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，PI 和限幅控制器需要根據(jù)鉤載的大小區(qū)別對(duì)待或者根據(jù)鉆井深度自動(dòng)進(jìn)行PI到P、雙向到單向輸出限制的結(jié)構(gòu)變換，這是因?yàn)殡姎饪刂坪蛨?zhí)行系統(tǒng)精度（最低為1／16384 ＝0.006%）很高，由于傳動(dòng)箱齒隙、滾筒變形、鋼絲繩伸縮、鉆桿彈性、井深、地層變化等因素影響，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)很難達(dá)到電氣精度的要求，當(dāng)控制器為PI、限幅器雙向時(shí)，為保證精度要求，控制系統(tǒng)將一直不停的進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致拖動(dòng)電機(jī)頻繁的正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，引起變速置和電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，特別是5000m以上鉆機(jī)和4000m 以上井深在用絞車電機(jī)拖動(dòng)的工況時(shí)更為突出，當(dāng)只在比例和單方向運(yùn)行時(shí)，精度雖然降低了很多但仍然高于機(jī)械式，但能夠有效的降低發(fā)熱和能量損耗。

6 結(jié)束語

根據(jù)自動(dòng)送鉆要求，以電氣的控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)方式，給出了電氣自動(dòng)送鉆控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)常用的3 種送鉆方式，敘述了組成電氣控制系統(tǒng)的方法，根據(jù)鉆機(jī)大小和井深情況，指出了實(shí)際運(yùn)行時(shí)降低能量損耗和電機(jī)發(fā)熱的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

［1］劉鐵范.鉆井儀表［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［2］樓一珊，李 琪主編，龍芝輝，熊青山副主編.鉆井工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2013.

［3］陳如恒，沈家駿主編.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［4］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所編著.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)（第二版）［M］.2005.