劉亮

（中石化中原石油工程有限公司鉆井三公司，河南 開(kāi)封 475300）

一、石油鉆機(jī)組成及工作原理

鉆機(jī)主要是由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鉆井液循環(huán)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機(jī)底座等部分組成。

鉆機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部分由縱向運(yùn)動(dòng)和水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩部分組成。水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由頂部驅(qū)動(dòng)裝置或轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)驅(qū)使鉆桿水平旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)井底鉆頭旋轉(zhuǎn)，破碎巖石，保證鉆頭的持續(xù)向下鉆進(jìn)?？v向運(yùn)動(dòng)部分由絞車帶動(dòng)，通過(guò)游車帶動(dòng)整個(gè)鉆具，負(fù)責(zé)鉆具的起升（更換鉆頭或增加鉆桿）和下降（正常鉆進(jìn)）。鉆機(jī)中的輔助設(shè)備同樣必不可少，它能夠配合鉆進(jìn)部分工作達(dá)到更好的鉆進(jìn)效果。

二、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(guò)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。

圖1 送鉆系統(tǒng)控制框圖

三、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、恒轉(zhuǎn)矩等。下面簡(jiǎn)單介紹以上4 種方式的控制和優(yōu)缺點(diǎn)。

（一）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(wú)法測(cè)出實(shí)際速度，因此組成控制系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)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。

（二）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(wú)法測(cè)出實(shí)際鉆壓，通過(guò)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(kāi)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。

（三）恒壓差

恒壓差送鉆要求井底壓力保持為恒定壓力差，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(guò)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(guò)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。

（四）恒扭矩

恒扭矩以頂驅(qū)輸出扭矩恒定為控制目標(biāo)，為達(dá)此目的，需要構(gòu)造扭矩負(fù)反饋閉環(huán)控制單元，該單元一般配置成P（比例）或PI（比例＋積分）控制器。頂驅(qū)的實(shí)際扭矩檢測(cè)一般通過(guò)為其供電的電控裝置通過(guò)其I/O接口間接獲得?？刂凭热Q于控制單元的基礎(chǔ)精度和供電裝置扭矩的字長(zhǎng)。

四、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)將一直不停地進(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，但能夠有效地降低發(fā)熱和能量損耗。

鉆井行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)必然是電氣化，數(shù)字化。自動(dòng)送鉆作為輔助鉆井的一項(xiàng)裝置，其穩(wěn)定性，省效性，可靠性都是不可或缺的。