（机械工程专业论文）石油钻机液压盘式刹车自动送钻装置研制.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 石油钻机液压盘式刹车自动送钻装置研制 机械工程 张强( 签名) 朱小平( 签名 摘要 随着石油行业竞争的日趋激烈，降低石油的开采成本就势在必行。国内目前使用的 钻机比较陈旧，控制方式非常落后，导致钻井周期长、钻头损坏率高，这是降低石油开 采成本的重要制约因素，而且落后的控制方式使得钻井过程容易发生溜钻、卡钻等事故。 因此针对国内石油钻机的这种现状，采用先进的控制系统就成为必然趋势，本文阐述了 石油钻机自动送钻控制系统的整体设计。 自动送钻就是指钻机在正常钻进过程中，不依靠司钻调节，而是按照钻井工艺要求， 通过控制系统自动调节钻压、转速、送进钻具。盘式刹车自动送钻采用液压力直接控制 盘式刹车的刹车力，无需任何中间过渡环节，容易与电控制信号接口，所以盘式刹车的 自动送钻容易实现遥控和自动化操作。根据我国目前的石油钻井现状，研究和开发盘式 刹车自动送钻装置是今后的发展趋势。这是本课题选题的一大因素。 本文是以宝鸡石油机械厂生产的陆地石油钻机的b s s z 1 型自动送钻控制系统为对 象进行的研究。在本篇论文中，首先详细地分析了控制系统的各个环节，为了提高系统 的响应速度，增加系统稳定性，改善系统非线性，加入了液压、速度两个内环，在仿真 分析了液压环和速度环模型后制定出了相应的控制方法，并对控制方法进行了仿真。然 后，针对钻压系统是一个时滞、时变、非线性系统，本文应用了模糊理论进行钻压控制 器的设计，试验证明该控制方式控制效果良好，各方面性能指标都达到理想要求。 关键词：石油钻机液压盘刹自动送钻模糊控制 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e e t ： t h ed e v e l o p m e n to fd r i l l i n gr i ga u t o m a t i cd r i l l i n ge q u i p m e n tb a s e do n h y d r a u l i cd i s kb r a k e s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： z h a n gq i a n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：z h ux i a o p i n g ( s i g n a t u r e a b s t r a c t i nt h eo i l i n d u s t r y , c o s tr e d u c t i o ni si m p e r a t i v eb e c a u s eo fi n c r e a s i n g l yi n t e n s i v e c o m p e t i t i o n n o w , d o m e s t i cd r i l lr i gi sr e l a t i v e l yo l d ，a n dc o n t r o lm e t h o di sb a c k w a r d ，d r i l lb i t f a i l u r er a t ei sr e l a t i v e l yh i g h t h e s ea r et h er e s t r i c tr e a s o n sw h i c hi m p r o v et h ed r i l l i n gc o s t t h eo l dc o n t r o lm e t h o dl e a d st om a n ya c c i d e n t s ，s u c ha sd r i l ls t r i n gn o tw e l lb r a k e da n dd r i l l p i p es t i c k i n g s ot h et e n d e n c yi st oa d o p ta d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e i n t e 黟a ld e s i g no fd r i l l i n gr i ga u t od r i l l i n gc o n t r o ls y s t e m a u t od r i l l i n gi sa u t o m a t i cd r i l l p r e s s u r e , r o t a t i n gs p e e dr e g u l a t i o na c c o r d i n gt od r i l l e r a t t w o r k , n o tr e g u l a t e db yd r i l l e r t h ed i s kb r a k ea u t o d r i l l i n gs y s t e m a d o p t sh y d r a u l i c s y s t e ma c t i n go nt h eb r a k e , h a sd i r e c ti n t e r f a c ew i t he l e c t r o m cc o n t r o ls i g n a l ，a n dn om i d d l e l i n k , c a nr e a l i z er e m o t ec o n t r o la n da u t o m a t i co p e r a t i o ne a s i l y s t u d y i n ga n dd e v e l o p i n g a u t o m a t i cd r i l l e ro fd i s kb r a k ei st h et r e n db ya n db y t h a ti so n er e a s o nw h yt h i st h e s i s c h o o s e st h et o p i c t h e r e s e a r c h i n go b j e c ti st h eb s s z 一1t y p ea u t o - d r i l l i n gc o n t r o ls y s t e mp r o d u c e db yb a o j i p e t r o l e u mm a c h i n e r ym a n u f a c t o r y a tf i r s t ，e v e r yi m p o r t a n ts e g m e n t i si n t r o d u c e d t oi n c r e a s e t h es t a b i l i t y , i m p r o v et h es y s t e m sn o n - l i n e a f i t y , t h eh y d r a u l i ca n dv e l o c i t yi n n e rl o o pa r e a d d e di n , a n dt h e i rr e l e v a n tc o n t r o lm e t h o d sa r ea n a l y z e d af u z z yt h e o r yi su s e dt ot h e t i m e d e l a y , t i m e - v a r i a n t ，n o n - l i n e a r i t ys y s t e m t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t et h eg o o de f f e c t s o fc o n t r o ld e s i g n k e y w o r d s ：d r i l l i n gr i gh y d r a u l i cd i s cb r a k ea u t o - d r i l l i n gf u z z yc o n t r o l t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 葛 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：多送垒，叠圣 日期：垫基：! ! ：堡 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： e t 期：一 1 防沙 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 i i 课题来源和背景 第一章绪论 1 1 1 课题来源 近些年来，钻井装备技术发展日新月异，新设备、新技术不断得到大家的认可。在 钻井现场，司钻被认为是一个至关重要的操作岗位，是各项钻井操作的执行和控制者。 一个司钻操作的好坏直接关系到井眼轨迹的好坏、井下事故的发生、人身安全等诸多方 面的因素。而且司钻岗位往往是一个重体力劳动岗位。如何降低司钻的劳动强度，并使 之专注于保证井眼轨迹、井下情况的判断、安全事故的防范等技术工作，现已成为钻机 人性化设计的一个重要方面。应用自动送钻装置进行钻井，不仅可以减轻司钻的劳动强 度，提高机械钻速，延长钻头使用寿命，而且还可提高钻井质量，减少井下事故发生率， 从而获得显著的经济效益。随着石油行业竞争的日趋激烈，降低钻井成本、提高钻井效 率就势在必行。于是研制开发控制精度高、性能稳定可靠的自动送钻装置就显得尤为重 要。目前自动送钻装置主要有两种形式：一是盘式刹车自动送钻装置；二是交流变频电 机自动送钻装置。由于盘式刹车已普遍配置不同类型钻机，且技术和产品比较成熟。所 以采用盘式刹车自动送钻，可以适应不同类型钻机和各种地层钻进的恒钻压控制。国外 有较多的成功产品，已得到广泛应用。国内对盘刹自动送钻装置也有很多研究并有多项 有关盘刹的自动送钻的专利，但由于井下情况的特殊性及技术条件上的限制，在工业现 场的应情况一直不够理想。于是自动送钻装置的研究、开发、应用则成为钻井装备制造 企业的一项重要课题。 本课题是根据油田需求，宝鸡石油机械有限责任公司将其列为2 0 0 6 年科研项目。本 论文是以宝鸡石油机械有限责任公司的石油钻机b s s z - i 型自动送钻控制系统研制为背 景。作者主要负责：( 1 ) 自动送钻装置系统流程设计：( 2 ) 自动送钻装置盘刹接口单元的 设计；( 3 ) 自动送钻装置对恒钻压控制方式的选定：( 4 ) 建立游车系统的控制模型。 1 1 2 课题背景n - 2 自动送钻是指石油钻机( 采用旋转式钻井法) 在正常钻进过程中，不依靠司钻调节， 而是按钻井工艺要求，让送钻装置在给定的条件下实现钻头的自动进给。这里的给定条 件是指钻压、转速、扭拒等。自动送钻装置维持恒条件钻井。国内外广泛采用的是进行 恒钻压钻井，由于钻进是钻井工艺过程中最主要的功能之一，因此自动送钻装置的研制 在实现钻机自动化的历史使命中占有十分重要的地位。 采用自动送钻装置，是因为传统的人工控制给进钻井存在以下的缺点： ( 1 ) 司钻长时间注意力高度集中，如观看指重表、钢绳放出情况，频繁地抬起与下放 刹把，其精神、体力劳动强度大，极易疲劳，因此也就不可避免地发生溜钻或顿钻事故， 两安石油大学硕士学位论文 钻井是不安全的； ( 2 ) 司钻手持刹把控制给迸是间断的，特别是每个司钻的操作技术水平不同，送钻质 量也因入诱异，蛊接影响了钴并质量。人工控制给进钻井，并壁质量较蓑、取芯率较低、 容易发生井斜和卡钻事故： ( 3 ) 司钻控制给进时，凭经验进行操作，这导致钻头的轴承负荷变化较大，加快了钻 头的磨损，扶丽缩短了钻头的使用寿命。 随着计算枧技本与机、电、液一体化技术的发展普及，钻井技术逐步向商效率、高 精度、低劳动强度，高度自动化方向发展。作为石油钻机自动化部件之一的囱动送钻装 置，在国外，尤其是在美国已得到广泛应用。近年来，由于钻井技术不断发展与革新， 对钻井速度和钻井质量提出了更高的要求。尤其是醒合一钻头( 镶壤、密封、滑动轴承、 喷射) 出现后，钻头寿命大大提高了，相应地延长了司钻的操作时间。此刻，如何确保钻 井过程安全可靠、不溜钻、不顿钻等，则有必要要求钻机配备自动送钻装置，让司钻从 繁重的体力劳动中解放出来。这是钻井工艺发展的必然。所以，强前各嚣都重视蛊动送 钻的研制与应用。 在国外，如美国、前苏联、前西德、罗马尼距等在钻机上使用自动送钻装置的实践 表明，自动送钻能减轻工人的劳动强度；送钴质量提高，钻井事放减少；钻头使焉寿命 提高，增加了每只钻头进尺量；提高了机械钴速及综合效益。在现代的钻井过程中，世 界各国广泛采用自动送钻装置，以替代人工送钻，钻井过程正从人工控制阶段向采用自 动送钴技术自动控制阶段发展。 在我匿，鸯动送钻技术也在逐渐推广瘦雳。经过多年的研制和应用，现有皇动送钻 装置种类繁多。当前，钻机不配备自动送钻装置已被认为是一种落后的表现。可以预见， 它将会成为钻机不可缺少的组成部分。 1 2 国内外自动送钻现状及发展趋势 1 2 1国外自动送钻研制与应用概况陆5 1 1 、美国自动送钻装置研制与应用概况 到目前为止，美豳陆地钻机大部分配有自动送钻装置。在新研制的陆地钻机、海洋 钻机、沙漠钴枫、极地钻橇中，全部配备了皇动送钻装置。有关囊动送钻装置的美国专 利己有5 0 多项。 目前，美国应用较好和有产品出售的自动送钻装置主要有以下五种： ( 1 美6 b 型自动送钴装置 此为美国n a t i o n a ls u p p l yc o 生产，装置中采用了三项美国专利。近年来，6 b 型自 动送钻装鼍已由m a r t i n ，d e c k e r 公司生产。在我国引进的美国n a t i o n a ls u p p l yc o 生产的 1 3 2 0 - u e 型海洋钻机中，均配有6 一b 型自动送钻装置，并在我国海洋石油钴井中取得了 2 第一章绪论 较好的使用效果。 6 b 型自动送钻装置的主要特点是：钻压信号的变化转换为气马达转速的改变，滚 筒转数采用机械式反馈系统，使用安全、可靠，不受环境的影响，能正常连续钻井。 ( 2 ) 卫星型自动送钻装置 此为美国m a r t i n d e c k e r 公司生产。卫星型自动送钻装置主要特点是：气驱动，机械 反馈，使用安全可靠，适应各种地层岩石钻井的需要，可以连续自动钻井。 ( 3 ) g p 公司自动送钻装置 此为美国g _ e o l o g r a p h p i o n e e r 公司生产。g p 公司自动送钻装置的主要特点是：气驱 动、气反馈，是一种全气动自动送钻装置。 ( 4 ) c a t 型自动送钻装置 此为美国gh b e a r 公司生产。在1 9 8 3 - 1 9 8 5 年间，我国向美国多家公司购进了6 2 台2 0 0 0 m 车装钻机，均配有c a t 型自动送钻装置，钻井效果也很好。c a t 型自动送钻装 置的主要特点是：气驱动，气反馈，是一种全气动自动送钻装置。 ( 5 ) 盘式刹车自动送钻装置 盘式刹车装置含气动推盘盘式刹车与液压盘式刹车两种形式，两种形式刹车均可由 计算机系统通过电液比例控制，实现自动送钻功能。美国g s e r ：v e 公司、派创公司、 创新电子公司均研制出盘式刹车自动送钻装置，并已进入商业化运作阶段。其中液压盘 式刹车自动送钻装置为目前主推产品。 2 、原苏联自动送钻装置的研制与应用概况 ( 1 ) 原苏联mr l 且1 型自动送钻装置 原苏联m 且1 型自动送钻装置的特点：气驱动，输出气讯号控制增速箱上面的由 4 0 0 m m 摩擦轮，再通过传动比为2 7 6 3 的增速箱和传动比为1 7 的链条传动副驱动绞车 的滚筒轴，进行自动送钻。有一个1 4 k w 的事故电动机，当钻机传动系统出现故障时， 为了确保井下安全，可用该电机以较慢的速度将井下钻具提起来，以防止可能发生的卡 钻事故。 ( 2 ) 原苏联p 且3 3 型自动送钻装置 原苏联乌拉尔重型机械制造厂和巴里卡德厂生产，用于大钩最大载荷8 0 0 0k n ， 1 2 5 0 k n ，2 0 0 0 k n 的石油钻机。经过现场使用效果较好，自动给进精度较高，使用安全 可靠。但是结构复杂，造价高。这种装置的总体方案是一种带磁力放大器的发电机一电 动机，直流电驱动式自动送钻装置，其主传动方式为电气式。 3 、罗马尼亚d a a $ - g 型自动送钻装置 d a a s g 型自动送钻装置是一台电动减速器，主传动方式为液动式。电动机在处理 事故时，可以2 2 m h 提升速度提升钻柱。还用于在井场具备电力而没有钻机动力机组时 起升井架。电动机功率2 2 k w ，转速1 3 0 0 r m i n ，减速器为直齿行星齿轮，速比为6 0 7 2 ， 输入轴扭矩为4 3 0 n 1 1 1 ，输出轴扭矩为2 6 6 0 0n m 。d a a s g 型自动送钻装置，使用于最 3 龋安石油大学硕士学位论文 大钻柱重量2 5 0 t 、钻压变化范围0 i 0 3 t ，自动送钻速度为0 3 m h - 1 5 m h 的情况。 1 2 2 我国自动送钻研制与应用概况甜o 】 我国的自动送钻技术起步较晚，上世纪我国大部分钻机使用的刹车系统是带式刹车， 但带式刹车自动送钻，由予涉及系列的气动和机械转动装置，不容易和电控制信号接 嚣，整个自动送钻控制系统复杂，可靠性、精确性和乎稳性很难保涯。我国皇1 9 5 8 年开 始开展了自动送钻装爨的研究工作，在6 0 年代中期进行了试验，1 9 6 6 年在山东4 0 0 1 队 首次进行了工业试验。自1 9 7 9 年我国进日了两台美国n a t i o n a ls u p p l yc o 自升式钻并平 台，配备71 3 2 0 - l 恧型钻机，其中带有6 - b 型钻头自动给遴器。还萼| 进了e m s c o 公司 c i - i i i 型、c 型钻机，也均配备了钻头自动送钻装置。近年来，我国又研制了新型自动 送钻装置，如石油大学、北石所研制出了液压盘式刹车自动送钻装置，在部分油田进行 试验和投入使用。 1 、q j - i 型翻动送钻装置 q j - i 型自动送钻装置由两部分组成，即仪表( 控制) 部分和机械( 执行与反馈) 部分，传 动方式为气动式，钻机己有的气源足以满足本装置使用。本装置适合钻速小于2 0 m h 的 钻井场所，允许施加的钻压范围必0 - 5 0 吨。高钻n ( 2 0 t 以下) 的精度拟控制在1 5 t 范 围，低钻压( 小于5 t ) 的精度拟控制在士1 o t 范围。 2 、a d e 1 型全气动自动送钻装置 a d e - 1 型皇动送钻装置是由兰州磊i 鑫化工机器总厂与吴忠仪表厂联合开发的产瑟， 适应钻井深度1 5 0 0 m - - - ，9 0 0 0 m 。主要豳过滤器、控制箱、应力变送器、反馈系统、执行 机构、加力弹簧等组成。传动方式为气动式，气源既可利用钻机原有的气源，也可单独 另设。其结构简单、尺寸小，使精安全可靠，首次使用安装耗时仅需臻。并予1 9 8 6 年 1 1 月在四j l | 石油管理局j l l 东矿区的f 3 2 0 型钻机上进行了工业性试验。试验表明，其使 用性能良好，完全满足设计要求。 3 、p s z 1 型液压盘式刹车自动送钻装置 石油大学( = | | ：京) 予1 9 9 7 年研制出我国第一台盘式刹车自动送镀装置( p s z 1 型) 。该 装置在满足自动送钻原理的基础上，设计时还考虑了与现有绞车结构的相容性、液压回 路的衔接性、自动送钻与手动送钻的共存性以及紧急情况时的安全保障性。该装置采用 数字p i d 调节器为控制单元，数援悬重控割方式代替僵钻压控捌。由于直接利用悬重信号 进行控制，省去了将悬重转换为钻压的步骤。p i d 调节器集参数设定、悬重控制、数据显 示、超限报警等多种功能于一体，具有紧凑、自带稳压电源和便于面板安装等特点。装 置的电液控制采瘸了眈橱滋流阀。考虑蓟比例电磁铁为电流驱动型负载，在p i d 调节器的 电压输出端与比例溢流阀之闻加装了比例放大器，以进行电压电流转换和功率驱动。 从绞车轴端通过测速发电机取得转速信号，构成了局部反馈回路。 p s z i 型自动送钴装置实现了盘式刹车的恒钴压自动送钻作业，并在提高机械钻速、 i 第一章绪论 减小钻压波动等方面取得了较好的效果。与此同时，现场试验也暴露出一些问题，例如 通用型数字p i d 测控仪的面板操作较为复杂，并难实现直接钻压控制与显示：国产电液比 例元件寿命较低；系统匹配方面还存在一些问题。这些都在一定程度上影响了自动送钻 的效果。因此，盘式刹车自动送钻技术成功地应用于钻井工程还需进步的研究与开发。 4 、独立电机自动送钻装置 天津瑞灵公司在2 0 0 3 年研制出独立电机自动送钻装置，并将该控制系统应用在宝鸡 石油机械有限责任公司生产z j 7 0 d b 钻机上。该数控变频自动送钻装置，包括动力传动和 控制装置两部分。通过数字给定装置对送钻变频器进行设定和调节，送钻变频器通过其 内部的处理器控制和调节送钻电动机的电磁制动力矩并使之在钻头钻进的过程中始终维 持在预先设定的范围，从而实现钻头的恒钻压自动送进，该装置具有送钻平稳均匀、调 控方便、反应灵敏、控制精度高等优点，而且能降低主刹车的磨损。 1 2 3自动送钻装置使用效果和经济效益 1 、美国自动送钻装置使用效果和经济效益 在b e a v e rc r e e k 地区试验，井段为1 5 8 5 2 4 3 9 m ，a 井采用自动送钻装置钻井，b 井 采用人工控制给进钻井，比较进尺为8 5 4 m ，a 井仅仅用1 4 天、2 0 个钻头，b 井用1 5 天、3 8 个钻头。与b 井相比，a 井节约钻井时间l 天，占6 7 ，节约l8 个钻头，占4 7 3 。 在c l a r k s f o r k 地区试验，井段为7 3 2 2 4 3 9 m ，a 井采用自动送钻装置钻井，b 井采用人工 控制给进钻井，比较进尺为1 7 0 7 m 。a 井仅仅用2 3 天、4 9 个钻头；b 井用3 2 天、6 9 个钻头。与b 井相比，a 井节约钻井时间9 大，占2 8 ，节约2 0 个钻头，占2 9 0 , 6 。 2 、原苏联自动送钻装置使用效果和经济效益 外 原苏联研制的p 3 3 型自动送钻装置试验结果表明：增加平均机械钻速1 6 ， 提高钻头平均进尺6 ，钻井成本也有所降低。 3 、德国自动送钻装置使用效果和经济效益 德国研制的自动送钻装置试验结果表明：可节约1 3 钻井时间。此外在用金刚石钻 头钻探井时，由于钻压与大钩负荷相差较大，一般可达h5 0 ，此时要求自动送钻装置具 有较高的灵敏性、准确性和可靠性。实践证明自动送钻装置完全可以满足这种条件需要， 安全可靠地钻井。 4 、我国自动送钻装置的使用效果和经济效益 我国原海洋指挥部1 2 平台在渤中使用了从美国引进的6 b 型自动送钻装置。在 1 0 0 0 2 4 0 0 米井段，以6 7 米d , 时钻速自动给进，设备使用效果良好，运转正常。a d e 1 型全气动自动送钻装置及q j 1 型自动送钻装置在油田试验并投入使用后，用户反映良 好。 上述各国使用自动送钻装置的效果可得出以下结论： ( 1 ) 自动送钻装置可与人工控制一样地进行操作，而且比人工控制得更好。自动送钻 西安石油大学硕士学位论文 装置已经成为一个忠实、可靠的“自动司钻。完全可以代替闭钻，使司钻彻底从繁重的 体力劳动中解放出来，减轻了工人体力劳动强度。 ( 2 ) 由于自动控制系统反馈灵敏、精度高，在自动给进过程中，钻压波动较小、送钻 较均匀、钻井质量高、取芯率也较高、井眼轨迹偏斜较小、钻井事故较少。 ( 3 ) 由于自动给进较均匀，负荷变化较小，提高了钻头使用寿命，增加了每个钻头迸 尺，最大霹达5 0 。 ( 4 ) 提高了机械钻速，最大可达5 0 。 ( 5 ) 自动送钻装置有反馈闭环控制钻进速度，不会出现溜钻和顿钻事故，钻井安全可 靠。 ( 6 ) 自动送钻装置钻井效率高、进尺快、钻头寿命长，因而可降低钻井成本，提高经 济效益。 1 2 4 现有自动送钻装置控制系统存在的不足 1 、控制方法 建立合理的数学模型是控制系统分析与设计的基础。目前自动送钻装置所采用的控 制方法大都是线性闭环控制。众所周知，岩石性能、泥浆性质、井壁阻力和刹车规构性 能等因素均会对钻压的大小产生影响。井下诸多巴知的或未知的因素给建立合理的数学 模型带来困难。石油钻机自身在工作时也存在大量的不确定性。铡如刹车系统是靠摩擦 力矩来达到刹车的基的。在刹车过程中，摩擦力逐渐增大，_ 誊到摩擦力矩达到所需的最 大制动力矩时，机构被完全制动，因此它是一个变化的量。 近代摩擦理论认为，即使是接触物体材料及表面情况完全确定的情况下，静摩擦系 数f 也不是常量，它与表面粗糙发、温度、浸度有关，丽且还与正压力f 的大小及作用时 间有关，此外还受油膜、表面氧化及污染情况的影响。因此静摩擦系数f 具有很大的不确 定性。也就是说，在线性闭环控制数学模型中被认为恒定的参数是时变的，非线性的， 即使闭环控制具有一定的准确性、稳定性、快速性，健这种控制方法己制约著控制效果 的进一步提高。 2 、控制参数 现有的自动送钻装置灵能根据司钻给定的钻压进行恒钻压钻并，钻井的其他参数均 不是最优毽。给定的钻压值不能根据地层的变纯磊合理的改变，也不是最优俊，所以钻 井效率、钻井成本、钻井速度等指标均不是最优值，也无法获得最优的经济效益。 3 、控制机构与执行机构的“接口栉 当前许多盘动送钻装置是由控制系统调带带式刹车囊带熬紧松程度来实现恒钻压钻 进，因面必须在控制元件与带式刹车之间设置一套实现电( 液，气) 讯号到刹把运动的转 换机构，这通常是一套机械机构。由于这种“机械接口 存在结构复杂、安装困难、操 作不便、精度较低以及零件在运输中易丢失等缺点，使之成为钴梳上应用自动送钻技术 6 第一章绪论 的主要障碍。 4 、参数反馈和处理 现有的部分鼠动送钻装置缺少一套参数的反馈和处理系统。这套系统是扶全面最优 化自动控制钻井的发展趋势来考虑的，也是微机应用于石油工业参与实现最优控制的一 个重要方面。 1 3国外钻机安全监控技术现状 1 3 1 国外钻机安全监控技术现状n 国外有以下主要的钻机安全监控系统： 1 、m a r i t i m eh y d r a u l i c s 佘司可编程电子安全监控处理系统 m a r i t i m eh y d r a u l i c s 公霹的第一套霹编程电子安全监控凳理系统已在挪威海上钻并 平台上使用。该系统自动化操作水平很离，可以预先依次将起下钻操作步骤程序化，不需 要分别操作绞车、顶驱、管予处理装置和卡瓦。系统还包括一套先进的防碰系统和套 囊动溺量和记录系统，用以计算和记录井中起下的钴具，它可以记录钴其的型号、尺寸 以及起下次数和上卸扣扭矩的大小。同时司钻不需要手动控制操作，大大减少了起下钻 时间，每小时可以起下5 5 柱立根。 2 、v a r c o 公司钻机远程安全监视与诊断系统 v a r c o 公司的e - d r i l l 是第一套可用予远程监视和诊断璧界各逢钻机的监测系统。钻机 操作人员可以在l h 以内和v a r c o 的技术人员取得联系。各种参数可以直接从置于v a r c o 公司监测系统内的智能系统取得，用于最大限度提高顶驱、排管系统和v a r c o 集成控制 翻信怠系统的性畿。通过该监测系统，操作入员可以访阏壶解决方案、攀件记录、运行 检查、通话记录组成的档案数据库，各钻机数据资源可共享。当遇到故障时，可与v a r c o 公司的e - d r i l l 技术人员和钻机人员联系，分析故障原因，提出解决方案。 3 、n a t i o n a lo i lw e l l 公司h a w k 系列钻机安全监控软件 n a t i o n a lo i lw e l l 公司最掰开发的h a w k 系列监控软件可通过互联网接入，并将设备 的运行情况传送到需要的地方。软件简化了司钻操作钻机的方式可监控包括从钻井泵运 行到井下钻具钻进方向的所有钻并情况。监视和测量的数据通过电话和计算机传给远离 井场的专家组或支持中心，并可以存储使用该软件可以实现井眼的远程设计，势能将圈表 和三维模型输入到计算机司钻操作台，司钻可以根据图表和模型进行操作。 4 、法国地质服务公司研制的a l s 。k 并涌并漏快速探测系统u 引 法国地质服务公司研制的a l s k 井涌井漏快速探测系统通过精确测量钻井液进口、 出口流量，自动求得个流量门限值，实现了对井涌井漏事故的预测，开发出能够对钻 井工程事故进行盘动分析的产鑫和系统，已投入使用。 7 西安石油大学硕士学位论文 l 。3 。2国内钻机安全监控技术现状嗽d 6 】 我国对于钻机和钻井过程安全监控技术研究较晚，目前处于起步阶段。重庆大学机 械传动国家重点实验室用人工智能和专家系统研究钻机系统故障智能诊断理论，建立了 钻机常见的故障图形化模糊神经网络知识瘁，进行了相应的智裁推理桃理论研究。华中 理工大学史玉辨博士提出了钻进过程实时状态监控与事故诊断的人工智能方法专家 系统，给出了实现钻进过程实时状态监控与事故诊断专家系统的总体思想，以及如何建 立综合数据库、产生式规则和控制策略的具体方法和步骤，具有定的应用价值。华中 理工大学梁书云提出了一些新的实时诊断和链压优化模型建模方法一季孛经溺络法，它 们可以克服传统方法需要建立数学模型的缺陷，满足钻进过程控制对实时性的要求。煤 炭科学院上海分院提出了“最安全原则”的仿人钻机控制方案，并在油田钻机上完成了 初步实验。西安石油大学朱小平教授帮陕西省钻机控制技术重点实验室张乃禄教授对石 油钻机自动送钻控制和监控技术进行了研究，提出自校正模糊控制方法，设计了一种带 优化加权因子的模糊控制器；进行了钻井过程防碰天车、防溜钻、防转盘扭断杆、等安 全监控技术模拟研究。 1 4 论文主要内容 本论文主要内容如下： 第二章的内容为石油钻机设备。本章分析了石油钻机的组成，描述了钻机的工作原 理。以节约钻井成本为出发点，分析影响钻井成本的两个主要因素：一是地质条件、岩 层性质和钻井深度等不能任意改变的客观因素：二是钻头类型、泥浆性能、钻压和转速 等可由人们选定的可调变量。这些困素是选择控制系统和设计相关的控制算法的基础和 出发点。 第三章的内容为控制系统原理设计。钻机的控制系统自动检测钴压，然后与钻压给 定值比较，如果有偏差就遥过接制算法进行运算，然后输出一个刹车力的给定信号给液 压盘刹机构，于是盘刹产生一定的刹车力，在该刹车力下钻具开始改变速度，最终速度 稳定，在该速度下钻头压力就会达到给定值。整个钻匿控制系统可以分解成是一个三环 控制系统，分鄹是钻压、速度、压力三个璧，根据系统的要求，进行褶应的仿真，根据 仿真的结果，进霉亍相应的设计。 第四章的内容为钻机游车控制设计。起下钻作业是钻井工程中的个重要的过程， 在这个过程中，需要防止游车上碰下砸的发生，而钻机的绞车是钻机控制系统中的一个 重要执行机构，它直接关系游车的升降以及钴速的控制，戮此从绞车的滚篱模型斑发， 设计一种防上碰下砸的模型。 第五章控制系统硬件与接口单元设计。在确定液压盘式刹车自动送钴系统的控制方 案和相应的控制策略基础上，进行控割系统的硬件实现与接口设计，系统硬件的选择与 g 第一章绪论 配置。同时，进行自动送钻系统液压接口的设计，通过电控系统的输出电压信号来控制 比例减压阀的流量和压力，进而调节盘式刹车上工作钳钳缸油压，钳缸油压的改变使得 绞车下放大钩的速度得到改变，最终保证钻压的恒定。 第六章总结。本章总结了全文的工作，归纳了本文的主要研究方法，以及得到的 结诊。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章石油钻机设备 2 1 石油钻机设备概述 石油钻机是主要用于钻油气井的一套重型联合机组。目前，国内外的钻井方法主要 是旋转钻并法。所用钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。 钻井王艺对石油镭祝的基本要求是： ( 1 ) 起下钻具能力：为了起下钻具及处理井下事故等，要有一定的起重能力和起升 速度。由钻机的起升系统承担。 ( 2 ) 旋转钻进能力：为了带动钻冥、钻头旋转钻进等，要有一定的转矩和转速。由 钻机的旋转系统承担。 ( 3 ) 循环洗井能力：为了保证正常钻进、冲洗井底及携带岩屑等，循环钻井液要有 一定的压力和捧量。由钻机的循环系统承担。 2 2 钻机的组成及工作原理 2 2 1 钻机的组成 部完整的陆地钻机由八大系统及其相应设备组成，如图2 1 所示。 1 起升系统 起升系统是由绞车1 1 ) 、井架( 1 8 ) 、天车0 4 ) 、游动滑车 游车x 1 5 ) 、大钩( 1 6 ) 及钢丝 绳( 1 7 ) 等组成。游动系统( 天车、游车、钢丝绳) 及大钩悬挂在井架内。绞车的起升工作是 动力通过传动装置传递的，起升作业时还用一些辅助设备，如吊环、卡瓦、吊钳及钻具 运移机构等。起升系统设备的主要功用是起下钻具、控制钻压送钻、更换钻头和下套管 等。 2 旋转系统 旋转系统是出地嚣的转盘1 ) 、水龙头( 2 ) 和井下钴具5 ) 、钻头( 4 ) 等组成。该系统的 主要功用是带动井下钻具、钻头等旋转、破碎岩石( 钻进) 及连接起升系统和钻井液循环 系统。 3 钻并液循环系统 钴共液循环系统设备很多，主要由钻弗泵( 6 ) 、地西高压( 低压) 管汇( 7 ) 、立管、水龙 带、钻井液循环、净化、处理、配置设备及井下钻具、钻头等组成。该系统设备的主要 功用是通过钻井泵将钻井液送至立管、水龙带、永龙头( 2 ) 、方钴杆、井下钻柱及钻头后 冲洗劳底，携带岩震从环空( 郎并眼与钻具之闻的空隙) 带出地悉，以剩正常钴势。 4 + 动力驱动设备 目前些老式钻机采用柴油机为动力；也有用柴油机带动交流发电机经过整流后， 1 0 第二章石油钻并设备 用直流电动机作钻机的动力；由于交流调速技术的发展，现在还有用交流电动机为动力 直接驱动钻机设备。 5 传动系统 传动系统设备又称联动机组，指的是动力机与工作机之间的各种传动设备及部件。 钻机的传动方式，一般是机械、电、液、气传动的联合使用。大部分转盘钻机目前是机 械传动为主其它传动势辅豹联合传动。机械传动主要包括齿轮、链轮、链条、皮带轮、 皮带、轴及轴承等组成的减速、变速装置。 6 控制系统 瑶在较先进的钻机多以机械、电、气、液联合控制。机械控制设备有手柄、踏板、 操纵杆等，气动( 液动) 控制设备有气( 液) 元件、工作缸等；电控制设备有变阻器、电位器、 继电器、微型控制器等。该系统设备的功用是根据钻井工艺的要求，使每台工作机操作 时反应迅速、动作准确可靠、便子集中控制和自动记录等，使操作者能够按自己的意愿 保证链机各部件的安全、正常工作。 7 钻机底座 钻机底座主要由钻台底座、机泵底座及主要辅助设备底座组成。一般是采用型钢或 管耪焊接成筒单的几何体。钻规底座的功用是：便予安装露定钻机豹各种设备，满足搬迁 的要求。 8 钻机的辅助设备 现代化的钴机还必须有大批的辅动设备，如供电，供气，供水，供油，防喷设施， 钻井液的配制、髅存、处理设旌及各种仪器秘自动记录仪表。还要有采暖等其它辅助设 备。 2 2 1 钻机的工作原理 我们可以看出石油钻机的工作过程如图2 1 所示，钻进部分由纵向运动和水平旋转 运动两部分组成，它们构成了钻机的主要运动部分。其中纵向运动部分由绞车( 1 1 ) 带动， 并通过游车( 1 5 ) ( 含滑轮组) 带动整个钻具，负责钻具的上升和下降( 在钻井过程中一般只 有钻具下降，而钻具的起升一般是在更换钻头或增加钻杆的情况下才发生的) ：而水平旋 转运动由动力机组带动钻杆上的转盘( 1 ) 来驱使钻杆水平旋转从而带动井底钻头旋转，以 破碎岩石，保证钻头的持续向下钻进。 图2 1 中其余部分为辅助钻井部分，它们配合钻进部分工作从而达到更好的钻进效 果，也是石油钻机必不可少的组成部分。 硒安石油大学硕士学位论文 图2 - i 石油钻概的缰成 l 转盘；2 水龙头；3 钻杆柱；4 钻头；5 钻铤与井底动力钻具；6 钻井泵；7 地面管汇；8 钻井 液池；9 钻井液槽；l o 振动筛；l l 绞车；1 2 猫头；1 3 滚筒与辅助刹车；1 4 天车；1 5 游车；1 6 大钩； 1 7 游动系统镪丝绳：1 8 井架；1 9 动力规；勰钴台底座；2 l 势溜装鬟防喷器 2 。3 影响钻井成本的因素 为了节约钻井成本，我们必须分析影响钻井成本的诸多因素，然后采取煮效昀方法 来处理，最终实现整体钻进成本最低。 在影响钻井经济效益的众多因索中，直接与钻进过程有关的因素可分为两大类：一 类是鲍质条件、岩层性质和钻井深度等不麓任意改变的客观因素；一类是钻头类型、泥 浆性能、钻压和转速等可由人们选定的可调变量。 因为在可调变量中，一旦钻井设备确定，则相应的钻头类型也就固定下来，而泥浆 特性是与控制系统无关的，所以下面我们主要研究钴舔和转速这两个与控制系统直接相 关的可调因素。 所谓钻压是指钻头与地层之间的压力，转速是指钻杆( 钻头) 的旋转速度，也就是转 盘的转速。钻压、转速是盥接作用于并底藉以破碎岩石的基本参数。 近三十年来，国外在这方面进行了相当广泛深入的研究，并取得了比较满意的结果。 由于钻压、转速是通过钻头破碎岩石的，他们的作用不仅对钻进速度有影响，同时也会 影响钻头的磨损速度和工作寿命。因此在优选钻压、转速时，必须综合考虑这两方面的 影响，确定合理的最优配合。 1 、钻压、转速对钻逮的影晌 图2 2 是在油田作钻进试验的典型拟合曲线。其中图a 是在其它钻进参数保持不变 的情况下，钻压与钻速的关系曲线。由图可见，最初因钻舔很小，岩屑量小，并底净化 1 2 第二章石油钻井设备 充分，钻速沿o a 段与钻压平方成正比。继续增加钻压，岩屑量相应增多，但因水力参数 不变，井底净化条件逐渐变差，钻速增长率逐步下降而沿a b 段几乎与钻压成线性关系。 此后再增加钻压，井底净化条件将严重恶化，钻速增长更慢，而且可能不再增加。 铭遣绑? i 采? ；、对 钻速m h ( 米小时) 01 0 02 0 0 3 0 0 转速r m i n ( 转分) j ( a )( b ) 图2 - 2 钻压、转速与钻速的关系曲线 ( a ) 吃= ( p ) l 、井底净化充分；2 、净化不够充分 ( b ) - - ( ) l 、软地层；2 、中硬地层；3 、硬地层 钻井实践证明，在目前通用的钻压范围内，钻压一般都与钻速成线性关系，因为钻 压小于p i 时，钻速增长率虽比较高，但因钻压过低，一般都不采用；钻压超过p b 以后， 井底净化条件难以改善，钻头磨损也会加剧，限制了钻速的进一步加大。因此在实际应 用中通常都选取图2 2 ( a ) 中的直线段( a b 线) 上的钻压值来进行钻进。 图2 - 2o ) 是在钻压和其它钻进参数都不改变的条件下，转盘转速与钻进速度的关系 曲线。我们发现，在软地层也就是井底净化充分的情况下，钻速与转速成正比；当地层 变硬，钻速与转速不再成正比，这是因为转速快，单位时内钻齿对岩石的冲击次数多， 钻速加快，但却缩短了钻齿与地层的接触时间t ，当t 低于岩石破碎所需时间时，钻齿 不能吃入，破岩效率便会显著下降。 2 、钻压、转速对钻头磨损的影响 钻头磨损包括两个方面：钻头牙齿的磨损和钻头轴承的磨损。所以从上述两个方面 入手来分析钻压、转速对钻头磨损的影响。 1 ) 钻压、转速对钻头牙齿磨损速度的影响 钻头牙齿的磨损速度可以用单位时间内齿高磨损量的微商表示。它与钻压和转速的 关系曲线如图2 3 所示。图中d l v d t 为单位时间内齿高磨损量的微商，c 为钻头直径( r a m ) 。 1 3 西安石油大学硕士学位论文 轻_ ，秘) 瞬2 - 3 牙齿磨损速度与钻压和转速关系曲线 杰匿2 - 3 ( a ) 可看出，对某种型号的钻头，随蔫钴压的升高，牙齿塞损速度加快，当 到达虚线所示的钻压值时，牙齿的磨损速度达无限大，也就是说虚线所示的钻压为该种 钻头的极限钻压。由图2 - 3 ( b ) 可看出，牙齿磨损速度随着转速的升高而加剧。而且地层 越硬，牙齿蘑损加剧得越快。 2 ) 钻压、转速对钻头轴承磨损速度的影响 在某些研磨性较低的岩层内，或用牙齿耐磨性很高的镶齿牙轮钻头时，钻头牙齿往 往磨损不多而轴承先期磨损。这时钻头的工作寿命则应由轴承的磨损速度来确定。根据 g r a h a mj 。w 等人的研究，钻压、转速与毒垂承磨损速度之闻的关系式为： 塑：! 艘 d t b 式中b 是轴承磨损量，由轴承磨损分级标准确定，具体值可查阅相关表格。b 是轴 承工作系数，它与钻头类型及泥浆性能有关，应由实际资料确定。由上式可以看出，在 o d t 压力p 固定时，半与转速n 成正比。 1 4 第三章盘式刹车自动送钻系统设计 第三章盘式刹车自动送钻系统设计 3 1 盘式刹车自动送钻系统组成 3 1 1 盘式刹车自动送钻系统组成8 1 7 1 盘式刹车自动送钻系统主要包括操作及显示系统、传感器组、测控系统、执行机构、 电源及附件等。 ( 1 ) 操作及显示系统：包括触摸显示屏、c p u 、显卡、支持m p i 协议通讯适配器等。 ( 2 ) 测控系统：包括p l c 系统、输入输出信号转换单元、驱动电路、温控部件、继电 器、信号