（电力电子与电力传动专业论文）石油钻机恒钻压自动送钻系统研究.pdf

硕十学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o d r i l l e ri sak i n do fn e wc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yo f o i l d r i l l i n g t h ew o r k i n gv i o l e n c eo fw o r k e rd u r i n go p e r a t i n gd r i l l e rc a nb er e d u c e d t h e v e l o c i t yo fo i i d r i l l i n gc a nb ei m p r o v e da n dt h ec o s to fo i l d r i l l i n gc a na l s ob er e d u c e d i fw eu s et h ea u t o - d r i l l e rs y s t e mt od r i l lo i l b u tt h eq u a l i t yo f d r i l l i n ga n dt h ed e g r e eo f s a f e t ya r ed i f f e r e n ti fw eu s et h ed i f f e r e n tc o n t r o l l e ra n db r a k e s o ，i ti sae f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h ec o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c eb yt h em e a n so fs e l e c t i n gt h eb e t t e rc o n t r o l l i n g s c h e m ea n ds u i t a b l eb r a k e a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w ok i n do fa u t o d r i l l e rs y s t e m ：o n ei st h e d i s cb r a k e a u t o - d r i l l e rs y s t e m t h es k i ds t r e n g t hf r o mt h ed i s cb r a k e nm a i n t a i nt h ep r e s so ft h e d r i l l ，t h u s ，t h ed r i l l i n gc a no p e r a t e da ta p p r o x i m a t e l yac o n s t a n tp r e s s ；t h eo t h e ri st h e w o r mw h e e la n dw h o r l - p o l eo r g a n i z a t i o n , v a r i a b l e - f r e q u e n c yt e c h n o l o g yi su s e dt o i m p l e m e n ta u t o d r i l l i n g t h ef o r m e ro n e i sh a r dt oc o n t r o l l e db e c a u s eo ft h em e a n t i m e o fm a n yd i s cs h e e ta n dt h el a t t e ri sl i m i t e db e c a u s eo fn j e a va p p l i a n c ei sn e e d e d s o ，t h e e x p a n do ft h e s em e t h o d sa r e r e s t r i c t an e we a t o nb r a k ea u t o d r i l l e rs e n d i n gs y s t e mi sp r e s e n t e di nm y p a p e r e a t o nb r a k e i su s e dt os u b s t i t u e n td i s cb r a k e ，p l ci sp r o g r a m m e dt om a i n t a i nt h ed r i l l i n gp r e s s u r e e a t o nb r a k ei sak i n do fg a s - c o n t r o l l e da n dw a t e r - c o o l e db r a k es y s t e m ，t h ep r e s sf r o m t h ev a to ft h eb r a k ec a nb ec o n t r o l l e db yt h ec i r c u i to fp r e s s u r e - v a l v ep r o p o r t i o n a l l y f u r t h e r m o r e ，t h i ss y s t e mc a ns u p p l yp r e s ss u p e r v i s ea n dw h o l ep r e s s u r e , t h i sn o to n l y m a k et h ep r e s so ft h ed r i l l i n gm a i n t a i ni n v a r i a b l e ，b u ta l s oc a nj o e h e yr a p i d l yi n e m e r g e n c e ，e n s u r et h es a f e t y f i r s t l y ，t h ed i s cb r a k ea u t o d r i l l e rs y s t e m i s a n a l y s e da n ds h o r t c o m i n g s a r e p r o p o s e di nm yp a p e r ，t h en e c e s s i t yo fm i c r o p r o c e s s o ri ns t a t eo ft h ep i dc o n t r o l l e ri s b r i n gf o r w a r d ；t h e nt h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a ma n dt h ec o m p o s i t i o no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fe a t o nb r a k ea u t o d r i l l e ra r ed e s i g n e d i na d d i t i o n ，w h e nt h ev e h i c l ee x c e e d t h es a f es e c t o r , t h es y s t e m nm a k et h ev e h i c l er e d u c e ds p e e da n ds t o pf l e x i b l y t h i s c a np r e v e n tm a n ya c c i d e n t se f f e c t i v e l y t ov e r i f yt h ea b o v e - m e n t i o n e dm e t h o do f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ed r i l l i n gp r e s s u r ei st e s t e dw h e nt h es y s t e mi sr u n n i n g a n d t h er e s u l to ft e s ts h o w st h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h ee a t o nb r a k ea u t o d r i l l e r s y s t e ma r ep r a c t i c a la n de f f i c a c i o u s k e y w o r d s ：a u t o d r i l l e r e a t o nb r a k ep l cp r e s s u r eo fd r i l l i n g 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：雇雨彳彰日期：知口7 年月如日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：崔葫缛 日期： 别谧轹诳醐： 日日 0 ， 月月年年 哆岬 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 石油和天然气是宝贵的能源和化工原料，它们埋藏在地下几百米，上千米甚 至超过万米的岩石中。为了寻找油气藏和开采石油天然气，需要钻井。因此，一 套技术先进、工作可靠的钻井设备对油田开发是至关重要的。自动送钻系统是钻 井体系的一个重要组成部分，它的投入使用不仅能降低司钻工人的劳动强度，还 能提高钻井速度，降低钻井成本。【1 】因此研发一套技术先进、工作可靠、功能 强大的自动送钻系统已成为许多科技工作者追求的热点课题之一。 自动送钻系统主要由控制器和刹车执行机构组成，两者配合使用来控制钻 压，以达到恒钻压自动送钻的目的。1 2 1 早期的自动送钻系统其控制器采用比例放 大调节器，刹车机构采用带式刹车，这种自动送钻系统控制性能很差，无法真正 起到自动送钻的作用，且带式刹车自动送钻系统涉及一系列的机械传动装置，不 容易和电控制信号接口，整个自动送钻控制系统复杂，可靠性、精确性和平稳性 很难保证。后来我国研制了盘式刹车恒钻压自动送钻系统，其控制器采用p i d 调节器，刹车机构采用液压控制方式的盘式刹车，控制性能较好，但现场试验表 明该系统仍存在许多不足：无法直接设置钻压、无法实现手动和自动操作间的无 扰切换、可操作性较差、p i d 系数确定难度大、可靠性较差、安全性较差，且盘 刹有液压装置及其密封圈等易损件。1 3 】针对这些问题，本文设计了以微机作为 控制器，以气控型的伊顿刹车作为执行机构的自动送钻控制系统。微机控制的主 要思路是：用微机作为控制器，并增设速度负反馈回路，钻压调节、安全监控、 无扰切换均由微机控制，以此来解决现场确定p i d 系数难的问题，以达到自动 送钻过程平稳，防止溜钻和井斜的目的。因考虑到钻井现场环境恶劣，噪音、灰 尘都比较大的特点，本文选用p l c 作为微机控制器，既克服了原有系统存在的 缺点，又解决了客观原因带来的诸多控制方面的问题。这是因为，p l c 具有以下 特点：编程方法简单易学、功能强、性能价格比高、可靠性高、抗干扰能力强。 【4 j 因此，选用p l c 作为微机控制器是较为理想的选择。本文选用气控水冷型的 伊顿刹车作为执行机构，该气动控制系统能够利用先进的气动元件控制伊顿刹车 的大小气缸，且该刹车系统能够提供压力监控和全压力提供功能，使系统在送钻 过程中，既克服了原有盘式刹车存在的缺点，又保证了送钻过程的安全可靠性。 由此可知，p l c 控制的伊顿刹车恒钻压自动送钻系统是较为合理的设计方案。 此系统与原有的自动送钻系统相比具有以下优点： ( 1 ) 该控制系统能够“感知”钻具的制动性能，以提供恒定、准确的钻压 硕f 。学位论文 控制。此过程由p l c 模拟量输入输出模块和其内部的系统功能块自动完成。 ( 2 ) 在复杂的地质条件和钻进过程中，监控钻进过程的钻压、钻速、游车 位置等参数，当游车超过安全区域，系统自动控制游车减速和停车，并进行报警 指示，有效地防止溜钻、卡钻、游车上碰下砸事故的发生，提高了自动送钻的可 靠性和安全性。 ( 3 ) 采用气控型的伊顿刹车，使绞车制动平稳准确，提高钻孔的垂直度， 保证钻井质量。 1 2 国内外研究现状 自动送钻系统作为石油钻机的一个重要组成部分，其发展现状和石油钻机的 发展现状息息相关。国外自动送钻系统的研究随石油钻机的发展经历了许多阶 段。加世纪9 0 年代以来，国外在小井眼石油钻机、套管石油钻机、连续软管石 油钻机、交流变频石油钻机、自动化石油钻机技术方面的发展很快，它们的自动 送钻技术也有了较大的发展。【5 】 2 0 世纪8 0 年代以来，世界石油工业一直很不景气，同时世界各国环境保护 意识日渐增强。为此，各大石油公司和钻井公司开始寻找降低勘探开发成本、提 高经济效益的方法和途径。【6 】进入9 0 年代以后，许多石油公司投入很大的力量 开展小井眼钻井技术的研究和实际应用，进而促进了小井眼石油钻机在世界上的 迅速发展，它的自动送钻系统也因此发展起来。国外新发展的几种小井眼钻机其 自动送钻系统具有如下特点：对f o r a s l i m 小井眼钻机的自动送钻系统，采用电动 式顶驱控制钻杆旋转，转速可达0 2 7 0 r m i n 和2 7 0 6 0 0 r m i n ，以保证钻头的有效钻 进；钻压的准确控制可采用液压绞车的泵系统和节流阀控制来完成；钻井泵的排 量、钻柱和电机转速由p l c 控制。对于全液压小井眼石油钻机的自动送钻系统， 司钴在控制台上通过钻机的液力装置选择固定钻压自动钻进，1 9 9 5 年7 月此钻 机在意大利米兰、威尼斯、热那亚三角带试验成功，自动送钻装置运行良好。美 国在2 0 世纪9 0 年代初研制的k e n t i n g 小井眼钻机，其自动送钻在钻井时能利用 旋转钻井钻压或组合钻压和立管压力来优化钻速。 1 9 9 5 年以来，t e s c o 公司开始研制套管石油钻机，1 9 9 8 年6 月t e s c o 公司对 此钻机进行了钻井试验并获得成功，其自动送钻系统的特点是：采用钢丝绳起下 钻，减少了起下钻时间。1 7 】 近年来，美国x l 、t s l 等公司开发了一种电动连续软管钻井系统，其自动 送钻系统具有如下特点：能满足硬地层钻井工艺要求，且在保持钻压的情况下可 以提高钻具组合的可控性和柔和性。【s j 9 0 年代后期，国外许多钻井公司开始发展交流变频石油钻机，并在1 9 9 7 下 半年至1 9 9 8 年9 月被英国北海油田的很多海上平台选用。这种石油钻机的自动 2 硕f j 学位论文 送钻系统具有如下的特点：绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽且能以极低 的速度恒扭矩输出，对井下钻具的处理十分有利；具有转盘扭矩限制功能，可防 止钻具或机件扭断；交流变频技术对电机具有安全保护功能；在带载情况下，可 平稳启动、制动和调速，在下钻时可实现对电网能量反馈，减少制动装置损耗， 节约能源。唧 2 0 世纪9 0 年代以来，国内自动送钻的研究随石油钻机的发展而逐渐发展起 来。1 9 9 5 年由兰州石油机械研究所与胜利石油管理局共同研制的刁3 2 s l l 型钻 机，其自动送钻系统具有如下的特点：刹车机构采用液压盘式刹车，能顺利完成 接单根、送钻、起下钻等各项作业，司钻可坐在司钻房内远距离操作，改善了司 钻的工作环境，减轻了司钻的劳动强度。9 0 年代中后期，我国科技人员和有关 单位将交流变频调速技术用于自动送钻系统的试验和研究工作。1 9 9 8 年由宝鸡 石油机械厂研制生产的第一台z j l 5 d b 型浅井数控交流变频钻机，采用交流变频 装置控制电动机实现对钻机的驱动，其自动送钻系统具有如下特点：能将下钻过 程中的势能反送到电网，节约能源，且实现了恒钻压自动送钻的控制。1 9 9 9 年， 由兰州石油化工机械厂、辽河油田等单位共同研制的我国第一台中深井 z j 4 0 2 2 5 0 d b 型交流变频调速电驱动石油钻机，其自动送钻系统具有如下特点： 采用数字控制技术，可靠性高，自诊断和保护功能强，易于实现自动控制；绞车 配有电磁涡流刹车，下钻平稳，省力，并能延长刹车轮的使用寿命，此项研究的 成功，标志着我国石油机械及其控制系统又迈上了一个新台阶。【1 0 】 1 3 本论文研究的内容 本课题主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 原有盘式刹车恒钻压自动送钻系统的原理分析 对原有自动送钻控制系统做详细的理论分析，指出原系统存在的缺点和不 足，提出利用微机控制系统代替原有模拟控制系统的必要性，并指出本文所选用 的微机控制器为西门子s 7 3 0 0 系列p l c ，以此来实现对原有自动送钻系统的数 字化改造。 ( 2 ) 伊顿刹车恒钻压自动送钻系统的硬件设计 以伊顿刹车作为执行机构，以西门子s 7 3 0 0p l c 作为微机控制器，设计出 自动送钻控制系统的原理结构图，详细阐述了该自动送钻控制系统的工作原理， 并对该自动送钻控制系统的硬件结构组成和控制电路进行设计，分析自动送钻的 运行过程。 ( 3 ) 伊顿刹车恒钻压自动送钻控制系统的p l c 选型和资源配置 根据系统工作原理和系统控制规模，选用了西门子s 7 3 0 0 系列p l c c p u 3 1 4 c 一2 d p 作为微机控制器，配置了相应的数字量输入输出模块和模拟量输 3 硕士学位论文 入输出模块，从而进行数字量和模拟量的采集和控制。另外，在硬件资源上配置 了光电编码器，以此对钻进过程中出现的游车上碰下砸情况进行检测，保证了钻 进过程的安全性和可靠性。 ( 4 ) 软件设计 根据自动送钻的工艺流程设计出相应的p l c 运行程序。 ( 5 ) 实验结果及其分析 该项分别对盘式刹车自动送钻控制系统和伊顿刹车自动送钻控制系统的钻 压进行了实验检测，并对两者的测试结果进行了对比分析，指出伊顿刹车自动送 钻系统的优越性。 4 第2 章盘式刹车恒钻压自动送钻系统 2 1 概述 自动送钻，就是司钻人员监视，自动送钻控制系统根据钻压的给定，自动实 现送钻的方法。因此，自动送钻系统控制性能的好坏直接关系到自动送钻的成败 和打井的质量。那么，什么是自动送钻系统呢? 自动送钻系统，是由一套刹车机构和一个控制器构成的，能够实现自动送钻 功能的控制系统。进行打井时，司钻人员预设钻压，控制器投入，控制刹车机构 的刹车力，来实现自动送钻。i n l 而控制器性能的优虐直接关系到送钻的可靠性、 安全性及其自动化程度。因此，控制器的正确选择是至关重要的，它也是本课题 研究的主要内容。 在我国，早期的自动送钻系统是只由一个p i d 调节器和一个电磁比例阀构 成的单闭环控制系统，这种系统虽在理论上能够达到自动送钻的要求，但是对一 些非线性因素的干扰，这种单闭环控制系统无能为力，且没有安全监控电路，对 钻进过程中的参数变化、设备运行故障都无法测量。在送钻过程中，司钻工人付 出的劳动仍很多，未能充分发挥自动送钻“减轻司钻劳动强度”的功能。 i z l 随 着钻采业要求的日益提高，在9 0 年代中后期出现了盘式刹车恒钻压自动送钻系 统，它采用p i d 调节器控制，控制性能良好，能够完成恒钻压自动送钻的控制 任务，但仍然存在一些缺点和不足。本章从原有自动送钻的基本结构出发，描述 了盘式刹车恒钻压自动送钻的工作原理，设计出其控制电路图，并详细分析了该 控制系统存在的缺点和不足，提出利用微机控制代替原有模拟控制系统的必要 性。 2 2 盘式刹车恒钻压自动送钻系统结构组成和工作原理 2 2 1 恒钻压控制及早期的单闭环自动送钻系统的工作原理 ( i ) 恒钻压控制 在钻井过程中，钻压应相对保持恒定。在某一地层，某一深度，合适的钻压 值对钻井是十分有利的，且利用恒钻压钻井，可以提高钻井效率，减小钻头的磨 损。相反，过高的钻压可能造成事故，如折断钻杆、钻头，钻头损坏等；过低的 钻压又使钻井效率十分低，从经济效益上说是不合理的。因此，在钻井过程中， 5 坝十字位论艾 相对恒定的钻压是至关重要的，恒钻压打井是最理想的。 首先对钻压这一概念做一解释。钻压，实际就是钻杆对钻采面的压力。钻 具在井筒中的受力关系分析为： 设钻具净重为m g ，钻具在泥浆中的浮力是f 1 ，受到钢丝绳上提的拉力是 f 2 ，受到钻采面向上的支持力是f 3 ，因此，应有以下方程式成立： m g = f i + f 2 + f 3 ( 2 1 ) 因为钻具对钻采面的压力n 3 与钻采面对钻具的支持力f 3 是一对作用力和 反作用力，大小相等，方向相反。因此有： n 3 = f 3 = m g f 1 - f 2 = m g - ( f i + f 2 ) ( 2 2 ) 在相对短的距离内，m g 可视为恒值。f i + f 2 可视为钻具在井筒中的悬重， 因此，要控制钻压n 3 就要精确控制f i + f 2 ，即精确控制钻具在井筒中的悬重。 从上面的讨论中可以得知，在稳定时，钻压与悬重成反比关系。因此可得出 下面的结论：在钻井过程中，当钻压升高且超过原来预设的钻压时，应使悬重提 高，使钻压降下来；反之，当钻压减小且小于原来预设的钻压时，应使悬重降低， 使钻压升上去，从而维持钻压的恒定，实现恒钻压钻井的效果。由此可知，对悬 重的正确控制是自动送钻系统对钻压实行恒值控制的关键，恒钻压控制也就是恒 悬重控制。1 1 3 1 ( 2 ) 早期的单闭环自动送钻系统的工作原理 该自动送钻系统的基本结构如图2 - 1 所示： 图2 1 单闭环自动送钻原理结构图 图2 1 中，p v 为拉力传感器所采集到的钻具实际悬重，s v 为悬重设定值， 将两者比较后所得e p v s v 送入p i d 调节器，根据调节器规则算出调节值u ， 籍此对电磁比例阀进行控制，比例阀输出油压可使制动钳缸产生相应的刹车力， 使钻具实际悬重发生变化，形成悬重的闭环控制，即闭环实现了恒悬重钻进。由 前面分析可知，钻压= 钻具净重实际悬重，因而，此控制系统间达到到了恒钻压 6 硕t 1 学位论文 钻进的效果。【1 4 j 从图2 1 可以看出，此控制系统为简单的单闭环控制，虽然在理论上能够实 现自动送钻功能，但无法防止一些不确定因素对钻井效果的影响，如滚筒转速突 变引起的溜钻、地质原因引起的卡钻和井斜等。 2 2 2 盘式刹车恒钻压自动送钻系统工作原理及其存在的问题 ( 1 ) 工作原理 图2 2 盘式刹车恒钻压自动送钻原理框图 该系统的基本组成结构如上图2 2 所示。 从图2 2 可以看出，该自动送钻系统由钻压闭环控制回路1 和绞车滚筒速度 闭环回路2 组成。 显然，该系统相对于早期的自动送钻系统，增加了环路2 。其中，环路1 对 钻压实施恒值控制，把从死绳张力传感器上采集到的实际悬重p v 与预期悬重s v 作差，把偏差c 送给p i d 调节器，调节器按p i d 控制规律调节偏差，输出控制 信号u ，该信号与绞车滚筒转速反馈信号比较后送给比例压力阀。比例压力阀根 据控制信号的大小调节阀的开启度，从而控制刹车液缸对刹车块的刹车力。环路 2 是局部负反馈回路，其作用是预防滚筒转速突变引起的溜钻、补偿刹车的非线 性因素( 如摩擦力) 对控制系统带来的不良影响。把从速度传感器检测到的滚筒 转速与p i d 调节器的输出电压作差，把差值电压送给比例压力阀的前置放大电 路，控制比例压力阀的调定电压。 由此可知，盘式刹车恒钻压自动送钻系统相对于早期的单闭环自动送钻系统 来说增加了速度负反馈回路2 。显然，该系统提高了自动送钻的工作可靠性。这 是因为，在送钻过程中，钻柱质量大，惯性大，送钻可视为刹车盘和刹车块在摩 擦力作用下的缓慢滑动。而钻井现场工作条件恶劣，刹车盘和刹车块间的摩擦系 数因温度变化，以及水分和油类的侵入很容易引起较大的变化，使摩擦力大幅度 7 硕1 一学位论文 下降，导致刹车失控而引发溜钻等事故。 1 5 1 另外，盘式刹车及自动送钻系统只 有在深井和超深井中才能发挥更大作用，而钻压和钻速是影响井斜的重要因素， 为防止井斜，钻压和钻速应有上限，配合合理，即合理利用钻速控制钻压，以免 钻速过快导致井斜。 1 6 1 为解决这两种问题，在系统中设立了速度负反馈回路。 由上面的分析可知，盘式刹车的比例压力阀和刹车液缸是自动送钻的执行机 构。比例压力阀其实为一比例环节，输出和控制电流成比例的油压，以调节盘式 刹车的制动力。其输入输出关系为：p = k b i ，其中p 为输出油压，l ( b 为比例环节的 增益，近似为常数，l 为输入电流。刹车液缸的作用是给刹车盘提供制动力，其 受力关系如图2 3 所示： f 0v v f n ； 上、 图2 3 刹车钳液压缸的受力关系 该刹车液缸的受力关系为：f n - f o p a ，其中a 为活塞的有效面积；f 0 为弹簧中产生的压缩力：p 为油压；f n 为刹车盘对刹车块的反作用力，在数值上 等于刹车块对刹车盘的正压力。而刹车盘与刹车块之间的摩擦力为f 1 = i j , f n ，其 中肛为摩擦系数。因此，当油压p 增大时，刹车块对刹车盘的正压力f n 减小， f 1 减小，即刹车力减小；同理，当油压p 减小时，刹车块对刹车盘的正压力f n 增大，f l 增大，即刹车力增大。由此可知，通过控制比例压力阀的开启度来控制 油压，也就是通过控制油压的大小来控制刹车盘和刹车块之间的摩擦力，从而达 到了悬重的闭环控制。 ( 2 ) 系统的控制过程 调节器根据偏差e 的大小，按照p i d 控制规律运算得到输出值e , u 与滚筒转 速反馈的电信号作差，此值便是向比例压力阀输出的电量，比例压力阀根据该电 量调整进入刹车液缸的油压力( 即调整刹车力) ，从而减小偏差e ，使p v 接近直 至等于s v ，达到恒钻压控制的目的。实际钻压= 净悬重一实际悬重，在更换单根 前，钻具的净重约为常数，因此，钻压的控制实际上是通过控制钻柱的实际悬重 间接达到的。 该自动送钻系统采用盘式刹车作为执行机构，与以往的带式刹车自动送钻相 比，结构紧凑、运移方便，以p i d 调节器作为控制器，且采用双闭环控制，控 制性能有了很大的改善，经现场试验取得初步成功，但离实用还有一定的距离， 尚有许多问题亟待解决。对控制系统而言，其中表现最为突出的是：各种参数的 直接设置问题、手动与自动之间的无干扰切换问题、p i d 系数的确定问题、操作 8 硕士学位论文 的方便性问题、控制系统的可靠性问题、自动送钻过程的安全性问题。1 1 7 这些 问题具体表现为： 乱无法直接设置钻压：司钻在操作过程中设定的是预期悬重值f 预期悬重= 净 悬重预期钻压) ，而不是预期钻压值，不便于司钻操作。 b 无法实现手动和自动操作之间无扰切换：采用盘式刹车作为执行机构，刹 车钳液缸的液压力可由司钻手动操作司钻阀控制，也可由自动送钻系统自动控 制，二者切换时压力不匹配会使钻压突变，影响控制系统的控制性能，甚至引发 钻井事故。 c 可操作性较差：由于使用通用型p i d 调节器，操作面板不完全适合钻井现 场，使司钻操作步骤繁杂，不便于现场使用。 d p i d 系数确定难度大：确定p i d 调节器比例、积分、微分系数十分困难， 只能凭经验定，一旦确定，即为常数，不符合钻进过程复杂多变的特点。这种特 点要求p i d 系数能根据钻进过程的实际情况作出相应的变化。 c 可靠性较差：现场试验中，经常出现元器件损坏和各种不明原因的瞬时故 障，严重影响自动送钻系统的正常工作。由于钻井现场环境恶劣( 电压不稳、潮 湿、温差大、灰尘多、振动大等) ，送钻系统的可靠性十分重要。 安全性较差：该系统未设置安全监控功能，司钻始终处于高度戒备状态， 未能充分发挥自动送钻系统“减轻司钻劳动强度”的功能。 2 3 微机控制的自动送钻系统的提出 从前面分析可知，盘式刹车自动送钻系统存在很多不足之处，而且问题的症 结主要在控制器和刹车系统上。为了适应钻进过程复杂多变的特点，本文选用微 机作为控制器，设计一种微机控制的自动送钻系统，使p i d 系数能够根据钻进 过程的实际情况作出相应的反应，从而克服原有自动送钻系统中p i d 调节器系 数难以自动调节的缺点。 用微机作为控制器实现自动送钻，能够克服原有系统存在的缺点。但因钻井 现场环境恶劣，风沙、震动、噪音都很大，因此微机的正确选择是至关重要的。 本文选用编程简单、工作可靠、抗干扰能力强的可编程控制器作为微机控制器， 不但从控制方法上克服了原有系统存在的缺点，而且也解决了客观因素( 干扰) 带来的控制不稳定的问题。 2 3 1 微机控制的自动送钻系统的基本原理 采用微机作为控制器，实际上是由微机一方面对钻进过程中的钻压进行自动 的调节，以维持钻压恒定。另一方面，使系统能够实现安全监控、无扰切换功能， 保证钻进过程的安全可靠性。【1 8 i 其中，对钻压的调节，采用软件编程的p i d 调 节器，在钻进过程中，按一定的控制方式自动调节p i d 系数，以解决现场确定 9 硕 - 学位论文 p i d 系数难的问题。 微机控制的自动送钻系统的基本原理结构如图2 4 所示： 图2 4 微机控制的自动送钻原理结构图 图2 4 中：形一实际钻压； f 2 一死绳拉力； ( 廿一巴经压力传感器转换后的电信号； 乩r 一经u ，换算后的实际钻压值； 职预期钻压； 形一预期钻压与实际钻压之差； 【7 叫d 调节器输出值： 甩绞车滚筒的转速； 以经速度传感器和a d 转换后的转速值； ( 卜一p i d 调节器的输出值u 与玑之差； n 刹车系统的刹车力。 图2 。4 中各主要组成部分的作用：压力传感器1 将死绳张力传感器送来的压 力变为电信号；压力传感器2 将司钻阀控制的刹车系统压力变为电信号；微机是 整个控制系统的核心，完成一切控制、计算及管理工作；刹车系统的比例压力阀 用来调节刹车系统的刹车力f l ；速度传感器用来测量绞车滚筒转速。 该控制系统的基本控制原理分析如下： ( 1 ) 钻压控制原理 在钻进过程中，如果实际钻压w 高于预期钻压w 。，图2 4 中钻压的变化可 定性描述为：w t = 与f 2 l = 毒u f l = 辛u 。t = 汹w l = 粤u i = 与u i = 毒比例压力阀输出压力 1 0 坝1 学位论文 l = 毒f 1 t 昌州j 。由此可见，钻压升高在系统中引起一系列变化，最终导致钻压下 降，即钻压升高时，系统会控制其自动返回至预期钻压。 同理，在钻进过程中，若实际钻压w 低于预期钻压w 。，各变量的变化也可 定性描述为：w j = 毒f 2 t = u f t = u 。l = 汹w t = 辱u t = 汹u t = 毒比例压力阀输出压力 t - 毒f 1 l 昌 ，t ，即当钻压降低时，系统会控制其自动回复至预期钻压。 ( 2 ) 绞车滚筒速度控制原理 从图2 4 可以看出，绞车滚筒转速n 经速度传感器检测后送给a ，d 转换器， d 转换器的输出u n 与p i d 调节器的输出信号u 的差值，作为比例压力阀的 控制信号，从而对刹车系统的刹车力进行控制。在钻进过程中，绞车滚筒转速的 变可定性描述为：当滚筒的转速n 上升时，u 。t = 妇u j = 辱比例压力阀输出压力j = 辱 厅t = 辱n i 号 ，i ；同理，当滚筒转速n 降低时，可得出转速n 和钻压w 相应上升 的结论。 从上面的分析可以看出，利用微机作为控制器，不但能够自动调节钻压，保 证钻进过程中钻压的恒定性；而且还能够自动控制转速，且能够合理利用钻速控 制钻压，防止溜钻和井斜故障，保证了自动送钻过程的安全性和平稳性。1 1 9 1 1 2 0 1 2 3 2p l c 控制的自动送钻系统结构设计思路 p l c 控制的自动送钻系统基本结构设计如图2 5 所示： r。一一一一一一一一一一一一。一一一一。一一一。1 l 一一一一+ 一一一一一一+ j 图2 5p l c 控制的自动送钻基本结构 由图2 5 可以看出，以p l c 作为微机控制器的自动送钻系统充分利用p l c 的结构组成和控制方式对模拟量和数字量进行控制。其中，被控模拟量经模拟量 1 l 硕十学位论文 输入模块采集后，再由c p u 调用其内部具有一定控制算法的系统功能块自动完 成被控模拟量的闭环控制；而数字量的控制是利用p l c 外部的硬件接线图和用 户所编的梯形图软件来实现的。f 2 1 l 此外，在该系统中，采用编码器作速度传感 器，用脉冲计数的方式来实现绞车滚筒转速的闭环控制和钻压的观测，这有利于 提高速度检测的准确度和钻压观测精度。 2 4 小结 本章在原有单闭环自动送钻系统原理的基础上，重点对盘式刹车恒钻压自动 送钻系统的工作原理进行了论述，分析该系统存在的问题和不足，提出利用微机 作为自动送钻系统控制器的必要性。 1 2 第3 章伊顿刹车恒钻压自动送钻系统的硬件设计 3 1 概述 基于前面对盘式刹车恒钻压自动送钻系统的理论分析和研究，本章着重进行 了以西门子公司生产的s 7 3 0 0 系列p l c 作为微机控制器、以气控水冷型的伊顿 刹车作为刹车执行机构的恒钻压自动送钻系统的硬件设计。本章对伊顿刹车恒钻 压自动送钻系统的基本组成结构、控制电路和p l c 资源配置进行了设计。在基 本组成结构中，首先对伊顿刹车系统的工作原理进行了较为详细的阐述，分析其 工艺过程。然后根据自动送钻的控制要求，设计出以伊顿刹车作为执行机构、以 p l c 作为微机控制器的恒钻压自动送钻系统的原理结构图，并对该原理结构图的 各组成部分，即：一个钻压控制回路、一个气压控制回路、一个绞车滚筒速度控 制回路进行了详细的阐述。同时，为了明确各控制环的实现方法，还对p l c 的 系统功能块s f b 4 1 的基本结构和工作原理及其p i d 运算功能的实现方式进行了 详细的分析。最后对自动送钻控制系统的总体组成结构进行了设计，分析其运行 过程和工作原理。在控制电路的设计中，主要进行了系统的p l c 控制电路设计 和系统手动与自动间相互切换电路的设计。最后根据系统控制规模进行了p l c 选型和软硬件资源配置，为下一步软件设计做好准备。 3 2 伊顿刹车系统的结构组成和工作原理 3 2 1 伊顿刹车系统的结构组成 ( 5 ) 旷 ) ? c s ， 千苫 凳，三? q 丫 ， 吃 三。一】一l 图3 1 伊顿刹车气动控制原理图 图3 1 中：( 1 ) p i 转换器，即气压电流转换器； 硕t 。学位论文 ( 2 ) 气源： ( 3 ) 压力开关； ( 4 ) 空气过滤器： ( 5 ) g 1 8 调压阀带表； ( 6 ) 常通电磁阀g 1 2 ； ( 7 ) 截止电磁阀g 3 4 ； ( 8 ) - e p 比例阀，即比例压力阀，g 1 4 ； ( 9 ) 继气器； ( 1 0 ) 压力表； ( 1 1 ) 节流阀。 3 2 2 伊顿刹车系统的基本工作原理 伊顿刹车控制系统安装在控制箱内，主要用于控制伊顿刹车的大小气缸，且 提供压力监控和全压力提供功能。 该控制系统中，最主要的控制部分是两个比例压力控制阀，如图3 1 中的标 号( 8 ) 。该比例压力阀的输入信号为4 - - 2 0 m a 电流，比例压力阀根据输入电流 的大小线性成比例地输出o 一1 0 公斤的压力。比例压力阀的输出压力信号接着被 输出到继气器的控制口，如图3 1 中的( 9 ) 所示。继气器的压力输出保持和其 控制口一样，从而对大小气缸的压力进行控制。 同时，在大气缸回路上提供了一个常通电磁阀和一个截至电磁阀，即阀( 6 ) 和阀( 7 ) ，如图3 1 所示。其中阀( 6 ) 为主路供气阀，在通常情况下常通电， 该路截止，当遇到紧急情况需要紧急刹车时，将该阀断电，这时所有的入口压力 会经过此路全部提供给大气缸刹车。同时，此回路中还提供一个流量调节阀( u ) ， 用于控制全压力刹车的速度。阀( 7 ) 为截止阀，在正常情况下不通电，此回路 在正常情况下处于常通状态。在阀( 6 ) 断电时，阀( 7 ) 同时通电将此回路截止， 为大气缸提供全部的压力。 在气动控制箱内同时还装有三个模拟量( 4 - - 2 0 m a ) 输出的压力开关和一个 通断信号的压力开关，提供压力监测作用。其中大气缸压力检测口的压力开关直 接监测靠近大气缸处的压力。 在小气缸一分三接头的进气处需安装一个g 3 4 快速排气阀，1 口为压力输 入口，2 口为压力输出口，3 口为排气口。此快排阀的作用是将大小气缸中的压 力迅速排出。1 2 2 j 1 4 硕士学位论文 3 3 伊顿刹车恒钻压自动送钻系统原理结构的设计和钻压观测 方法 3 3 1 伊顿刹车恒钻压自动送钻系统原理结构的设计 由前面章节分析可知，原有自动送钻系统是以p i d 调节器作为控制器、以 盘式刹车作为刹车执行机构的绞车滚筒速度内环、钻压外环的模拟控制系统。这 种系统虽在理论上能够满足自动送钻的控制要求，经分析可知，这种系统仍然存 在许多缺点和不足。为了提高自动送钻工作的可靠性和送钻的自动化程度，将自 动送钻系统设计为以西门子8 7 3 0 0 系列p l c 为微机控制器、以气控水冷型的伊 顿刹车作为刹车执行机构的具有气压调节环、绞车滚筒速度调节环、钻压调节环 的三环控制系统。同时，在该控制回路中还设计了具有手动送钻功能的手刹给定 环节，以保证在送钻过程中能够进行手动和自动间的无扰切换。该自动送钻系统 的原理结构框图如图3 2 所示： 图3 2伊顿刹车恒钻压自动送钻系统框图 图3 - 2 中：w 一观测到的实际钻压； f 2 一死绳拉力； u 。一实际钻压值，是钻具净重和f 2 经压力传感器变换后的实际 悬重值之差，即，u 庐净悬重实际悬重； u 广预期钻压； r 一预期钻压与实际钻压之差； n 一绞车滚筒转速； p 气压传感器检测到的伊顿刹车气管的入口压力。 硕十学位论文 其中，环路1 为控制伊顿刹车空气压力的气压调节环，环路2 为绞车滚筒的 速度调节环，环路3 为自动送钻的钻压控制环。各环的作用和调节器的选择为： ( 1 ) 气压调节环的作用和气压调节器的选择( 即环路1 ) 该环是检测控制伊顿刹车气管的入口压力p ( 实际上是伊顿刹车的刹车力) 。 伊顿刹车的入口压力经气压传感器检测后，与速度调节器输出的预期压力相比 较，其差值经气压调节器运算，输出给比例式气控调节阀并作为该控制阀的控制 信号，比例气控阀输出与其控制信号成比例的压力信号，以维持伊顿刹车入口压 力为恒值。该环的作用是补偿了比例式气控调节阀的非线性对系统的影响，同时 提高了系统的抗干扰能力。 气压调节器的选择： 在控制系统中，某些执行机构如果频繁动作，会导致小幅震荡，造成严重的 机械磨损。从控制要求来说，很多系统又允许被控量在一定范围内存在误差。带 死区的p i d 控制器( 结构如图3 3 所示) ，能防止执行机构的频繁动作。当死区 非线性环节的输入量的绝对值小于设定值时，死区非线性的输出量( 即p i d 控 制器的输入量) 为0 ，这时p i d 控制器的输出分量中，比例部分和微分部分为0 ， 积分部分保持不变，因此p i d 控制器的输出保持不变，p i d 控制器不起调节作用， 系统处于开环状态。当误差的绝对值超过设定值时，开始正常的p i d 控制。1 2 3 由伊顿刹车系统的结构和工作原理，可选择气压调节器为带死区的p i d 控制器。 图3 3死区非线性 ( 2 ) 速度调节环的作用和速度调节器的选择( 即环路2 ) 该环的作用是对钻具实施精确定位，并且在异常情况下( 如溜钻、井斜) 控 制绞车滚筒的下放速度。 速度调节器的选择： 速度调节器采用传统的比例积分( p d 调节器。经比例积分运算后，其结果 作为气压调节器的给定。比例常数和积分时间常数通过调节器设计大体确定， 在系统调试时可能作适当调整。 ( 3 ) 钻压调节环的作用和钻压调节器的选择( 即环路3 ) 此回路的作用是维持钻压恒定，实现恒钻压自动送钻。 钻压调节器的选择： 1 6 硕十学位论文 微分的引入虽然可以改善系统的动态性能，但也很容易引入高频干扰。1 2 4 而 钻压控制的动态性能要求并不高，因此钻压调节器仍然设计成p i 调节器。因为 只有p i 调节器，才可以实现对钻压的无静差调节，而且可实现手动送钻和自动送 钻之间的无扰切换，保证在手动和自动之间切换时钻压维持恒定，以达到理想的 钻井效果。 3 3 2 钻压观测方法 对钻压的观测准确度往往影响着钻压控制的精度。对钻压的实际测量，目前 还没有好的办法。只能采用观测的方法求出钻压的值从而进行闭环控制。 因为钻压实际上就是钻具对钻采面的压力，因此根据前面提到的： n 3 = m g - f 1 一f 2 = m g - ( f 1 + f 2 ) = ( m g - f 1 ) f 2 ( 3 1 ) 因此，要观测钻压，必须知道钻具的重量、浮力和钢丝绳对钻具上提的拉力 ( 即电动机的拉力) 。在理想的一段距离内，可视为m g f 1 为常数c ，则有： n 3 = c f 2 o 因此，要得知钻压，关键是要知道电动机的拉力f 2 。对于制造好的电机， 电动机的电磁转矩与拉力成正比，即：f 2 0 c k t 。 2 5 1 因此知道了电磁转矩也就知 道了电动机的拉力f 2 。 由电机学可知：p n = l n ，l = p n m( 3 3 ) p n _ 一实际功率( 即传送到电机转子的电磁功率p e 中，除去转子铜损s p 。 后，转换为机械能的总机械功率) ； t e 一电磁转矩；q 一电动机转子的机械角速度。 可令f 2 = k t 。，则有：n 3 = c -