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油田司钻控制技术研究
油田司钻控制技术研究
摘要：文章针对我国石油钻机司钻控制技术方面存在的问题，围绕司钻控制房的科学建设和电子司钻的应用控制两个方面提出改进建议，为我国石油钻机的司钻控制技术研究打下坚实基础。
关键词：司钻 控制 技术
司钻指石油钻井中带班工人的职务名称。在油田岗位责任制中，司钻掌管刹把的操作。直接负责钻台的工作和井队人员，有的还负责钻井设备和吊装设备的操作。他们要牢记各个显示装置和操纵装置的功能和位置，还要随时处理一些意外情况，在石油的钻探作业中，钻机日夜工作，每个司钻要连续工作很长时间，即使有副司钻协助工作，然而每天保持注意力高度集中仍会让司钻倍感疲惫。因此司钻工作是最繁重的。
如果在操作、显示设备设计布置上与司钻工作人员的生理、心理不相适合；如果司钻控制房的设计规划不科学，只是将原来室外的仪器仪表搬到室内；如果司钻的工作仪器不够先进，都会导致工作效率降低甚至出现意外情况发生。下面围绕司钻控制房的科学建设、电子司钻的应用控制两个方面提出改进建议，为我国石油钻机的司钻控制技术研究打下坚实基础。
一、司钻控制房的科学设计
普遍来看，司钻台布置没有相应规范，整个室内空间和操纵台空间设计无法与人的生理、心理条件相匹配。显示仪表布置和操纵器布置不合理，没有考虑司钻本身的认知习惯；没有专用司钻座椅，高度和前后调节不便等。
针对这些问题，在司钻控制房的设计建设上要通过分析建立用户思维模型、用户任务模型，对用户出错进行分析，提出在控制方面、整体布局方面、人机方面设计需要改进的问题。要认真研究操作过程中哪些可以用机器来实现，哪些需要人操作，是否可以采用像飞机自动飞行那样的技术来设计自动送钻装置，以减轻司钻工作者的精神和
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体力负担。从司钻工作者使用心理的角度对目前的操作界面认真分析，使操作过程符合司钻工作者的知觉和认知特性。例如可以在操作界面设计上加入操作信息引导和信息反馈，以减少操作的学习负担。可以对整体进行大的区域划分，主、辅工作区域明确，使司钻工作者一看就能明确主要观察什么，主要使用什么，在主要的工作区域明确的状态下，对辅助工作区进一步细化，显示装置和相对应的操纵装置布置在一起，避免使用中出错。一些使用键按照功能划分区域布置，使各个功能的使用区域明显，能使司钻工作者在使用时快速找到。
在司钻控制房的整体布局上要注意：充分利用司钻房空间，扩大司钻的视野，解决司钻工作人员的视觉死角；改善司钻工作时犯困的问题。要进行模块化设计，将操作元件进行功能区域和使用频率划分。
以ZJ-51781型电子司钻为例谈司钻控制房的设计：一般要安装四通道视频监视系统使司钻坐在封闭的空间可以看到二层台游车的位置、井架工的操作、绞车滚筒排绳的情况，以及泥浆泵房的情况等。绞车的灵活控制采用了游戏干事的操纵杆，控制绞车正反转，松开即停。在停止位置有零指令锁定功能，防止出现干扰信号导致的误动作。当操纵杆向前推，游车上行时，有最高速度限制，以及第一高位置强制减速，第二高位置强制停机保护。当操纵杆向后拉，游车下行时，电机反转，在钻具负载的拖动下，DW电机处于发电工作状态，向电网反馈发电，直流母线电压升高，使接在直流母线上的崭波制动柜CHOPPER自动投用；绞车在发电反馈制动和能耗制动的联合作用下，游车下放保持匀速，速度大小由操纵杆拉开的角度决定，而不是像自由落体那样，呈加速下行状态。触摸电脑显示屏构成了良好的操作显示界面HMI。该显示屏将VFD系统信息、运转工况和钻井参数仪综合在一起。显示的钻井参数有超声波液位变送器传来的泥浆罐液位信号为四路。超声波流量变送器传来的泥浆回流信号为一路；应变膜压力变送器传来的悬重信号和立管压力信号各位一路；应变膜压力变送器传来的机油泵压力信号为二路；机械电子式编码器（码盘）传来的绞车滚筒转动圈数为二路。仪表系统中的各个变送器或码盘送来的信号，分别介入司控房PLCI/O扩展槽的相应端子，使该信号可以受到PLC的运算处理和监控。刹车系统以盘式刹车为主刹车，伊顿刹车作
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为辅助刹车。液压盘式刹车包括工作钳、安全钳、液压动力站、特殊的液压调节装置等。气控水冷式伊顿刹车是目前钻井场合应用的最先进的刹车系统，国外的电子司钻系统中，伊顿刹车也是首选的执行机构CPUI/O。用PLC容错技术，增加了系统的可靠性。司钻房PLC系统，并列安装了两套CPU和I/O插件板，一套处于工作状态；另一套处于备用状态，两套系统的数据传输并行。这样，当系统一出现故障时，系统二保持着运行数据，并同时投入工作。
二、电子司钻技术的应用
“电子司钻” 内容丰富，包括PLC控制系统、钻井监控系统、电子防碰、液压盘式刹车装置等，它们是石油钻机的控制中枢，其性能的优劣直接关系到整台钻机的生产效率，关系到工人的劳动强度和生产安全等。为此，应该加强电子司钻技术的改进，让电子司钻更加人性化和智能化。
以ZJ-51781型电子司钻为例（配ZJ70D钻机）谈谈先进技术的效率和优势。
该电子司钻是大功率VFD、多负载驱动PLC分布式钻机控制系统。可靠性高，控制性能卓越，变换方式为AC-DC-AC。系统由两个整流柜、七个逆变柜、三个崭波制动柜组成。大容量整流柜通过断路器连接在AC母线上，并经过大容量电抗器输出至DC母线，DSU整流电路由大功率二极管构成，通过数字电路控制预充电。逆变柜采用大功率IGBT器件（绝缘栅型双沟道晶体管）构成桥路，触发控制模式与其他变频器制造商PWM（脉宽调制）方式有很大不同。控制电路全部由数字模块构成，主控模块是以CPU为核心组成NAMC板。各主控模块之间通过光纤进行通讯，实现数据传输。由于主控模块均采用数字电路，系统的初始化需要以电机的参数为基础建立数学模型，所以逆变柜对交流负载采用一拖一驱动方式，这样就不存在接触器的指配切换控制。
电控系统的优点：DCR与VFD之间的串行通信采用屏蔽双绞线，而不是光纤，光纤以断裂。PLC主站与变频柜、整流柜、CHOPPER柜之间的现场数据总线控制，采用了总线管理器，对数据流实施监视。利用光纤路由器，对系统构成的所有数字模块的通信，采用了光纤，
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这样使VFD房内部的控制线路非常简单，简化了线路连接，每个柜子只需两根光纤即可。柜支持单机运行和双机运行两种选择，选用了电储能大型空气断路器，方便了操作。整流柜投入工作后，对逆变柜有预充电过程，ABB变频器的预充电控制，性能优良，这是保证VFD多转动系统高可靠性的前提。在钻井仪表系统中，第一次采用了超声波变送器测量泥浆液位或流量。对测量泥浆非牛顿流体极为合适。符合ZJ70D钻机的相关要求，能满足ZJ70D钻机项目司钻的使用要求，采用可靠的防爆、防护、防腐、隔热、隔音、减震措施，使用寿命增加，效果大幅提升。
三、结束语
本文围绕司钻控制房的科学建设和电子司钻的应用控制两个方面探讨了如何加强油田司钻控制技术的研究，希望能为我国石油钻机的司钻控制技术做出应有的贡献。
参考文献
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