石油钻机智能缓冲防碰装置.pdf

38 ．． 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1期 钻井技术与装备 石油钻机智能缓 冲防碰装置 孙江锋 张文英 黄粤川。 田凤仙 ， 蒋合艳 ， 1 ．国家油气钻井装备工程技术研究中心2 ．宝鸡石油机械有 限责任公司 3 ．中石4 -L 集团西南石油工程公司湖南钻井分公司 摘要 目前国内生产的直流钻机没有能耗制 动功能，由于生产进度 的原 因，司钻经常使游 吊 系统下放得很快，在接近钻 台时快速刹车，这种操作方式不仅会损坏设备，同时存在 安全 隐患。 为此，设计 了石油钻机智能缓冲 防喷装置。该装置 由主控计算机 、绝对值编码器 、悬重检测 变送 器、报警装置、输 出信号以及刹车系统等组成。装置通过 安装在绞车滚筒轴上的绝对值 编码器 实 时检测滚筒旋转的角度，由主控计算机计算出游吊系统的位置和速度，并与司钻设置的预警高度、 缓冲高度 、减速 目标速度及最大下放速度进行 比较 ，实时调整刹车力矩。现场试 验结果表明，在 游 吊系统上限速度不大于 1 ． 2 m ／ s ，防碰预警缓冲高度与防砸刹车高度距离不小于 2 ． 5 m 的条件 下 ，游 吊系统限速 以及减速控制精确度较高。 关键词 直流钻机 ；游 吊系统；智能缓冲 ；防碰 系统；伊顿刹车 ；能耗制动 中图分类号 T E 9 2 2文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 9 I n t e l l i g e nt Buffe r Ant i - c o l l i s i o n De v i c e f o r Dr i l l i ng Ri g S u n J i a n g f e n g ， Z h a n g We n y i n g ， 。Hu a n g Y u e c h u a n T i a n F e n g x i a n J i a n g He y a n 1 ． N a t i o n a l O i l G a s D r i l l i n g E q u ip m e n t R e s e a r c h C e n t e r ；2 ． C N P C B a o j i O i’ e l d Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ；3 ． H u n a n D r i l l i n g C o m p a n y ，S 1 N O P E C S o u t h w e s t P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o m p a n y Abs t r ac t Du r i n g t h e d o me s t i c d r i l l i ng o p e r a t i o n wi t h t he d o me s t i c DC r i g wi t h o u t d y n a mi c b r a k i n g f u n c t i o n ， t h e d r i l l e r u s u a l l y l a y s d o wn t h e t r a v e l i n g a n d e l e v a t i n g s y s t e m wi t h a v e r y h i g h v e l o c i t y t o c a t c h u p t h e s c h e d ． u l e ．T he d r i l l e r t he n r a p i d l y br a ke s t h e wi n c h wh e n t he t r a v e l i n g a n d e l e v a t i n g s y s t e m a p p r o a c h t h e r i g flo o r ． The s e k i n d s o f o p e r a t i o n s wi l l n o t o nl y d a ma g e t h e e qu i pme n t ． bu t a l s o i mpo s e s a f e t y r i s k s ． To a d d r e s s t h e i s s u e． t he i n t e l l i g e n t bu f f e r a n t i c o l l i s i o n d e v i c e i s d e s i g ne d． T he d e v i c e ma i n l y c o n s i s t s o f a h o s t c o mp ut e r ， a b s o l ut e e n c o d e r ， h o o k l o a d d e t e c t t r a n s mi t t e r， a l a r m d e v i c e， t h e o ut p u t s i g n a l a nd b r a k e s y s t e m．Th e a bs o l u t e e n c o d e r i s i n s t a l l e d o n t h e s h a f t o f t h e dr u m wi n c h t o r e a l t i me d e t e c t t he d r u m r o t a t i o n a n g l e ． Th e h o s t c o mp u t e r i s us e d t 0 c a l c u l a t e t h e p o s i t i o n a n d v e l o c i t y o f t h e t r a v e l i n g a n d e l e v a t i n g s y s t e m，a n d t h e n c o mp a r e d wi t h t h e w a r n i n g h e i g h t ，t h e h e i g h t o f t h e b u f f e r，t h e de c e l e r a t i o n t a r g e t s p e e d a n d t h e ma x i mu m l a y do wn s p e e d s e t b y t h e d r i l l e r ， t h u s ma k i ng r e a l t i m e a d j u s t m e n t o f t h e b r a k e t o r q u e ． F i e l d t e s t r e s u l t s s h o w t h a t ，w i t h t h e m a x i m u m t r a v e l i n g a n d e l e v a t i n g s y s t e m n o g r e a t e r t h a n 1 ． 2 m／s a n d t he h e i g h t o f a n t i c o l l i s i o n wa r ni ng b u f f e r a n d t h e a n t i s ma s h i ng b r a k i ng n o l e s s t h a n 2． 5 m ， t h e t r a v e l i n g a n d e l e v a t i n g s y s t e m wo u l d g a i n h i g hl y a c c ur a t e s p e e d l i mi t a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds DC r i g； t r a v e l i n g a nd e l e v a t i ng s y s t e m ； i n t e l l i g e n t b u f f e r ； a n t i c o l l i s i o n s y s t e m ； Ea t o n b r a k e s； d y n a mi c b r a k i n g O L 口 近年来 ，我 国石油钻井公司大量走 出国门去 国 外进行钻井作业。由于作业 习惯 和管理规 范 的不 同，国外油公司对我国钻井公司的设备提出了许多 要求 ，主要集中在标准规范和安全方面 ，其 中包括 直流钻机在游 吊系统下放过程 中的 自动保护问题 。 2 0 1 4年第4 2卷第 1 1期 孙江锋等 石油钻机智能缓冲防碰装置 一 3 9一 目前 ，由于国内生产 的直流钻机没有能耗制动 功能 ，游吊系统 的下放依靠其 自身重力进行 ，司钻 操作刹车装置控制其下放速度 。但由于生产进度的 原 因，司钻经常使游吊系统下放得很快 ，在接近钻 台时 陕速进行刹 车。这种操 作方式不仅 会损坏设 备 ，同时还存在严重的安全隐患 。因此国外油公司 要求游吊系统下放过程 中必须有 自动减速缓冲和钻 台防砸功能。为了满足以上要求 ，宝鸡石油机械有 限责任公司研制了石油钻机智能缓冲防碰装置。 1 技术分析 1 ． 1 功能设置 根据直流电机驱动钻机的特性 ，在游 吊系统上 提过程 中，由电机驱动绞车上提游吊系统 ，当游吊 系统到达防碰预警高度时 ，缓冲防碰装置发出预警 减速信号 ，S C R系统接收到该信号后 ，自动将 电机 转速降低到司钻设定 的速度 ，同时司钻应使游 吊系 统悬停 ，若司钻未及时手动悬停游吊系统 ，使游吊 系统继续上提 ，当到达防碰刹车高度时 ，缓冲防碰 装置发出刹车信号 ，钻机控制系统 自动使刹车系统 刹车 ，游 吊系统悬停 ，同时脱开绞车滚 筒离合器 ， 以保护绞车传动系统。 在游 吊系统下放过程中，滚筒离合器脱开，这 时绞车电机处于空转状态 ，司钻控制刹车使游 吊系 统下放。当游 吊系统到达防砸预警高度时，缓 冲防 碰装置 自动使刹车系统投入进行减速 ，直到速度减 到司钻设定的 目标速度 ，使游吊系统保持 目标速度 匀速下放 。当到达防砸刹车高度时 ，缓冲防碰装置 应发出刹车信号 ，钻机控制系统 自动使刹车系统刹 车 ，游吊系统悬停 。 另外 ，该缓冲防碰装置还可根据司钻 的需要设 定游 吊系统的最高速度 ，以避免发生不可控制的意 外情况。当设定了最高速度后 ，若游吊系统速度超 限 ，系统 自动投入刹车，使游 吊系统减速。 1 ． 2结构 该智能缓冲防碰装置 由主控计算机 、绝对值编 码器 、悬重检测变送器 、报警装置 、输出信号以及 刹车系统等组成 ，结构简图如图 1 所示。司钻可 以 通过主控计算机输入 防砸刹车高度 、防砸预警 缓冲高度 、防碰预警缓 冲高度 、防碰刹车高 度 、减速 目标 速度 以及游 吊系统最 高速 度 ⋯，同时还可以通过主控计算机解除刹车 。 绝对值编码器安装在绞车滚筒轴上 ，测量滚筒 旋转 的角度 ，将该信号传送给主控计算机 ，计算 出 游 吊系统的高度和钩速 。其中绝对值编码器在游 吊 系统上 、下运行多次后仍能保持 回零 ，因此不用经 常去校核零 位 ] 。悬重 检测变送器将 大钩悬重信 号转换为电信号 ，传送给主控计算机 。 由于刹车减速动作可能持续 的时间较长 、动作 频繁 ，盘刹刹车钳 的温度会快速升高 ，随着温度的 升高，材料的磨损率 也会急剧 增大 ，所 以液压 盘式刹车不适宜作为减速刹车装置 。而伊顿刹车作 为绞车辅助刹车装置 ，其低速制动性能好 ，大大优 于电磁涡流刹车 _ 3 J 。再者 ，减速刹 车需要达 到稳 定的低速效果 ，因此减速刹车装置采用伊顿刹车。 1 2 3 4 5 1 1 1 0 9 8 7 6 1 一绝 对值编码 器 ；2 一悬重检测变送器 ；3 一主控计算机 ； 4 一 气 源 ； 5 一 比例 电磁 阀 ； 6 一 液压 盘 刹 ； 7 一 伊 顿 刹车 ； 8 一 梭 阀 ； 9 一 绞 车 电机 ； 1 0 一 电 磁 阀 ； 1 1 一 S C R系 统 。 图 1 智能缓冲 防碰装置 结构 简图 F i g ． 1 T h e s t r u c t u r a l d i a g r a m o f t h e i n t e l l i g e n t b uf f e r a n t i c o l l i s i o n de v i c e 2 功能的实现 该装置与 目前常规的电子防碰装置相比，主要 增加 了防止游吊系统速度超 限功能和防砸预警缓冲 功能。因此以下仅分析防砸预警缓冲功能和游吊系 统速度超限功能。该智能缓冲防碰装置通过安装在 绞车滚筒轴上的绝对值编码器实时检测滚筒旋转的 角度 ，由主控计算 机计算 出游 吊系统 的位置 和速 度 ，并与司钻设置的预警高度 、缓冲高度 、减速 目 标速度及最大下放速度进行 比较。 2 ． 1 防止游 吊系统速度超限功能 如果游 吊系统的实际速度超过 了司钻设定的最 高速度 ，缓冲防碰装置发 出电信号 ，控制电磁比例 阀向伊顿刹车输入压缩空气 ，使伊顿刹车进行减速 刹车 ，直到游吊系统 的实际速度降低到司钻设定的 最高速度以内。 2 ． 2 防砸预警缓冲功能 当滚筒编码器检测到游吊系统抵达下砸预警缓 冲高度 ，且游吊系统实际速度大于司钻设定的减速 目标速度时，主控计算机发出电信号控制电磁比例 - - 4 0- - 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 阀，进而控制伊顿刹车的刹车力矩 ，使伊顿刹车进 行减速刹车 ，直到游 吊系统 的实际速度降低至司钻 设定的减速 目标速度 ，并保持该速度匀速下放至防 砸刹车高度 。实现该功能的关键点在于刹车投人的 及 时性 以及刹车的有效性 。 2 ． 2 ． 1 刹 车投入 的及 时性 由于伊 顿刹车存在刹 车滞后现象 J ，主控计 算机发 出刹车信号到气路系统建立刹车压力的延迟 时间较长 ，且根据设备实际安装情况的不同，延迟 时间也不同。如果游 吊系统下放速度较快 ，当伊顿 刹车实际刹车时 ，游 吊系统 已经下放 了很长距离 ， 甚至已经到达防砸刹车高度 ，那么预警缓冲功能便 失去 了意义。为了使伊顿刹车能够尽可能准确地在 防砸预警缓冲高度进行刹车 ，预警刹车信号必须在 防砸预警缓冲高度以上发出，其发出的具体高度应 根据实际钩速的不 同而进行调整。 为了尽量减少延迟 ，应尽可能地缩短气路管线 长度 ，同时将控制伊顿刹车供气的电磁 比例阀安装 在伊顿刹车就近位置。控制回路安装完成后 ，可通 过试验测得实际延迟时间 t 。在实际应用中，编码 器可实时测得游吊系统实际下放速度 ，因此 ，为 了尽可能准确地使伊顿刹车在防砸预警缓冲高度投 入刹车 ，刹车信号的发出高度 应该为 H 5v t 1 1 2 1 刹车信号发出后 ，虽然实际刹车并未动作 ，但 钩速仍可能会 因为多种 因素而发生变化 ，因此实际 减速刹车位置并不能精确到防砸预警缓 冲高度上。 另外 ，如果辅助刹车采用 电磁涡流刹车 ，由于电磁 涡流刹车的励磁线圈存在较大的感性阻抗 ，建立励 磁电流也存在一定的时间延迟，所 以采用 电磁涡流 刹车为辅助刹车进行减速时也会同样存在上述问题。 2 ． 2 ． 2 刹车的有效性 在实际钻井作业中，每次游 吊系统下放时的钩 载 和钩速 都不尽相 同，因此施加 同样大小 的 刹车力矩其制动效果也不相同，制动力矩的大小必 须根据实际钩速和钩载进行调整。同时在缓冲全过 程 中，缓冲防碰装置在实时检测钩速 ，并将实际钩 速与减速 目标速度进行比较 ，随时调整伊顿刹车的 输入气压 ，直至钩速与减速 目标速度一致。 下面分析刹车力矩 E与钩速 ” 及钩载 之 间 的关系。由于滚筒、游车滑轮和天车滑轮旋转动能 相对较小 ，在此忽略设备转动对刹车效果 的影响。 根据能量守恒定律有 FS 鱼 M g h 2 F 2 式中 一伊顿刹车产生在游吊系统上的作用力 ； S 从刹车执行到速度降至 目标速度 时所 经过 的距离。 由于游车是垂直运动 ，所以 S h，于是有 F 垤 3 F 垤 3 由于减速刹车必须在 一 范围内完成 ，所 以 S ≤／ t 2 一 H． ，进而可得 F ≥ 筹 慨 4 F ≥ 慨 4 若游吊系统为 1 O绳系 ，那么刹车力矩 E与伊 顿刹车产生在游 吊系统上的作用力 F的关系如下 E面 F R 5 式 中 游吊系统机械效率 ； 尺 快绳的出绳半径。 于是刹车力矩 E与钩载的关 系为 [ ] E _ ■ ■ 6 减速刹车时， 、日 、 均为定值 ，R的变化 可 以忽略不计 ，因此刹车力矩是实际钩速 V及钩载 M 的函数 。当游 吊系统实 际钩速 与减 速 目标 。 一 致时，刹车力矩仅用来平衡钩载 ，以维持游吊 系统的匀速下放。 3 关键技 术 3 ． 1 刹车系统必须快速反应 由于伊顿刹车为气控盘式刹车 ，气控系统建立 压力较慢。为了提高刹车系统的反应速度 ，控制伊 顿刹车的电磁比例阀尽可能接近伊顿刹车 ，以缩短 气路管线 。同时通过试验测得实际的延迟时间 ，使 主控计算机在游吊系统到达防砸预警缓冲高度之前 发出减速刹车信号 。另外 ，主控计算机输 出的减速 刹车信号采用 4～2 0 mA的电流信号 ，信号反应速 度快，抗干扰能力强，适合在石油钻机这种复杂电 磁环境 中使用 。 3 ． 2 减速刹车力矩必须适当 由于游 吊系统钩速以及悬重根据钻井工况的不 同有很大差别 ，所以减速刹车力矩应根据游吊系统 的实际钩速以及悬重的不 同进行调整 ；同时也必须 随着游吊系统减速刹车的实际效果进行调整 ，这样 才能保证游 吊系统既不会被刹停 ，也不会因为刹车 下转第 4 5页 2 0 1 4年 第4 2卷第 1 1期 赵磊等 液压动 力卡 瓦技 术现状 与发展 趋势研 究 ．- 4 5．- 必然会 向着承载范围多样化 、夹持范围多元化 的方 向发 展。在 目前 液 压 动 力 卡 瓦 已满 足 A P I 5 D P 、 A P I 5 C T规范中标准管柱夹持 的基础上 ，还 应在 深 井 、超深井及海洋作业时面临的高承载能力 、非标 管柱作业 、完井管 串下人作业 、随管柱下电缆作业 等方面展开研究。同时还要适应不 同形式的管柱处 理系统 ，满足各种使用要求 。 4 ． 2 向高安全性、高可靠性方 向发展 随着井深的进一步增加 ，对液压动力卡瓦的承 载要求势必会进一步提高 ，而其结构却变得越来越 复杂 、紧凑。为解决安全性与高可靠性 问题 ，液压 动力卡瓦必将会在铸造材料、热处理方法和加工工 艺等方面不断创新与发展 ，多项先进技术将应用在 这一领域 ，高安全性和可靠性将成为液压动力卡瓦 的核心竞争力 。 4 ． 3 向控 制 操作 智能 化 、集成 化 方 向发展 未来液压动力卡瓦的控制与操作系统将会集成 在 自动管柱处理系统的控制系统中，与其他设备实 现智能协作。通 过 P L C程序控制 ，使 操作者或副 司钻在远端即可对整套系统实现控制 ，这将极大地 提升作业安全性与钻井效率。 参考文献 [ 1 ] 王全宾，王瑞成，黄红梅 ，等 ．双 向卡瓦大通径悬 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 挂器 的研 制与应 用 [ J ]．石油 机械 ，2 0 1 2 ，4 0 44 64 8 ． 李汝强，高广启，付增，等 ．组合式变径卡瓦设计 [ J ]． 石油机械，2 0 1 2 ，4 0 2 3 03 2 ． 许福玲，陈尧明 ．液压与气压传动 [ M]．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 7 ． 田东海 ，吕瑞典 ，周锡容 ．动力卡瓦的国内外发展 现状 [ J ]．机械，2 0 0 7 ，3 4 增刊 1 7 ，3 2 ． V a n R i j z i n g e n J W H，R o l i n g R R，Ma s o n D B ． N o n - s e i z e ma t e r i a l a t t a c hme n t f o r a d r i l l s l i p s y s t e m US， U S 7 7 5 8 2 8 0 B 2 [ P ]． 2 0 1 21 0 0 4 ． An o n ． BV G e n e r a l C a t alo g 2 0 1 3 『 EB ／ OL]． 『 2 0 1 3 1 1 ]h t t p ∥ V W 1 4 ro b l o h m v o s s o i l t o o l s ． c o r n ／ ～d o e u m e n t s ／B V Ge ne r a l Ca t a l o g e n g 一 3 1 2 0 1 3 ． p d f ． A n o n ． R i g fl o o r e q u i p me n t[ J ]． Wo r l d O i l ，2 0 1 0 ， 2 3 1 1 2 8 1 3 ． 董毅军，闫永宏，杨小勇，等 ．全 自动液压卡瓦 中国，C N 1 0 3 2 1 6 1 9 9 A [ P ]． 2 0 1 3 0 7 2 4 ． 第一作者简 介赵磊 ，工程师 ，生 于 3 9 8 4年 ，2 0 0 6 年毕业于重庆大学机械工程学院，现为西北工业大学船舶 与海洋工程专业在读硕士研究生 ，从事石油钻井及井下工 具的研究及设计工作。地址 7 2 1 0 0 2 陕西省宝鸡市。电 话 0 9 1 7 3 4 6 2 8 6 7 。Em a i l l e i z h a o e n p e ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 4 0 90 5 本文编辑刘峰 上接 第4 0页 力矩太小而造成减速失效 。该智能缓冲防碰装置可 实时检测游吊系统高度 、钩速和悬重 ，并与减速 目 标速度 、防砸刹车高度及防砸预警缓冲高度进行对 比，实时调整刹车力矩的输出。 4 现场试验及建议 石油钻机智能缓冲防碰装置在试验井场安装在 Z J 7 0 D钻机上 ，分别 在游 吊系统悬重为 2 8 0和 1 2 0 k N的条件下进行 了多次试验 。试验结果 表明，在 游吊系统上限速度不大于 1 ． 2 m ／ s ，防砸预警缓冲高 度与防砸刹车高度距离不小于 2 ． 5 m 的条件下，游 吊系统限速以及减速控制精确度较高。在实际使用 中，建议游吊系统最高速度不大于 1 ． 2 m／ s ，防砸 预警缓冲高度与防砸刹车高度距离不小于 2 ． 5 m。 参考文献 [ 1 ] 张芳 ，谌海云，易伟，等 ．陆地石油钻机大钩高度 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 保护系统[ J ]．机 械制 造 与 自动化，2 0 1 2 ，4 1 2 6 36 4 ，7 8 ． 樊启蕴 ，张嗣伟 ，李维明．盘式刹车设计 中的一个 新概念热设计 [ J ]．石油矿场机械，1 9 9 5 ，2 4 32 22 5 ． 姜鸣，周声强，刘育生 ．石油钻机绞车制动方式研 究 [ J ]．石油机械，2 0 0 5 ，3 3 增 刊 1 3 8 9 1 9 2． 李玉香 ．绞车辅助刹车系统在钻修设备中的应用与 发展 [ J ]．石油天然气学报，2 0 0 9 ，3 1 3 3 4 8 3 49 ． 第一作者简介 孙江锋 ，工程 师 ，生 于 1 9 7 9年 ，2 0 0 2 年毕业于长安大学机电一体化专业，现从事石油钻机司钻 控制房 、气动控制等方面的设计研究工作。地址 7 2 1 0 0 2 陕西省宝鸡市。电话 0 9 1 7 3 4 6 2 1 9 8 。Em a i l s i 9 8 1 1 26 ．c o n。 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 5 本文编辑王刚庆