张慧杰，梁维刚，袁 健

（1.川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都 610056；2.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西西安 710018）

0 引言

随着自动控制技术的发展，自动送钻系统已成为石油钻机必不可少的辅助设备，其优良的性能可以大大减轻司钻劳动强度，实现钻机自动化。同时能显著提高钻井效率，改善钻井质量，降低钻头的磨损程度。但由于国内部分老式钻机出厂配套时并没有装配自动送钻系统，要想实现其功能必须在原钻机基础上进行技术改造。

1 技术改造方案分析

按照自动送钻执行机构的不同，可以分为盘刹自动送钻和变频电机自动送钻。现以某国内油田ZJ50D 钻机为基础，分别通过以上两种方式进行技术改造，加装自动送钻系统，实现自动送钻功能。现阐述两种改造方案。

1.1 方案1——盘刹自动送钻

1.1.1 实现原理

根据钻压信息的反馈，通过比例调节盘刹工作钳油缸内的油压，从而调整盘刹的制动力矩，以达到钢丝绳的均匀下放的目的，实现自动送钻。送钻方式分为恒钻压送钻和恒钻速送钻。

同时根据采集到的钻压、顶驱扭矩、顶驱转速、立管压力、游车速度等信息，实现紧急工况下的安全保护功能、自动送钻功能、钻压保护功能，泵压保护功能、起下钻过程中异常情况保护功能、上碰下砸点功能、过卷阀保护、上下减速点设置、刹车点保护、应急操作解开盘刹功能等。

1.1.2 现场改造细节

（1）增加滚筒编码器：用于计算大钩高度，实现上碰下砸保护，参与速度计算，进行内部控制等功能。安装细节：绞车滚筒端，原绞车预留直径约25mm 的母扣，现需提供1 根编码器安装轴与此孔相连接，长度约200mm，编码器套在轴上，外面用铁质外罩保护。编码器信号线缆敷设至钻台偏房，离司钻房几米远。

（2）控制箱的安装位置暂定在钻台偏房，为留有足够的空间，采用壁挂安装方式。

（3）盘刹手柄安装位置规划可分为增加司钻椅和安装在原来钻台两种方案。①安装在原来的气控刹把位置，安装孔如图1所示，紧急制动、驻车制动、过卷阀旁通等按钮在钻台上选择空余位置开孔安装即可，因施工难度繁琐，无需单独制作操作箱。显示器安装在钻台左上角位置，尺寸如图1 中显示，开孔背部空间满足触摸屏安装。此安装需要增扩，显示器尺寸309mm×247mm，或者选择更小的显示器，安装尺寸为226mm×166mm，需要增补1 块过度机构，建议选择司钻椅单独安装。②增加小型司钻椅，将按钮、刹车手柄以及触摸屏安装支架集成在司钻椅上，司钻房底座为空心，可开孔，走线布置，司钻房剩余空间粗略测量长1.4m、宽1.2m，因HMI（Human Machine Interface，人机界面）需要操作，所以建议安装在司钻椅上集成，操作起来更加方便。现场司钻房布局如图2 所示。

图2 现场司钻房布局

（4）液压站图纸、传感器安装所需的三通接口和传感器安装由液压室制造商提供，传感器线缆进控制箱，线缆敷设、传感器调试由电气端负责。

（5）控制箱进司钻房有1 根HMI 通信线，1 根10 芯以上的信号线，敷设线路可以满足要求，无需大面积开孔。

1.2 方案2——采用变频电机自动送钻

1.2.1 实现原理

增加变频自动送钻电机，与主绞车采用离合器连接，当自动送钻时，在HMI 上面根据实际情况选择钻进方式和钻进量，变频器精确执行电机速度给定，以实现钢丝绳的均匀下放，达到自动送钻的目的，同时具备悬停功能。根据钻压、顶驱扭矩、顶驱转速、立管压力、游车速度等信息的反馈实现紧急工况下的安全保护功能，游车位置显示、自动送钻功能、钻压保护功能、泵压保护功能、起下钻过程中异常情况保护功能、过卷阀保护、刹车点保护、应急操作解锁盘刹、上碰下砸区域自动智能减速等功能。

1.2.2 施工细节

（1）在电控中心房内增加变频柜，变频柜安装位置见图3（暂定安装在MCC 抽屉柜旁边），内部安装ABB 成套55 kW 变频器、断路器、风机接触器等控制器件，同时输出与电机和风机的动力电缆、控制箱之间控制信电缆及通往CPU 的通信电缆。

图3 变频柜安装位置

（2）采用智能集成司钻椅，将触摸屏安装架子装在椅子上面，可根据情况旋转，方便操作，右手边集成紧急制动、驻车制动、蜂鸣器、报警指示灯，过卷阀旁通等按钮，方便司钻操作。

（3）自动送钻装置传动落线：交流变频电机→K 型减速箱→摩擦毂→气胎离合器→球笼万向轴→传动轴高速端的链轮→滚筒高速链轮→主滚筒。

（4）机械部分改造。取消原有绞车传动轴端面处（高速侧）的绞车立板翻盖，加大绞车箱体立板的开孔，并加工螺纹孔。取下传动轴端面的链轮（P=50.8，Z=23，4 排），对其进行加工整改：钻螺纹孔、端面车键槽。新制作连接过渡安装连接盘，安装到整改后的链轮上。新制作挡油环安装到整改后的箱体立板上，以保证不漏油。新制作离合器护罩、减速箱安装支座。新制作摩擦毂。增加气胎离合气连接管线。

2 两种方案比较分析（表1）

表1 两种方案综合对比

3 结论

通过以上两种方式的技术改造，钻机均实现了自动送钻功能，并通过分析比较，能从各个方面了解到两种改造方式的优缺点，施工作业队从而可以根据现场钻机构造和司钻使用习惯，选择符合自身要求的自动送钻系统加装改造最优方案。