基于伊顿刹车的高安全性自动送钻系统设计

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1、基于伊顿刹车的高安全性自动送钻系统设计裴斐中石油大庆油田有限责任公司钻井工程技术研究院摘要：伊顿刹车是钻井作业屮的一种常用设备，随着可靠性以及安全性不断的提高，使得实现基于该设备的自动送钻系统成为可能。首先给岀了系统的框图，分成2大系统，即安全监视系统以及送钻控制系统，然后从环境安全因素以及地层安全因素入手，详细地介绍了组成安全监视系统各单元的作用以及所要实现的功能，并给出了合理的解决方案。接下来对系统的核心一一送钻控制系统进行了描述，该系统同样根据各自的功能分成相应的单元。然后详细介绍了各单元的结构以及工作流程，即主体外部结构采用吊联调压，内部结构采用并联手自动切换，基本的控制方式采用

2、模糊自适应PID控制。经过现场一年使用反馈证明，该系统能够实现高安全性自动送钻，并取得了满意的效果。关键词：伊顿刹车;安全监视;送钻控制；吊联调压;于自动切换;模糊自适应PID;作者简介：裴斐（1982-），男（汉族），黑龙江大庆人，工程师，现从事旋转导向控制技术的研究工作。收稿日期:2017-04-24Received：2017-04-24伊顿刹车是气推水冷盘式刹车装置，它安装在滚筒轴的一端或两端皿，通常作为一种重要的辅助刹车手段，目前在国内各型钻机上应用最为广泛。与其它刹车形式相比，具有操作方便、刹车安全、维修简单等优点，不但实现了司钻远程控制绞车刹车，而且改善了司钻的工作环境，减轻

3、了司钻的劳动强度及1，这也使得实现基于伊顿刹车的自动送钻系统具有重要意义。根据控制对彖不同，自动送钻可以分成主电机自动送钻、辅助电机自动送钻、液压盘式刹车自动送钻以及本文所提出的伊顿刹车自动送钻。无论哪种方式均面临着比较高的安全风险，其中包括自动化系统本身的风险、钻井现场环境风险以及一部分地层风险。木文首先从整体上阐述了自动送钻系统的主要组成部分以及基本原理，然后结合伊顿刹车的自身特点给岀了这种自动送钻的工作方式，最后着重从如何提高送钻安全性的角度详细描述了该系统的实现流程。1系统组成区别于以往独立的自动送钻系统，为了提高自动送钻过程屮的安全性，如图1所示，本文所述自动送钻系统由2大系统

4、组成，分别是安全监视系统以及送钻控制系统。其中安全监视系统主要实现对环境风险以及地层风险的监视，为自动送钻提供一个安全的运行环境。而送钻控制系统能够对自身的状态进行检测，在安全的前提下实现双闭环自动送钻。图1系统组成框图下载原图2安全监视系统下面主要从安全的角度对安全监控系统各组成单元的主要功能进行简要描述。2.1钻井工况监视单元该单元使送钻系统能够自动识别当前工况，并且只有在工况允许的情况下才能够使能自动送钻，或者在送钻过程中当工况不允许能够自动切除自动送钻模式。钻井工况包括:起钻、下钻、接单根进行屮、接单根完成、划眼、倒划眼、钻头提离井底、钻头接触井底、钻进等。并不是所有工况都适合自

5、动送钻，例如在划眼工况中就不允许使用自动送钻。为了识别这些状态，该单元集成了部分钻井仪表的功能，能够至少获得立管压力或泵压、钻压、悬重以及游钩位置等参数，并口通过上位机程序进行过程分析得岀当前工况。这里，悬重参数是恒压自动送钻系统中的一项关键参数。2.2起升系统监视单元该单元主要实现对游钩运行情况的监视，其中包括游钩当前时刻的位置、速度以及加速度。通过这些参数，自动送钻控制器能够实现速度闭环、钻头振动消除、送钻低位自动切除等安全功能。为了保证送钻过程屮的安全性，要求该单元对游钩运行的测量具有高精度、高实时性以及高可靠性等特点，这对于该单元的信号采集以及运算速度有着很高的要求。一般情况下，

6、采用安装在绞车滚筒轴上的编码器实现游钩位置的间接测量,然后把位置转换成速度以及加速度，这种间接测量方式实时性很低，有比较大的滞后，并且在使用时一直存在一些弊端。本文所设计的自动送钻系统采用大庆万和科技公司所设计的专利产品一一非接触快轮传感器，如图2所示。图2非接触快轮传感器下载原图该传感器仅需安装在快轮附近，通过感应快轮旋转时表面金属特征量的变化进而直接测量出快轮旋转的累积位置计数值、角速度以及角加速度，同时该传感器还能够提供快轮轴向振动系数，为判断快轮的寿命提供了重要依据。由于快轮与游钩的位置具有严格的线性对应关系，所以能够直接测量岀快轮的位置、速度以及加速度，用户不需要对数据进行二次

7、处理，响应时间在2ms以内，能够满足对游钩运行的高精密监视。2.3循环系统监视单元循环系统正常运行也是自动送钻安全运行的前提。钻机循环系统包括泥浆泵、泥浆罐以及各种管汇。该监视单元主要实现了对泥浆泵以及泥浆罐的监视。其中对于泥浆泵的监视主要包含泵压、泵冲、泵振动特性。只有当以上参数在送钻控制器的允许范围内能够开启自动送钻，否则切除自动送钻运行或禁止自动开启。同样，对于泥浆罐的监视包含泥浆液位、密度以及温度监视。通常情况下，需要采用3