直驱电动机自动送钻技术研究_杨琦.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER直驱电动机自动送钻技术研究杨琦1，何明泽1，贺运航1，陈维刚2，马宇宙1（1.西安宝美电气工业有限公司，西安 710065；2.中石化江汉石油工程有限公司，武汉 430074）表1PLC配置元件名称元件参数数量CPU模块6ES7 513-1AL00-0AB02DIN导轨6ES7 590-1AE80-0AA02存储卡6ES7 954-8LE02-0AA0232点数字输入模块6ES7 521-1BL00-0AB0416点数字输出模块6ES7 522-1BH00-0AB02前连接器(40针)6ES7 592-1AM00-0AA06触摸屏6AV2 124-0QC02-0AX02IM 155-6 PN ST6ES7 155-6AU00-0BN02DI 1624V DC ST6ES7 131-6BH00-0BA04DQ 1624V DC/0.5A ST6ES7 132-6BH00-0BA02AI 4U/I 2-wire ST6ES7 134-6HD00-0BA18BA 2RJ45总线适配器6ES7155-6AA00-0BN02基座单元BU15-P16+A0+2D6ES7193-6BP00-0DA04基座单元BU15-P16+A0+2B6ES7193-6BP00-0BA0100引言目前国内外所应用的自动送钻技术1主要是通过自动送钻电动机和传动箱来实现，控制方式大致可分为3种：恒钻速自动送钻、恒钻压自动送钻、恒泵压2自动送钻。在直流驱动的控制系统中，也有采用控制盘刹3-4控制钻具下放速度，从而控制钻压实现恒压自动送钻。直驱绞车取消了传动箱的设计，采用电动机直接驱动滚筒，对电动机转速精度的控制要求比非直驱系统更高，控制难度更大。本文重点介绍直驱绞车自动送钻功能。1工作原理直驱绞车自动送钻以软件PID为核心，采用PLC软件PID控制技术，利用变频技术实现速度闭环，利用软件PID实现各信号控制闭环，在此双闭环的控制作用下，使绞车电动机送钻控制更加稳定。由于采用的是软件PID控制技术，控制参数可以在触摸屏上实时修改，从而能够很好地适应不同的地层环境。通过速度闭环与各信号闭环的双闭环形式完成控制功能，在信号的处理上，又采用加权滤波的方法，使信号更加稳定，PID控制参数可以通过触摸屏实时在线修改，并能够立即传回参数修改后的应用效果，从而使得直驱绞车自动送钻能够适应任何复杂的地质结构，取得良好的送钻效果。另外，由于采用的是软件PID，所以与驱动装置变频器无关，任何变频器都可以作为电动机的控制源，甚至可以采用直流驱动。1.1主要技术参数恒钻压参数设置范围为0500 kN（通常设置在100300 kN之间）；恒钻压送钻时稳态钻压准确度小于2.5 kN；主电动机送钻速度控制范围为1100 m/h；1.2硬件组成PLC配置如表1所示。驱动器配置如表2所示。摘要：针对钻机主电动机自动送钻过程中存在的复杂问题，结合直驱绞车的工作特点，设计了4种自动送钻控制方式。通过理论分析和现场试验之间的对比，证明试验效果和理论分析比较吻合，进一步丰富和完善了自动送钻的控制方式。关键词：石油钻机；直驱绞车；自动送钻中图分类号:TE 928文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08014804Research on Automatic Drill Technology of Direct Drive MotorYANG Qi1,HE Mingze1,HE Yunhang1,CHEN Weigang2,MA Yuzhou1(1.BomayElectric Industries Co.,Ltd.,Xian 710065,China;2.SINOPECJianghan PetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan 430074,China)Abstract:Combined with the working characteristics of the direct drive winch,this paper analyzes the complex problemsexisting in the process of automatic drilling of the main motor of the drilling rig,and designs four kinds of automaticdrilling control modes.Through theoretical analysis and field test,the results show that the test effect is more consistentwith the theoretical analysis,which further enriches and improves the control mode of automatic drilling.Keywords:oil drilling rig;direct driving drawworks;automatic drilling图1直驱绞车自动送钻模型图图2自动送钻PID调节参数画面148机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER自动送钻系统由以下硬件组成：直驱绞车变频电动机、编码器、直驱绞车电动机变频器、PLC（PLC1500）、触摸屏、钩载传感变送器及连接电缆等，系统还可以配备立管压力传感器和转盘转矩传感器（如图3）。1.3PID运算逻辑PID运算逻辑图如图4所示。在PLC系统中通过该逻辑运算实现自动送钻的自动调节，直驱电动机自动送钻的优势在于：由于没有齿轮箱，电动机速度和滚筒速度同步改变，速度的调节可以迅速地响应，控制精度高；而对于带有齿轮箱的小电动机或者主电动机自动送钻，电动机改变速度时，还需经过齿轮箱的传导，往往有时在不同地层的送钻过程中，造成实际钻压值与给定值不一致的情况。与小电动机自动送钻或带有齿轮箱的主电动机自动送钻相比，由于直驱电动机自动送钻没有齿轮箱并且不用挡位，给今后的维护带来极大的方便，并且不用考虑电动机的离合是否脱挡。而小电动机或主电动机自动送钻带有齿轮箱，并且需要离合的控制，不管是在气路还是程序的设计上都要考虑离合是否挂上，并且有脱挡的风险，存在一定的安全隐患。在操作上，小电动机自动送钻完成后，绞车起升时，需要切换到主电动机，这包括一系列的气路控制，比较繁琐，而直驱主电动机自动送钻完全不用考虑这些，当送钻完成后，可直接通过速度手柄对绞车速度进行控制，快速地提升或下放。2直驱绞车自动送钻功能描述2.1恒速送钻恒速上提功能执行上提钻具功能。恒速下放功能是在钻井过程中，使钻具速度保持恒定，在恒速送钻模式中，需要设定钻压、立管压力及转矩的限定值，当钻压、立管压力及转矩的实际值超过它们的限定值时，速度减半送钻（如图5、图6）。2.2恒钻压送钻恒钻压自动送钻是在钻井过程中，将钻压作为被控对象，使钻具钻压保持恒定，并根据当前的钻压大小，自动调节送钻速度的钻井过程。在恒钻压送钻模式中，需要设定立管压力、转矩及速度的限定值，当立管压力、转矩及速度的实际值超过它们的限定值时，速度减半送钻（如图7）。2.3恒泵压送钻恒泵压自动送钻是在钻井过程中，将泵压作为被控表2驱动器配置系统元件名称元件参数数量自动送钻PM3406SL3210-1SE31-1UA01CU320-2PN6SL3040-1MA01-0AA01CUA316SL3040-0PA00-0AA11CF6SL3054-0EG00-1BA01SMC306SL3055-0AA00-5CA11图3自动送钻系统连接图图4PID运算逻辑图图6恒速下放图5恒速上提149机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER对象，使钻具泵压保持恒定，并根据当前的泵压大小，自动调节送钻速度的钻井过程。在恒泵压送钻模式中，需要设定钻压、立管压力及转矩的限定值，当钻压、立管压力及转矩的实际值超过它们的限定值时，速度减半送钻（如图8）。2.4恒转矩送钻恒转矩5自动送钻是在钻井过程中，将转盘（或顶驱）的转矩作为被控对象，使转矩保持恒定，并根据当前的转矩大小，自动调节送钻速度的钻井过程。在恒转矩送钻时，可以选择转盘（或顶驱）恒转矩送钻模式。在恒转矩送钻模式中，需要设定钻压、立管压力及速度的限定值，当钻压、立管压力及速度的实际值超过它们的限定值时，速度减半送钻（如图9）。3自动送钻的方法研究现有的自动送钻已广泛应用于国内外各大油田，但由于采用的是恒压送钻技术，有一定的局限性，因为钻压本应是钻具对地层的真实压力，但由于钻压是通过采集悬重信号而得出的衍生参数，井壁的摩擦势必影响钻压的真实性，尤其是水平井井壁的摩擦，更影响恒压送钻。因此恒钻压自动送钻在水平井的应用中有其一定的局限性。恒泵压自动送钻与恒钻压自动送钻原理相似，控制对象由钻压改为泥浆泵的泵压，通过控制泵压实现自动送钻。恒泵压自动送钻目前只在国外有少许的应用，国内尚处于研究阶段，原因是恒泵压自动送钻的控制对象是泵压，保持泵压的稳定性使其控制结果，但泵压受诸多因素的影响，特别是当几台泥浆泵同时工作时，如果没有软泵控制，必然存在波峰与波谷的情况，从而使得泵压本身有波动，影响恒泵压自动送钻，为了使用恒泵压自动送钻，必须采用软泵控制。恒转矩自动送钻就是将顶驱或转盘的转矩作为控制对象实现自动送钻功能，理论上恒转矩自动送钻是完全能够实现的，但实际上转矩的控制是难以实现的，因为转矩的大小与地层及所使用的钻头关系很大，牙轮钻头不容易被卡住，钻压也必须足够大，而且送钻速度相对慢，恒转矩比较容易控制，但PPC钻头就不一样了，当采用PPC钻头时，钻压一般不能加得太大，否则容易造成堵转，此时的转矩控制就不太容易，从而给恒转矩自动送钻带来一定的困难。用单一对象作为控制对象都有其一定的局限性，我们采用以恒泵压控制为主、其他控制为辅的综合自动送钻，是一种好的自动送钻方案。综合自动送钻的原理是在以软泵控制的基础上，控制泵压，以泵压的变化量作为速度给定，从而控制钻进速度，将钻压和转盘/顶驱的转矩作为限制值，如果采用的是转盘打钻还可以同时采用软转矩控制，从而实现恒泵压基础上的综合自动送钻，综合自动送钻将更加适用于定向井及水平井的钻井作业。4油田应用情况现阶段直驱绞车已在渤海钻探、川庆钻探、中原油田等各大油田得到广泛应用，直驱绞车自动送钻系统的众多控制方式通过现场使用和后续的不断完善，已经满足各种钻井工况的要求，直驱绞车自动送钻系统减轻了司钻的劳动强度、提高了钻井的安全性、提高了生产率，为用户节约了成本，带来经济效益。5结论通过油田现场试验结果表明，直驱绞车自动送钻控制系统的几种控制方式可满足恒压、恒速、恒转矩、恒进尺的工况要求，适用于直驱绞车控制系统。图8恒泵压送钻图7恒钻压送钻图9恒转矩送钻（下转第153页）150机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER（上接第150页）参考文献1张新旭,赵敏.自动送钻技术研究进展J.石油矿场机械,2010,39(11):84-86.2张连山.美国新型电子自动送钻装置J.石油机械,2003(2):53-55.3史玉升,张嗣伟,樊启蕴,等.钻机盘式刹车自动送钻微机控制方法的研究J.石油矿场机械,1999(1):37-40.4史玉升.盘式刹车自动送钻技术J.石油机械,1999(4):51-53.5牛军,商义叶,赵磊.直接转矩控制钻机绞车驱动系统研究J.科技视界,2012(32):131,141.（编辑马忠臣）作者简介：杨琦（1982），男，本科，助理工程师，主要从事石油天然气钻采设备电控系统、电化学储能方面的工作。收稿日期：2022-08-05N120 Y-20；N130 X20；N140 Y-8；N150 X17；N160 G02 Y8 R8；N170 G01 X20；N180 Y20；N190 X0；N200 G03 X-10 Y10 R10；N210 G40 G01 X0 Y0；N220 G00 Z50；N230 M05；N240 M30；设定刀具补偿值等于刀具半径3（FANUC系统输入直径6），仿真加工结果如图8（b）所示，但将程序输入到机床设定好补偿值后，校验时就过切报警了。原因是程序中有直线移动距离等于刀具半径（即刀补值），例如N150到N170程序段。这种情况比较特殊，在一体化教学和学习实践中，常备刀具为8、6、4立铣刀，为编程简单，学生大多会直接选用6的刀具，以为只需要将R3的圆角处理为直线编程就可以了，却忽略了一个问题：这样处理轮廓，虽然没有了小圆弧，但却产生了小线段，或是产生了刀补干涉。最好的解决方案应该是选择直径比6小的刀具，按照轮廓来进行编程。当然对于这个零件来说，R3只是圆角，要求并不高，也可以仍然按照前面的程序执行，只需要将刀补值略减小一点，例如2.98。考虑刀具有磨损，这不失为一个高效的解决方案。3.3沟槽底部移动量小于刀补值这种情况也多发生于增大刀具补偿值来铣削余量的过程中。在分析零件时，自然会根据沟槽大小来选择合适的刀具，这是比较容易注意到的。但为了简化编程，常采用增大刀补值的方法来铣削余量，如前面图7所举示例，分析的是切入切出圆弧半径的问题，似乎只需要增大切入切出圆弧半径即可解决，或干脆法向进/退刀，对于铣削余量完全是可行的。如图9所示，依次采用刀补值为9.0、6.0、3.5进行内腔铣削去余量，最后用D01=3刀具半径进行轮廓精加工，看似很完美，但实际是不能实现的，图9（a）中出现了刀具实际路径与编程路径反向的现象，其实相当于用大于沟槽底部的刀具加工了，机床会出现报警，停止执行。4结语为避免出现过切现象，应做到：1）切入工件前建立刀补，切出工件后取消刀补，并尽量使刀补启动偏置夹角大于180；2）建立和取消刀补应在补偿面内有大于刀具半径的移动量；3）刀具半径应小于轮廓最小内凹圆弧半径；4）增大刀补值铣削余量时其值不能超过内凹圆弧、台阶、沟槽的大小。注意到了这些问题，在数控铣削手工编程中，充分应用刀具半径补偿功能，使编程、校验、加工简捷和高效。参考文献1周天武,杨慧丽.型腔加工中刀具半径补偿功能运用的常见错误及对策J.机械工程师,2011(9):83-84.2成亚萍,林宇辉.数控铣削过程中过切现象原因分析及解决方法J.模具制造,2018,18(10):67-70.3郭爱国.数控铣削加工中两种加工误差问题的分析J.金属加工（冷加工）,2012(6):70-71.4王吉连，王吉庆.数控铣削编程与加工M.北京:外语教学与研究出版社,2018:134-136.5吴世萍.数控铣削加工中过切现象的研究与控制J.科技风,2018(12):130,136.（编辑马忠臣）作者简介：张玲（1970），女，学士，讲师，主要研究方向为机械制造及其自动化；焦红卫（1975），男，硕士研究生，副教授，高级工程师，主要研究方向为机械制造及其自动化。收稿日期：2022-09-07（a）（b）（c）（d）图9增大刀补值铣削余量（a）零件图（b）仿真加工图图8内轮廓零件6040348R32R814060153