陆地钻机

2024-10-29

陆地钻机（共3篇）

陆地钻机篇1

0 引言

大钩是陆地石油钻机配套的设备,主要用于油田深、浅钻井作业中的提升和下放管柱的工具,是钻井作业中必不可少的起重设备。由于钻杆很重,即大钩的负荷很重,若不控制大钩的高度,向上可能会撞坏石油钻机天车,向下可能会砸坏转盘,造成不能生产。因此,确保大钩的高度在一定范围内的意义重大。之前的石油钻机会在绞车上装一个过卷阀,大钩向上保证不会碰天车,但不能保证下砸,功能不齐全,并且精度差,容易误动作。本次设计完全根据大钩的位置来准确控制,让大钩在上碰点和下砸点之间运动,避免事故的发生。

设计采用的编码器是倍加福的增量型编码器RHI90N-OIAK1R61N-1024,此为高精度的编码器,并且在大钩上下运行多次来回后仍然能保持零位。因此,不用经常去校核零位。而国内的同类产品其精度相对较低,且在大钩上下运行后不能归零,这样来回次数多了就会产生累计误差。

本系统使用的S7-300是模块化小型PLC系统,主要面向制造工程的系统解决方案[1]。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200PLC相比较,S7-300PLC采用模块化结构,具备高速(0.6～0.1us)的指令运算速度;集成了方便的人机界面(HMI)服务,使得人机对话的编程要求大大减少;具备强大的通信功能,S7-300PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能,这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC具有多种不同的通信接口,如多点接口(MPI)集成在CPU中,用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATI C S7/M7/C7等自动化控制系统[2]。

1 总体设计

本系统通过对编码器数据的读取,将其转换为大钩的实际高度,实现对大钩高度的精确测量。并且根据测量的大钩实际高度与设定的大钩保护上行下行点进行对比,通过Siemens的PLC输出控制指令,控制司钻房气路电磁阀的动作从而控制盘式刹车做出相应的动作,达到保护大钩不超出设定范围的功能,其系统流程如图1所示。

本系统包括了硬件组态模块、逻辑判断模块等,如图2所示。

1) 硬件组态模块是指编辑人员根据项目实际情况编辑硬件组态。进行正确的编辑后,编译保存再执行下载。在线诊断可查看网络连接和设备的运行状态是否正确。另外在线时,如果编辑保存的组态与CPU中保存的内容不一致,则会给出提示。

2) 逻辑判断模块主要是判断经过转换后的大钩位置和设定的位置输出控制电磁阀,电磁阀动作盘刹刹车。

3) 设备控制模块的功能是满足输出条件,则由本系统给出指令控制相应的设备。如果通过反馈得知系统相关设备未执行输出,则重启输出或报警。

4) HMI(人机界面)显示则是通过触摸屏实时显示本系统所属各个设备的电气运行数据和状态,让操作人员随时掌握钻机设备的运行情况和数据,方便操作人员的操作和设备维护人员的诊断。

2 FM350计数模块

FM350-1是一款用于高速计数的单通道智能计数模板,可以连接源型、漏型以及推挽式接口的编码器,具有软件门和硬件门控制计数和测量,带比较值输出。可以在IMI53-1,IMI53-2,S7-300系统中使用。

2.1 硬件组态

在SIMATIC Manager中新建一个项目,双击“Hardware”进入硬件组态界面后按照所需模块进行硬件组态,如图3所示。插入FM350模块,进行FM350-1的参数配置,其参数配置图如图4所示。

其中Encoder是用来设置编码器类型的选择、最高计数频率等信息。确认完相关参数后,保存配置信息,在硬件组态窗口中下载系统的硬件组态到CPU。

2.2 程序编写

安装完组态包后,在Step7的库中添加库程序,在编程之前需要将库程序中的所有内容复制到项目中。对于FM350-1,使用UDT-2创建一个共享DB块。在DB1中,分别写入模块地址和通道地址。设置好OB1,FC2,DB1并下载到CPU中。创建一个背景数据块DB用于HMI显示用。

3 系统的组态与仿真

WinCC flexible 与 WinCC十分类似,都是组态软件,而前者基于触摸屏,后者基于工控机。本系统采用了WinCC flexible组态软件,它是一种前瞻性的面向机器的自动化概念的HMI软件,它具有舒适而高效的设计。WinCC flexible用于组态用户界面,建立的组态数据包括:1) 过程画面:用于显示过程。2) 变量:用于运行时在PLC和HMI设备之间传送数据。3) 报警:运行中发生故障时显示报警状态。4) 记录:用于保存过程值和报警[3]。图5为本系统的仿真图。

WinCC flexible支持多个不同自动化概念的组态。本次设计中HMI设备通过PROFIBUS总线与PLC连接[4]。在WinCC flexible中,与 SIMATIC Step 7 的集成,其过程标签提供了PLC和HMI系统之间的通讯链接。如果没有全集成自动化的优点,每个变量必须定义两次:一次用于PLC;一次用于HMI系统。SIMATIC Step 7 与组态用户界面中的集成将降低出错率并减少组态工作量。WinCC flexible通过变量和区域指针控制HMI和PLC之间的通迅。在WinCC flexible中,变量包括外部变量和内部变量。外部变量是HMI设备和PLC进行数据交换的媒介。在WinCC flexible中创建一个外部变量,必须为其指定与PLC程序中相同的地址,这样HMI设备和PLC可以访问同一映像寄存器,实现HMI设备与PLC之间的通信。

通常情况下,为了防止未经制授权的操作,需要通过用户管理设置安全系统。在WinCC flexible软件中,在运行系统管理里根据用户的需要定义包括操作、监视、管理等权限。

4 结语

本系统可对陆地石油钻机的大钩高度进行精确的测量,并且根据测量的大钩实际高度与设定的大钩保护的上碰下砸点进行对比,通过PLC输出控制指令,通过控制司钻房气路电磁阀的的动作控制盘式刹车达到保护大钩不超出设定范围的功能。从仿真的效果来看,达到了设计的目的。

摘要：大钩是钻井作业中必不可少的起重设备,它的安全运行至关重要。设计中将大钩的实际高度转换为编码器的计数再输入到PLC中,通过PLC的控制作用,使系统作出相应的动作,实现大钩运行在安全范围内,再采用WinCC flexible组态软件组态以及仿真。

关键词：可编程序控制器,保护系统,编码器,WinCC flexible

参考文献

[1]郁汉琪,等.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].广州:华南大学出版社,2003.6.

[2]西门子(中国)自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.8.

[3]刘华波,王雪,等.组态软件WinCC及其应用[M].北京:机械工业出版社,2009.7.

[4]崔坚,李佳.西门子工业网通信指南[M].北京:机械工业出版社,2005.

陆地钻机篇2

关键词：模块钻机,调试,配电方案,特殊电制

一、模块钻机主要用电设备

1.600V交流变频驱动设备

泥浆泵:配置数量, 2台。每台泥浆泵配置600k W交流变频电机2台。

钻井绞车:1台。配置800k W交流变频电机2台。

转盘:1台, 配置800k W交流变频电机1台。

顶驱:1台, 配置800k W交流变频电机1台。

由于是变频电机, 对供电频率的要求不高, 只需要在调试前对变频器进行设定即可。

2.480V60Hz用电设备

480V60Hz包括空压机、空调、风机、输送泵、振动筛、离心机以及上述600V设备的辅机, 由于电机的绕组特性, 此类设备不能直接接入50Hz电网, 否则会发生电机电流过大而烧坏电机的现象。

3.230V60Hz用电设备

主要是钻机的照明, 电机加热器以及一些控制回路, 此类设备通常可以接入230V50Hz电网。

4.115V60Hz用电设备

钻机的火气系统供电、CCTV、内部对讲系统及电控系统的控制回路, 跟230V60Hz设备一样, 基本可以不考虑电网频率的影响。

二、用电设备功率及调试工况

1. 用电设备功率要求

通过对正常钻井作业、高泵冲及高泵压作业、倒划眼作业及处理井下事故修井作业等四个工况的设备用电分析, 如果要进行全工况的模拟调试, 供电方案需要满足下列几个条件要求:

由于陆地调试和海上钻井作业存在钻井液不同 (淡水和泥浆的区别) , 以及陆地气候较海上稳定, 辅助设备启停较灵活等情况, 功率要求没有将电网损耗 (5%) 计算在内。

2. 调试工况

平台作业照明:利用模块钻机上的照明系统为钻机建造提供室内及夜晚照明, 不但方便各专业建造施工, 也可作为检验照明系统持久和稳定性的方法。

单机调试:设备安装完毕后, 在建造场地内对各系统内设备所具备的单机可测试功能进行检验的过程, 最终目的是达到模块钻机各系统功能联合试验所应具备的条件, 为接下来的陆地和海上联合调试工作奠定基础。在此单机调试期间, 设备的所有控制功能、显示功能及接口均应按调试大纲和产品操作手册的要求进行全面的测试, 并由业主、具有资质的认证单位以及产品的供货或合同方共同进行陆地完工确认。在单机测试结束后, 应由测试方对设备进行断电、清洁和保养, 为下一次设备的运行做准备。

陆地联合调试:在完成钻井设备、机械、动力、电气部分等设备单机调试后, 根据建造现场实际情况, 尽可能模拟模块钻机钻完井作业工况对关键设备进行带负荷联合运转检验。其目的是通过模拟钻完井作业可能的作业负荷对动力、水、电、高低压泥浆系统、钻井机械、排污系统等设备进行联合试验, 以检验这些设备处于良好的工作状态。这也是一次设备的磨合过程。

三、陆地建造场地配电系统及配电方案

陆丰132模块钻机建造场地的10.5k V, 380V, 230V电网终端遍布了整个建造场地。根据现在资源状况, 拟定了适合各工况调试的配电方案, 如下图所示:

四、配电方案实施

1. 平台作业照明情况下, 柴油发电机组不启动, 所有照明设备由场地230V岸电供应, 以达到节约成本的目的。

2.单机调试情况下, 所有600V, 480V设备均由柴油发电机提供电力, 实践证明, 1250k W的柴油发电机能提供足够的电力完成泥浆泵此类大型设备的调试。单机调试情况下, 通常不启用10.5k V的场地岸电, 避免投入人力去进行中压电的启用和看护。柴油发电机根据调试需要随时启动, 一定情况下节约了调试成本。

3.陆地联合调试需要采用多路供电, 600V变频设备主要由场地岸电通过降压变压器供给, 并且需要提前设置好变频器相关参数。480V60Hz用电设备必须由柴油发电机供给, 从发电机出来的600V60Hz电通过模块钻机自身配置的600V/480V变压器降压到480V60Hz供给480V用电设备使用。在这里, 230V设备用电也可以通过钻机自身配置的480V/230V变压器供给。此过程需要集中投入人力去看护中压配电, 柴油发电机组, 以适应持续的调试需要。

结束语

陆地钻机篇3

关键词：ZJ50/315LDB,小模块,钻机,结构设计

常规钻机一般都是尺寸和重量较大,适于平坦开阔地区进行钻井勘探。而对于山地、丘陵等复杂地区的油气藏,路道运输等环境条件成为制约油气藏勘探、开发的瓶颈。研制ZJ50/3150LDB小模块陆地电传动钻机,是了解国内外目前钻机生产水平,分析国内外轻便橇装钻机优劣,取长补短,提高国产钻机水平,缩短和国际钻机水平差距。

围绕新型山地丘陵等地区井钻机要解决的核心技术问题,在结构、驱动形式等方面进行重点攻关,力争技术研究达到国际先进水平。该钻机设计紧凑,模块化程度高,占地面积小,适用于窄小井场[1]。

1 技术分析

1.1 钻机结构组成

ZJ50/3150LDB钻机主要由动力系统、整体链条并车箱、绞车、转盘及传动箱、泥浆泵、井架、底座及控制系统等部分组成,如图1所示。

1.1.1 动力机组并车系统。

采用六轴整体链条并车装置,箱体为整体密封式结构,适合在风沙等外部恶劣环境下工作;各轴头全部采用机械迷宫式密封,确保密封无泄露,轴承和链条采用强制喷油润滑;链条箱底座内设有盘管,夏季可通冷却水降温,冬季可通蒸汽防冻和加温,确保设备安全运转。动力输入、输出端采用气胎离合器挂合装置,万向联传动轴连接方式,动力摘挂方便,拆卸、安装快捷。

1.1.2 绞车。

采用三轴内变速绞车,墙板式全密封结构,密封可靠;绞车采用2×(2+1)变速结构,使绞车滚筒轴具备4个正挡和2个倒挡;气胎离合器换挡;主刹车采用风冷式液压盘式刹车,辅助刹车采用风冷式电磁涡流刹车。中间轴端部加装自动送钻动力装置,可用于钻井工况时自动送钻、起放井架以及应急活动钻具。

注：1.钻机整体移动装置,2.泥浆泵,3.动力系统,4.整体链条并车箱,5.绞车,6.转盘链条箱,7.控制系统,8.转盘,9.井架，10.钻台底座。

1.1.3 转盘及驱动系统。

ZP375转盘采用独立驱动方式,一台600kW交流变频电机,通过万向轴、二挡齿轮减速箱驱动转盘,并与钻台面平齐。整个装置为一个运输单元,方便安装和搬家运输。带转盘惯刹,设置电磁阀防止转盘倒转和过扭矩保护。

1.1.4 井架及钻台底座。

井架高度45m为前开口式K型井架,共分为5段,段与段之间用销轴连接;采用低位安装,利用绞车动力整体起升方式;满足28m立根的作业要求,适合顶部驱动装置的安装。

钻台面高9m,旋升式结构。钻台下部装泥浆收集装置,保证钻台面上的污水等脏物不得落地,能集中回收。钻台底座为3层,模块与模块之间采用销轴连接,安装拆卸方便快捷。钻机各模块高度集装化,具有良好的操作性能、安装移运性能和环境适应性能[2,3]。

1.2 主要技术参数

①名义钻深4-1/2'(114mm钻杆),3 500～5 000m;②最大钩载,3 150kN;③绞车额定的功率,1 l00kW(1 500 hp),档数4正2倒;④转盘型号及开口直径,ZP375φ952.5mm(37");⑤泥浆泵,F-1 300×2台;⑥井架型式及高度,K型45m,6×7绳系;⑦钻台高度9m;⑧柴油机,G12V190PZL-3/0,3台,功率810kW;⑨使用环境温度,-20～50℃[4]。

2 关键技术

2.1 绞车

在整个钻机部件中,绞车属于三超部件(超宽、超高、超重),传统的5 000m钻机用绞车一般宽度都大于3 100mm,满足不了在山区搬家运输的超限要求。

解决的办法是:①采用4正2倒档结构的外面气胎离合器变速的绞车,同时提高滚筒轴中心高,使绞车输入轴到滚筒轴之间的水平距离缩短;②把液压盘式刹车装置的工作钳上移到靠近钳架上固定座,让出工作钳在水平方向上占用的空间。通过以上两种方法,绞车宽度尺寸为2 700mm,高度尺寸为2 450mm,满足钻机搬迁运输要求。

2.2 钻台底座

常规5 000m钻机的钻台高度为7.5m,在高压油井地区钻井作业时,满足不了安装多组合的井口防喷器组的要求;高钻台安装工作,给工人的安全带来一定的危险;钻台基础底座、立根台、后台底座等长部件的外形尺寸过大,满足不了在山区、丘陵等搬家运输的超限要求。

解决的办法是:钻台设计高度9m,分为3层小模块,低位整体安装,利用绞车动力钻台整体旋升式结构。这即解决了钻台高度不足的问题,又解决了现场工人安装不便的问题。通过以上办法,钻台各部件外形尺寸(长×宽×高)都可控制在9 600mm×2 800mm×2 900mm以内,满足钻机搬家运输要求。

3 技术创新点

①绞车和泥浆泵采用液力+机械传动,转盘采用交流变频电驱动,结构简单,运行可靠,具有较高的性能价格比;②采用前开口型无绷绳分段井架,低位安装、用绞车动力低位整体起升,井架空间设计满足安装顶部驱动装置的要求,安装与运输方便;③采用旋升式钻台底座,各模块之间采用销轴连接,拆装运输快捷,各模块尺寸及重量适合山地、丘陵运输;④采用新型多轴内变速绞车,变速轴采用半轴式结构,使绞车结构简捷,便于维护保养,降低绞车重量。绞车采用气胎离合器变速,实现动力换挡。主刹车采用液压盘式刹车,辅助刹车采用电磁涡流刹车,设有自动送外及应急装置。

4 试验和应用情况

4.1 试验情况

4.1.1 载荷试验。

钻机大组装完成后,在试验厂进行载荷试验,试验最大载荷为3 150kN,钻机各部件符合API和石油行业标准的要求。

4.1.2 抗风能力。

试验是通过有限元分析进行的。模拟工况为无钩载,满立根,风速30.7m/s(结构及附件重力动载系数为1.1),0°、45°、90°正吹、斜吹、侧吹,在此工况下井架及钻台底座稳定性判别系数最大为0.982,安全。

4.1.3 整体链条并车箱、绞车、转盘变速箱及各齿轮箱运转试验。

各档位运转1h,各部位轴承温升小于40℃,最高温度小于80℃,运转平稳,无冲击性噪声和不均匀性响声,正常工况下噪声小于95dB。

4.1.4 液压盘式刹车试验。

刹车灵敏迅速,制动可靠,能够快速反应并刹住3 150kN的最大载荷。

4.2 应用情况

ZJ50/3150LDB钻机,2013年6月研制成功,从2014年9月开始在贵州西部山区作业。在使用过程中,钻机性能稳定,拆卸安装快捷、方便,用户反映良好。