机械水源钻机自动化升级的研究及应用.pdf

钻探工程Drilling Engineering第 50卷增刊2023年 9月Vol.50 Sup.Sep.2023：476-480机械水源钻机自动化升级的研究及应用杨联峰1，宋飞2（1.山西省第三地质工程勘察院有限公司，山西 晋中 030620；2.贝加尔（上海）智能有限公司，上海 201109）摘要：传统水源钻机的加压送钻等操作受到操作者经验的影响较大，工作环境和安全条件也较差。为更好地满足中深层地热井施工的需求，对现有一台 TSJ-3000型水源钻机进行了自动化升级改造。增加了司钻房；运用伺服控制系统，实现触感式摇杆提钻下钻功能和自动恒压送钻功能；采用自动传感式换挡模组，在司钻房内实现快速换挡、变速，使司钻房远离钻机转盘；采用工控屏触摸方式集成现场主要电柜控制器；实现了自动化和手动操作两个独立的操作系统。现场试验和应用表明，自动化升级后钻机运转参数能够实时监控和集中显示，为判断、预防井内事故提供科学依据；能满足 3000 m 水源钻机钻具悬重 800 kN 条件下的提、下钻工况需求，钻进效率比改造前提高了 61%；降低了劳动强度，改善了操作环境。本项目顺应了钻探设备自动化、数字化、智能化发展趋势，具有良好的应用前景。关键词：机械水源钻机；自动化升级；人机交互；智能司钻；司钻房；中深层地热井中图分类号：P634.3;TE92文献标识码：A 文章编号：2096-9686（2023）S1-0476-05Research and application of automatic upgrading of mechanical water well drilling rigYANG Lianfeng1，SONG Fei2(1.Shanxi Third Geological Engineering Investigation Institute,Jinzhong Shanxi 030620,China；2.Baikal(Shanghai)Intelligent Co.,Ltd.,Shanghai 201109,China)Abstract：The operation of traditional water well drilling rig，such as pressure drilling，is greatly influenced by the operator s experience，and the working environment and safety conditions are also poor.An TSJ-3000 water well drilling rig has been upgraded automatically to better meet the needs of the construction of middledeep geothermal wells.The original equipment is not changed，and the driller s room is added；The servo control system is used to realize the function of lifting and lowering the drill by the touch rocker and the function of automatic constant pressure drilling.Adopt automatic sensing shift module to realize quick shift and speed change in the driller s room，so that the driller s room is far away from the rig turntable；Using industrial control screen touch mode to integrate the main electric cabinet controller on site；Two independent operating systems，automation and manual operation，are realized.The field test and application show that the operation parameters of the drilling rig can be monitored and displayed in real time after the automation upgrade，which provides scientific basis for judging and preventing accidents in the hole.It can meet the requirements of lifting and tripping under the condition that the drilling tool of 3000 m water source drilling rig has a hanging weight of 800kN，and the drilling efficiency is 61%higher than that before the transformation.The labor intensity is reduced and the operating environment is improved.This project conforms to the development trend of automation，digitalization and intelligence of drilling equipment，and has a good application prospect.Key words：mechanical water well drilling rig;automated upgrade;manmachine interaction;intelligent driller;driller room;middledeep geothermal well收稿日期：2023-03-29DOI：10.12143/j.ztgc.2023.S1.077第一作者：杨联峰，男，汉族，1968年生，副总经理，高级工程师，探矿工程专业，主要从事水文水井、地热井、旋挖钻孔等钻进工艺的技术研究与管理工作，山西省晋中市榆次区大学街三勘院，。引用格式：杨联峰，宋飞.机械水源钻机自动化升级的研究及应用 J.钻探工程，2023，50（S1）：476-480.YANG Lianfeng，SONG Fei.Research and application of automatic upgrading of mechanical water well drilling rig J.Drilling Engineering，2023，50（S1）：476-480.第 50卷增刊杨联峰等：机械水源钻机自动化升级的研究及应用0引言传统的机械水源钻机自 20 世纪 90 年代研制成功以来，经过长期实践应用和不断改进，结构性能已趋合理完善，具有结构紧凑、传动可靠、价格便宜、操作维护方便等优点。目前主要型号有 TSJ-1000、TSJ-2000、TSJ-2600、TSJ-3000 型，是我国中深层水井、地热井施工的主要机型，市场保有量大，工人操作熟悉程度高1-4。目前国内钻深 3000 m 以上型号的钻机都在向电动化方向发展，自动化程度高，钻井效率高；但钻深2 cm 时（设定值可调），系统会停止送钻并自动启动紧急刹车，声音报警，为现场操作人员提供异常处理判断。（5）游动滑车配备上碰下砸硬件监测。为防止游车冲顶和碰撞钻台面，在绞车位置设计安装编码器以及行程限位器双重限位保护，游车下降距离钻台面 2 m 范围内，摇杆手柄设计阶段性缓冲，避免瞬间停顿而造成缓冲阻力过大。（6）配备独立双刹车功能。双系统独立保护刹车，互不干涉，自动钻进作业、摇杆下钻作业、提升作业、手动作业、意外断电、程序系统瘫痪、硬件故障等任何异常，在不受任何的干涉、条件制约危险情况之下，即可启动紧急刹车功能。（7）配备井深测量装置。通过旋转编码器计算钻进位移，加接钻杆前游车钩位为 H1时，钻杆长度图 3控制平台图 4钻井操作界面图 5自动感应式换挡系统478第 50卷增刊杨联峰等：机械水源钻机自动化升级的研究及应用为 I（人工测量），当游车钩位为 H1+I时开始累积钻进深度，起钻停止记录。1.3.3工控系统电路设计工控系统采用 19 in 工业触摸屏（见图 6），通过人性化界面设计布局，实现对钻机、泥浆泵、空压机、液压站、渣浆泵、混料泵、搅拌机、潜水泵、振动筛、泥浆分离器等井场设备的控制及运行状态显示。1.3.4伺服电机、驱动配置方案伺服驱动器、折叠式伺服电缸作为核心传动部件，采用进口伺服电机，高速、高频度、高定位伺服电机能够精准化尺寸控制，经齿轮传动输出 4 kN 推力，往复伸缩速度可达 1000 mm/s，能够快速执行PLC 程序下达的指令，如图 7 所示。为防止意外断电出现滑钻，伺服系统配备了 UPS 不间断电源供电，断电时自动启动并执行刹车。1.3.5摇杆重力感应技术方案采用重力感应摇杆操作，收集伺服系统传动重力，双重交互信号采集，经过磁阻机构无极调速，从而达到触感式摇杆控制，推力越小伺服电机移动速度越慢，推力越大移动速度越快，从而达到精准化提、下钻功能。重力感应摇杆如图 8所示。1.3.6扩音功能因操作室隔音密闭，现场施工环境噪声太大，为便于互通，在控制室设计了大功率功放机、语音接收器系统。2升级后钻机的主要特点（1）在原钻机的基础上进行升级改造，对原钻机没有进行总体结构改变，保留了原钻机手把操作系统，实现了自动化操作和手把操作两套独立操作系统。（2）新研制的伺服控制系统，实现了触碰式重力感应摇杆提下钻、自动送钻、提下钻防卡钻保护等功能，大幅降低了工人劳动强度，有效避免了提下钻过程中卡钻事故的发生。（3）独立的司钻房设计，操作集中，设计更人性化，工作环境更舒适，劳动强度低，作业环境得到极大改善。（4）现场设备的电控柜模块化集成到司钻房内，便于移动搬迁。设备控制平台作为核心主控制中心，赋予有科技元素设计感，人机交互式界面，集成现 场主要工控电源，触摸界面动态设计，相较于按键式稳定性更强，机动性灵活。（5）触碰式重力感应摇杆系统，控制精度高、力矩恒定、响应快速、将微距离位移量化，人体手感可控，推力感阻力可调。（6）自动感应式换挡，将传统人力转换为自动感应换挡，自动检测卡槽位置，将控制开关引入到司钻房操作平台工控系统中，使司钻房远离机台，扩大了视野范围，提升了作业场地的安全性。（7）控制系统开发的双独立刹车保护、钻杆防抱死保护、超距离滑钻保护、游动滑车上碰下砸保护、旁路刹车 UPS 断电保护等自主保护功能来抵御不可控的因素，保证钻井施工的安全。3试验与应用3.1提下钻额定荷载试验TSJ-3000型水源钻机自动化改造升级完成后，图 8重力感应摇杆图 6工控系统触摸屏图 7伺服电机4792023年 9月钻探工程在山西原平大营地热资源勘查项目 GR1 井进行了提下钻额定荷载试验验证工作。原平大营地热资源勘查项目 GR1 井设计井深3060 m，实际完钻井深 4020 m，完钻口径 152 mm。自动化改造升级试验时，项目已经完钻，在进行抽水试验工作。抽水试验结束后，在井内重新下入 89 mm 石油钻杆 4000 m，钻具总悬重 860 kN，进行了提、下钻功能测试。测试结果表明，伺服控制系统和触碰式重力感应摇杆系统能够快速精准控制钻杆提、下钻的精度位移，刹车平稳、安全，完全能满足 3000 m 水源钻机，钻具悬重 800 kN 条件下的提、下钻工况需求，操作精准、平稳、安全。3.2现场应用在山西晋中小五台地热资源勘查项目进行了生产应用，图 9为施工现场。晋中小五台地热资源勘查项目，于 2021 年 10月 12 日开钻，2022 年 3 月 23 日完钻，历时 163 d，完钻 井 深 2510。采 用 四 开 井 身 结 构：一 开 井 径444.5 mm，井深 63.41 m；二开井径 393.7 mm，井深667.87 m；三开井径 311.1 mm，井深 1625.43 m；四开井径 215.9 mm，至完钻。取心进尺 97.06 m，岩心长度 89.55 m，岩心采取率 92.3%，钻井质量完全满足地质设计的要求。该井平均时效 1.53 m，与本文第一作者单位在附近施工过的同地层条件的百草坡房车营地地热井平均时效 0.95 m相比，钻进效率提高了 61%。在实钻过程中，TSJ-3000型水源钻机自动化升级改造综合性能得到了充分验证，钻机运转平稳，提下钻作业精准安全，自动送钻程序稳定，防护功能工作可靠，钻机运行和钻进参数显示准确，传统机械水源钻机施工中表现的不足得到了很好的解决。施工人员认为钻机通过自动化升级改造后，性能先进，操作简单且手感好，大大降低了劳动强度，改善了工作环境、安全性高；钻机运转参数和钻进参数能够实时监控和集中显示，为判断、预防井内事故提供了科学依据。同时，控制系统可在远程操控，发生故障后可以得到快速解决，消除了施工人员的顾虑。4结语探索和尝试应用电、气、数字化等现代工业信息技术对 TSJ-3000 型机械水源钻机进行自动化升级，既保留了原来的手动操作，又提升了钻机的自动化、数字化水平，性能安全可靠，能够满足中深水井、地热井钻探施工工艺的需要。将先进信息技术与传统钻探设备融合，进行功能创新，而且升级改造成本低，顺应了钻探设备向自动化、数字化、智能化方向发展的趋势，具有很好的应用前景。参考文献：1 朱本温，刘雅静，魏双会，等.在役海上模块钻机自动化升级方案设计 J.石油矿场机械，2022，51（5）：47-57.2 张虎山，周天明，乌买尔达吾提，等.7000 m 自动化钻机的研制与应用 J.机械制造，2022，60（7）：26-30.3 石文明.7000m 自动化钻机应用与建议 J.设备管理与维修，2022（3）：126-127.4 王天龙，马斌，董洪波.煤矿用自动化钻机远程监测系统研制J.煤田地质与勘探，2022，50（1）：80-85.5 张强，王定亚，邹涛，等.8000 m 四单根立柱自动化钻机研制J.石油矿场机械，2021，50（4）：66-70.6 柴喜元，谭颖，欧阳志强，等.机械传动立轴式岩心钻机自动化升级的研究及应用 J.地质装备，2021，22（3）：7-11.7 张立立，高迅.7000 米钻机自动化升级改造系统的研制及应用J.石化技术，2019，26（12）：232-236.8 孙长征，李进付，李海营，等.在役钻机管柱自动化升级改造技术与实践 J.西部探矿工程，2019，31（2）：48-52.9 倪沛增.管柱自动化处理系统在钻机改造升级中的应用 J.化工设计通讯，2017，43（6）：235.10 杨双业，于兴军，黄悦华，等.管柱自动化处理系统在钻机改造升级中的应用 J.机械工程师，2016（11）：154-156.11 颜菁菁.石油钻机自动化技术的问题及发现建议 J.中国石油石化，2016（S2）：2-4.12 李静.石油钻机自动化发展探讨 J.山东工业技术，2015（9）：79-80.（编辑李艺）图 9晋中小五台地热资源勘查项目工地480