石油钻机恒钻压自动送钻系统研究

摘要

自动送钻系统是根据石油钻机钻井工艺要求而开发的一种新型的控制系统。使用自动送钻系统不仅能够降低司钻工人的劳动强度，而且还可以提高钻井速度、降低钻井成本。但是，不同的控制器和刹车执行机构对送钻安全性的保障程度和对打井质量的影响是不同的。因此，选用较好的控制方式和合适的刹车机构是提高自动送钻系统控制性能的有效途径。 目前，自动送钻系统有以下两种：一种是基于盘式刹车的自动送钻系统，即通过控制盘式刹车的刹车力，来维持钻头处的钻压基本恒定，实现恒钻压钻进；另外一种是蜗轮蜗杆机构，即通过变频器和变频电机，来实现自动送钻。前者由于盘式刹车多个刹车片的同步性和动作灵敏性，使刹车力难以控制，直接影响自动送钻系统的性能，而后者需要增加新的设备，使用受到限制。 本文论述了一种伊顿刹车恒钻压自动送钻系统，即以伊顿刹车作为执行机构，取代盘式刹车，在PLC中通过软件编程来实现PID调节，使钻压基本维持恒定，实现恒钻压钻进。其中，伊顿刹车是一种气控水冷型的新型刹车系统，通过比例压力阀输入电流的大小线性成比例地控制刹车机构大小气缸的压力，即刹车力，以维持钻进过程中钻压的恒定。此外，该刹车机构还具有压力监控和全压力提供功能，这使自动送钻不仅在钻进过程中能维持钻压恒定，而且在紧急情况下能够迅速制支停车，保证安全生产。而PLC作为微机控制器，其主要任务是：在PLC中通过软件编程来实现PID调节，使钻压基本维持恒定，实现恒钻压钻进。 本文首先对原有盘式刹车自动送钻控制系统进行了详细的理论分析，指出其存在的问题和不足，提出利用微机作为控制器的必要性；然后根据伊顿刹车的控制原理和PLC模拟量控制方式，设计出伊顿刹车恒钻压自动送钻系统的原理框图、硬件组成、控制电路和PLC程序，使钻压调节、安全监控、无扰切换均由PLC来完成，并使系统在送钻过程中能够保持钻压恒定。另外，当游车超过安全区域时，系统自动控制游车减速和软停，有效地防止溜钻、卡钻、游车上碰下砸事故的发生，保障安全生产，降低总的钻井成本、提高钻井速度。为了验证该控制方法的正确性和可行性，对伊顿刹车自动送钻系统和盘式刹车自动送钻系统在现场运行时的钻压进行了实际测量，从实测波形可以看出，该自动送钻系统送钻过程平稳、钻压波动相对于盘式刹车自动送钻系统降低了很多。由此可知，本文所论述的控制方案是可行的，达到了预期的控制效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本论文研究的内容

第2章盘式刹车恒钻压自动送钻系统

2.1概述

2.2盘式刹车恒钻压自动送钻系统结构组成和工作原理

2.2.1恒钻压控制及早期单闭环自动送钻系统的工作原理

2.2.2盘式刹车恒钻压自动送钻系统工作原理及其存在的问题

2.3微机控制的自动送钻系统的提出

2.3.1微机控制的自动送钻系统的基本原理

2.3.2 PLC控制的自动送钻系统结构设计思路

2.4小结

第3章伊顿刹车恒钻压自动送钻系统的硬件设计

3.1概述

3.2伊顿刹车系统的结构组成和工作原理

3.2.1伊顿刹车系统的结构组成

3.2.2伊顿刹车系统的基本工作原理

3.3伊顿刹车恒钻压自动送钻系统原理结构的设计和钻压观测方法

3.3.1伊顿刹车恒钻压自动送钻系统原理结构的设计

3.3.2钻压观测方法

3.4PLC模拟量闭环控制系统及连续PID控制模块SFB41原理分析

3.4.1 PLC模拟量闭环控制系统的工作原理

3.4.2 PLC的连续PID控制模块SFB41的基本原理

3.5伊顿刹车恒钻压自动送钻控制系统的总体设计

3.6伊顿刹车恒钻压自动送钻系统控制电路的设计

3.6.1PLC控制电路的设计

3.6.2伊顿刹车自动送钻系统手动与自动间无扰切换的控制电路

3.7伊顿刹车恒钻压自动送钻系统的PLC选型和资源配置

3.7.1PLC选型及自动送钻控制系统的硬件组

3.7.2数字量和模拟量输入输出地址的定义

3.7.3光电编码器的配置

3.8小结

第4章伊顿刹车自动送钻控制系统的软件设计

4.1概述

4.2伊顿刹车恒钻压自动送钻控制系统的基本程序流程

4.3伊顿刹车恒钻压自动送钻控制系统的PLC程序设计

4.3.1伊顿刹车恒钻压自动送钻控制系统的程序结构

4.3.2功能块程序的生成

4.3.3功能块的调用

4.4小结

第5章实验结果及其分析

5.1概述

5.2实测波形

5.2.1盘刹自动送钻方式-钻压实测结果

5.2.2伊顿刹车自动送钻方式-钻压实测信号

5.3结果分析

结论

致谢

参考文献

附录