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摘要：自动送钻是指钻机在正常钻进过程中，不依靠司钻调节，而是按钻井工艺要求，让送钻装置在实现在给定的条件下实现钻头的自动给进。自动送钻技术的使用可以显著地提高钻进速度，提高钻井质量，减轻石油工人的劳动强度，减少钻头的磨损，延迟钻头的使用寿命，降低钻井成本；同时它还可以作为应急钻井系统，保证在正常绞车变频系统及主电机出现故障的情况下活动钻具，防止井下事故发生的作用。自动送钻技术是钻井自动化主要发展方向之一。自动送钻可以分为恒钻速送钻和恒钻压送钻。以70DB模块钻机为例，对模块钻机所使用的自动送钻系统特点进行研究，为自动送钻系统的使用、维护及更新起到一定得指导性作用。
关键词：海洋石油；模块钻机；自动送钻；恒钻速；恒钻压
模块钻机（modularizeddrillingrig），海上石油固定平台模块钻机的简称，由钻井设备系统模块、钻井支持系统模块、散装罐模块、固井模块、测井模块和录井模块等组成，图一为典型70DB模块钻机总图。
钻井设备系统放置在海洋石油固定甲板上，由井架、底座、绞车、天车、游车、大钩、顶驱、转盘、水龙头、防喷器、司钻房和钻台设备等组成，实现钻井作业时提升和旋转功能的设备和结构。
图1典型70DB模块钻机总体图
自动送钻的原理
主电机自动送钻系统:
在钻进过程中，钻压变化信号通过死绳作用于压力变送器转换成电压信号，经过A/D
采样后模式传感器输出液压变化信号，液压变化信号再通过选择单元进行判断，正常范围内压力信号的采样值与钻压给定值进行比较运算，输出控制量通过D/A转换，将数字信号转换成模拟信号，再用该信号控制变频器调速单元，输出可变的频率电压信号来控制绞车主电机的转速。主电机转速的变化通过减速机构和绞车滚筒等传动装置最终控制大钩下放快慢，完成恒钻压闭环控制。如果由A/D采样后的钻压信号经过选择单元后为异常钻压信号，则由选择单元自动给定一个下放速度，直接输入到速度控制单元进行恒转速控制，直到钻压恢复正常。该系统增设了测速编码器构成的局部反馈电路，将反映绞车主电动机转速的脉冲信号反馈到速度控制单元的输入端，因为钻压控制单元（或速度给定单元）信号与速度反馈信号极性相反，故此回路为负反馈回路。速度反馈回路有助于增加系统稳定性，改善系统非线性，提高变频电动机转速的控制精度。此外，该系统具有工控机监控功能。同时通过对钻具转速、扭矩、大钩钩载、钻井泵泵压和游车位置的监控，实现报警及紧急刹车制动功能。
小电机自动送钻系统:
在实际工况中，主电机在进行自动送钻过程中，结构简单，操作方便。但是主电机在速度很低的时候，尤其是长时间在低于额定功率、额定转速下运行是很不稳定的，尤其是该系统主电机运行的频率较低，较容易受其他谐波信号的干扰，使系统控制性能变差，控制精度下降，而且对电机影响比较大。所以在目前国内大多采用小电机自动送钻系统，其工作原理与图3相似，是在绞车的后部或者是前部加装一个小电机。由于在自动送钻过程中需要低转速、大转矩，所以需给小电机加装一套大减速比的减速箱。
自动送钻系的统硬件构成
自动送钻系统的硬件部分主要由信号检测变送单元、控制单元、变频器及执行单元和工控机监控单元构成。以下以JC70DB钻机为例介绍自动送钻系统实际使用情况。
JC70DB绞车原理与特点
JC70DB绞车传动系统图见图2。该绞车传动分为两大体系，即由两台800kW交流变频主电机为动力的主传动系统和一台45kW交流变频小电机为动力的自动送钻传动系统。
图2绞车传动系统图
绞车的主传动系统
两台800kW交流变频主电机通过齿式联轴器分别与左、右齿轮变速箱相连，经左、右齿轮变速箱变速后，将主电机动力同时输给滚筒轴。由于交流变频电机固有的特性，所以可实现该绞车在各档范围内无级调速。
绞车总图见图3。
图3JC70DB绞车总图
表1绞车组成
图4自动送钻装置
1—驱动接头；2—齿毂/连接盘；3—背板；4—摩擦盘；5—中间齿盘；6—浮动齿盘；7—压盘；8—气囊；9—气囊固定盘；10—螺栓；11—释放弹簧；12—主动齿圈；13—垫片；14—快变环；15—螺栓
图5推盘离合器装置
自动送钻传动系统
JC70DB配套的自动送钻传动系统是由一台45kW交流变频电机驱动，大传动比减速机并通过推盘离合器实现其与右齿轮变速箱的摘挂，经右齿轮变速箱变速后输入滚筒轴。
如图4所示。
自动送钻装置在绞车中的功能主要有两个方面:一是实现自动送钻，减轻司钻工作强度；二是当主电机出现故障时，该系统可进行应急操作，提起最大钻柱重量。
推盘式离合器装置
JC70DB绞车配套的自动送钻离合器是推盘式离合器装置（图5）。用推盘离合器摩擦盘的离合来控制自动送钻装置的摘挂，推盘离合器结构尺寸小、摘挂灵敏、维护方便。
JC70DB钻机自动送钻采用先进的西门子变频装置6SE71驱动见图6
辅助电机自动送钻控制系统采用西门子6SE71系列变频调速装置400V,45KW）驱动变频电机，实现恒钻压及恒钻速自动送钻。钻压、钻速在设定范围内稳定可调，送钻平稳精确。整个传动系统主要由自动送钻变频器、辅助小电机、风机等装置组成。
恒钻速运行
当送钻方式选择到手动方式下，在手动模式区域选择上行或下行或停止按钮进行操作。上行或下行速度将根据自动送钻设定的钻速上下移动。此时绞车在设定的钻速下恒钻速运行。
图66SE71变频器
恒钻压送钻
辅助电机挂和后，将送钻方式选择到自动方式下，通过触摸屏上设定实际打钻钻压，绞车系统在辅助电机的驱动下，在设定的钻压下平稳可靠的恒钻压送钻。
恒钻速模式触摸屏界面启动电机后，在触摸屏上设一钻速，依据钻井的实际工况，点击上行或下行，电机依据设定钻速提升/钻进。
恒钻压模式触摸屏界面启动电机后，在触摸屏上设一钻压，点击启动按钮，系统将依据钻压和悬重自动计算出一速度，电机依据此速度转动目前自动送钻系统存在的问题及改进意见
1）、利用软件实现自动送钻，需与转盘扭矩的自适应控制相结合，以便在自动送钻情况下井下突然出现憋卡等复杂工况时，自动改变转盘变频器的电压、电流、频率等参数，释放钻杆扭矩，自动适应井下扭矩变化。
2）、在应用过程中，小电机自动送钻装置从性价比上更能适应目前变频钻机的要求。但是，自动送钻装置一般安装在绞车的后部或者前部，其结构属于绞车的一部分。所以造成绞车结构比较复杂，体积比较大等诸多不利因素。这方面问题与自动送钻装置生产厂家有关系，需要与他们协商，将自动送钻装置的体积减小，更加简单可靠。
结束语
随着海洋石油开发的推进，模块钻机建造也越来越多，自动送钻装置在变频电动钻机使用也更加频繁。经过不断的改良，如今自动送钻系统更能适应石油钻井工况的需求，朝着结构简单、安全可靠、安装方便、控制精确的方向发展。
参考文献
中华人民共和国国家标准CB/T29549.1-2013海上石油固定平台模块钻机第一部分:设计.中国标准出版社出版发行.
JC70DB钻机说明书兰州石油机械厂