第十章 转盘扭矩控制及安全操作
转盘扭矩控制是指直流电动钻机、变频钻机和转盘独立电驱动钻机以及机电复合钻机的转盘扭矩控制，这些钻机的共同特点是转盘采用电驱动方式，通过操作界面的转盘转速和转盘扭矩控制对钻具进行扭矩和转速的控制。
通常将转盘电驱动称为转盘独立电驱动，其转盘扭矩的控制是否恰当，直接影响到钻具扭断和钻具卡钻后反转造成钻具脱扣落井事故的发生。因此，独立转盘电驱动扭矩的控制设计和使用者的安全操作对减小钻具扭断或钻具反转脱扣至关重要。本节内容是在分析处理钻具扭断和钻具反转脱扣事故的基础上，针对转盘独立驱动系统的设计和使用者的操作方式进行分析。
第一节 转盘的应急操作
首先要确认转盘速度给定手轮在零位，再把电机选择开关转到“正”或“反”，系统自检通过后，转盘对应运行灯亮，司钻才能操作速度给定手轮，使转盘按选择的方向和钻速运行。
注意：若要改变转盘的运行方向，首先把速度给定手轮转到零位，然后把工作选择开关转到“停”位置，再将旋向开关转到相反的位置。系统自检后，再转动速度给定手轮，使转盘反向运行；如果长时间不用，可通知电工断开相应传动柜主断路器。
第二节 转盘扭矩给定与控制原则
一、直流电动钻机电控系统
国内使用的直流电动钻机电控系统以早期的ROSSHILL为主，其转盘驱动系统主要包括转盘整流柜、电控系统司控台转盘转速和转盘力限控制。
转盘整流柜有两种类型，一是西安石油仪器厂组装的ROSSHILL电控系统，采用模拟式直流组件对转盘整流器进行控制。二是天水电气传动研究所生产的数字式转盘整流柜，通过数字式直流整流器对整流器进行控制。
电控司控台转盘扭矩的给定方式，一是通过手轮进行给定输入，二是在司控台上的触摸屏进行给定输入。
不论是模拟式还是数字式，转盘力限（即转盘转矩）的给定位置都在电控系统的司控台上，而司控台位于钻台转盘附近或司钻房内。即转盘扭矩的给定采取司控房一点给定，即完全由司钻决定转盘扭矩的给定大小，因此完全通过司钻对转盘扭矩的精心操作避免钻具扭断或防止转盘反转造成钻具脱扣等各种事故的发生。我们把这种方式，称为司钻承担转盘扭矩安全风险的思路，又称为司钻安全操作模式。
二、变频钻机电控系统
变频钻机转盘驱动系统多数采用了数字式逆变柜、司控房转盘速度与转盘扭矩给定系统等。
下面以ZJ90DB钻机转盘控制系统为例进行说明。
ZJ90DB的转盘扭矩给定控制采用两地控制方式，即由厂家在VFD房转盘逆变柜操作面板上对转盘扭矩最大值进行出厂设定，由司钻根据钻井工况在电控触摸屏上对转盘扭矩进行给定控制。PLC系统旁路时，司钻通过司控台上的转盘扭矩手轮进行给定。
ZJ90DB钻机对转盘扭矩的给定控制，继承了ROSSHILL的思路，采用了司钻安全操作模式。
三、转盘独立电驱动钻机电控系统
转盘独立电驱动钻机即ZPD钻机，又称为LDB钻机。其转盘扭矩给定采用多种方式。
方式一：一地控制。
早期的转盘电驱动钻机采取钻井工程师安全责任操作模式，即由钻井工程师根据钻井工况，计算最大转盘扭矩值，然后由队长通知电气工程师在VFD房转盘逆变柜操作面板上进行转矩给定。司钻房司控台上没有设计转盘扭矩给定，即转盘扭矩限制始终在最大值处，转盘扭矩变化大，但不会超过钻井工程师确定的最大扭矩限制值，不会扭断钻具。
方式二：两地两级控制。
转矩的限制包括司钻级和出厂级，即可由司钻在司控台上进行，也可由厂家在VFD房转盘逆变柜操作面板上进行转盘扭矩限制的出厂设定。此种方式为转盘转矩的标准控制方式，国内外电动钻机主要采取这种方式。转盘扭矩范围限制在出厂时设定后，不轻易改变，特殊情况下，由厂家授权技术人员进行调整。转盘扭矩实际限制值一般由司钻根据钻井工况进行设定。
转盘逆变柜的软件结构，可接受司钻的转盘扭矩限制给定或转盘逆变柜操作面板上的出厂设定值。两个输入值中，低值有效。一般以转盘逆变柜操作面板上的转盘扭矩限制出厂设定值为转盘扭矩范围限制值，以司钻控制的转盘扭矩限制给定为实际限制范围值。这种标准方式，要求司钻承担安全操作责任，因此司钻必须根据钻井工况尽量将转盘扭矩限制到较小的给定值，以能驱动转盘旋转为原则。将转盘扭矩限制给定值旋转到最大位置进行钻井，是错误的操作方式。
方式三：两地三级控制。
两地三级控制，是在出厂设定级与司钻级之间，增加一道转盘扭矩限制给定，即钻井管理级，也是将转盘扭矩的安全操作责任划分到钻井工程师与司钻两者身上。
这种控制实际上有两种方法。方法一是将钻井管理级的控制设计到司控台电控触摸屏上，并增加一道密码保护输入。钻井工程师根据钻井工况，确定转盘扭矩最大限制值，由队长通知电气工程师到司控台电控触摸屏上进行设定。该方法的最大缺点是，电气工程师有可能委托司钻自行修改，而司钻有可能将转盘扭矩限制设定到最大值，如300%，容易发生钻具扭断事故。方法二是将钻井管理级的控制设计到VFD房工控机上，钻井工程师确定转盘扭矩限制值后，由队长通知电气工程师在VFD房工控机上进行设定，这种方法可避免方法一的弊端。
以上三种方式中，方式三的两种方法中，方法一已出现钻具扭矩重大责任事故，因此建议将方法一改为方法二。不论哪一种方法，都要求司钻精心操作，否则再先进的装备都有可能出现安全事故。
第三节 转盘扭矩的安全操作规范
一、机械钻机司钻转盘安全操作规范
1．司钻为转盘安全操作责任人，必须精心操作，观察转盘扭矩变化，采取正确处理措施，防止出现钻具扭断或钻具反转脱扣事故。
2．转盘运转前需解除转盘刹车，将转盘离合器从惯刹位置推到空挡位置，听到转盘刹车放气后，才可以将转盘离合器推到转盘挂合位置。
3．钻井过程中，根据转盘扭矩表、转盘声音和柴油机负荷或观察排气管排烟的浓度判断是否堵转。如果确定转盘堵转，立即摘除转盘离合器，同时快速进行手动刹车（即将转盘离合器手柄拉到惯性刹车位置）。
4．司钻进行反扭矩释放时，释放扭矩必须采取点刹方式，即将转盘离合器手柄从惯刹位置和空挡位置之间来回推拉，每次释放不能超过1圈，以确保随时能控制转盘。用反向释放转矩，必须缓慢进行，一般在转盘10圈以内释放完毕，期间要密切注意扭矩值的变化。
5．在转盘停止情况下，要将转盘离合器挂在空挡位置，以解除转盘刹车。
6．在不用转盘的情况下，不要刹住转盘，以延长刹车装置使用寿命。
二、电动钻机司钻转盘扭矩安全操作规范
1．司钻为转盘安全操作责任人，必须精心操作，观察转盘扭矩变化，采取正确处理措施，防止出现钻具扭断或钻具反转脱扣事故。
2．启动转盘。首先确认转盘手动刹车处于解除状态，用左手在触摸屏轻点转盘启动，观察转盘电流和转矩值是否有数据显示，有数据显示就表示电机已经启动。(www.xing528.com)
3．可以根据需要的参数给定转盘的扭矩限制，根据钻具中能承受最小的工作扭矩值来决定扭矩限制百分比。一般都是震击器和减震器的工作扭矩值最小。
4．转盘运转前需解除转盘刹车，在电控触摸屏上操作后，听到转盘刹车放气后，才可以使用转盘钻进。
5．钻进中如遇电机扭矩保护堵转，不能采取任何方式停止转盘电机，应将转速手轮归零，但转盘扭矩应保持电机堵转状态，其给定值不能立即归零，以防止转盘反转导致钻具脱扣落井事故发生。
6．电机堵转后，必须进行手动刹车（即转盘惯性刹车），不能过分相信系统的自动刹车。
7．司钻可减小转盘扭矩限制，进行反扭矩释放，释放扭矩必须采取点刹方式，每次释放不能超过1圈，以确保随时能控制转盘。用反向给定方法释放转矩，数值不能过大，在10圈以内，期间要密切注意扭矩值的变化。
8．转盘运转过程中，密切注视转盘电机的转矩、电流参数以及变速箱油压变化，并及时作出反应。
9．在转盘电机停电的情况下，要解除转盘刹车，首先确认转盘手动刹车解除，再将操作台手动操作方式转到应急方式，按操作台上的刹车放气就能解除。
10．在不用转盘的情况下，不要刹住转盘，以延长刹车装置使用寿命。
第四节 厂家转盘扭矩设置与释放举例
以宏天电传工程有限公司ZJ70L-ZPD电传动系统为例。
一、转盘扭矩设置
转盘扭矩设置功能在控制系统的HMI上实现，根据用户的要求，扭矩值的大小由钻井工艺工程师的设计和计算得到，操作者（司钻）严格按钻井工艺工程师提供的数据进行输入。
ZP375转盘系统参数：
电机600kW/600V，661r/min，714A，8670N·m；
转盘型号：ZJ375，61 730.4 N·m；
转盘扭矩的设置输入范围为0%～150%，最大可设置扭矩输入为额定的1.5倍，转盘扭矩在额定下的设置为0%～100%（对应于电机扭矩为0～8670 N·m）,对应其ZP375转盘产生的扭矩为0～61 730.4N·m，在需要过载扭矩的时候根据电机的过载能力可以设置到150%（注：短时过载）。
ZP275转盘系统参数：
电机450kW/400V，794r/min，782A，5412N·m；
转盘型号：ZJ275，19 464.8 N·m；
转盘扭矩的设置输入范围为0%～150%，最大可设置扭矩输入为额定的1.5倍，转盘扭矩在额定下的设置为0%～100%（对应于电机扭矩为0～5412N·m）,对应其ZP375转盘产生的扭矩为0～19 464.8N·m，在需要过载扭矩的时候根据电机的过载能力可以设置到150%（注：短时过载）。
设置参数：
在HMI上切换到参数设置界面，如图10-1所示。
图10-1 转盘扭矩参数设定
单击转盘扭矩限制输入框，弹出输入数字键，根据钻井工艺工程师的要求，操作者对参数进行录入，录入后在转盘扭矩限制输入框就显示当前设置的转盘扭矩设置值（单位为%）。
注意：操作者不得随意更改此参数，任何的改变都需要适合当时的工艺、工况。
二、转盘扭矩的释放
第一步，确认井下卡钻。
在正常钻井作业时，如果转盘扭矩异常，操作者就需要密切注意其变化，确认卡钻的情况发生后，就需要做下一步来释放扭矩。
第二步，扭矩释放，步骤如下：
迅速使转盘速度回零（注：不能停止电机使能）；
使用转盘倒转功能，即在输入框输入负转速；
根据所需要圈数慢慢释放扭矩；
使扭矩减小到0N·m。
对于用户要求的在工控机上设置转盘扭矩限制，厂家认为工控机位于VFD房内，主要用于钻井参数的监视和存储，并无专人值守；且工控机出现故障、通信不畅后将会影响到扭矩设置值，使扭矩限制工作不正常，影响到转盘的使用。由于要求工控机扭矩限制的优先级要高于触摸屏HMI上的设置，不便于司钻在处理钻井异常情况下的操作，因此建议用户保留厂家的设置方式。
三、使用分析
厂家站在设备的角度上，无可厚非。但是经使用证明，这种方式将扭矩的使用和管理级别置于同一个位置，对于负责任的司钻来说，没有问题，但对于部分不负责任的司钻或副司钻，为了省事，将转盘扭矩擅自设置为最大值，这可能是四川油气田转盘扭矩事故的重要原因之一。因此装备管理部门强烈要求将转盘扭矩的管理和使用布置司钻房和VFD房两个位置，对于强制安全设置转盘扭矩来说，也是万不得已的做法。
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