现代石油井场电气安全：司钻控制系统及操作指南

第十五章　司钻控制系统及安全操作

第一节　概　　述

本节以ZJ90DB司钻控制系统为例，介绍司钻控制系统工作原理、维护及安全操作规范。

ZJ90DB钻机司钻控制系统主要包括用于控制、参数显示和监视系统等的气控系统、液控系统和电控系统，具有一体化、电气化和智能化的特点。气控系统主要采用电控方式的阀岛控制系统，结构紧凑型，采用现场总线技术及智能控制，并具有三种天车防碰装置，同时具有主电机与送钻电机互锁、转盘自动惯刹等多种保护功能。液控系统主要包括液压猫头和液压盘刹的控制。液压猫头的控制采取三位复位开关、配套有猫头的多种功能控制开关。液压盘刹控制系统由制动执行机构、液压站和操作台等组成，采用电控操作控制方式，可容易实现盘刹的控制功能、刹车参数的显示和判断。具有完善的操作功能。电控系统可靠、功能强大。

司钻控制系统决定了ZJ90DB钻机的操控性能，司钻控制系统的设计方案决定了ZJ90DB钻机是否满足使用要求。本文笔者在中石油第一台国产ZJ90DB钻机安装调试过程中，对ZJ90DB钻机司钻控制系统进行了详细分析，以此为依据提出ZJ90DB钻机现场存在的问题，同时与厂家现场调试人员、钻井队操作维护人员和钻探公司设备管理人员共同研究，针对ZJ90DB钻机的特点补充和完善相应的操作规程，确保现场人员维护和操作钻机。

第二节　系 统 特 点

一、特点

ZJ90/6750DB钻机的司钻控制系统，集司钻控制房，融机、电、液、气、计算机及通信等技术于一体，包括控制系统、钻井参数显示控制系统和监视系统。其特点是参数显示、记录与控制一体化；液压系统控制电气化；气控系统智能化。可在实现主要钻井参数的实时显示、记录的同时，将这些参数融入钻机控制程序中，实现钻机控制的信息化和智能化。将常用的手动阀改为电磁阀，节省了安装空间，电磁阀采用比例控制开关、旋钮和按钮等控制，面板布置更加紧凑。气控系统把先进的阀岛技术运用到钻机的气控系统中，电磁阀的控制信号和状态信号采集后经PLC运算，实现与电控系统、液控系统的联动互锁，同时阀岛具有动作灵敏、流量大、使用寿命长等特点，提高了气控系统的可靠性。

二、主要结构与布局

控制房内主要布置有辅助控制台、电气柜、司钻操作椅等。

辅助控制台主要为机械仪表显示部分和触摸屏控制部分。机械仪表显示部分主要布置有指重表、泵压表、刹车压力表（安全钳压力、左钳压力和右钳压力）、气源压力表、机油压力表（转盘油压和绞车油压），其管线通过测压管线统一接到司钻控制方的控制柜下方，同时该部分的仪表通过传感器将液气信号转换为电信号输入到电控系统PLC上，经PLC运算后在电控触摸屏上显示，故障时进行报警和刹车控制。

司钻前方及右侧设有电控触摸屏和钻井参数显示触摸屏，可互为备用。可通过触摸屏对绞车、转盘、泥浆泵等进行控制和实时状态检测。电气柜有左中右三个柜体，其内部分别安装电控系统元件、室内电气系统控制、司钻房控制阀岛、盘刹控制电路板等。

电气柜左侧为电控系统控制柜，安装有PLC、端子排、分布式I/O从站等，下部是各种插接件的插座。电控柜以总线通信方式与VFD房连接，同时也是各种信号的输入口。

中间柜体的上部为室内电气系统控制系统电路安装板，底部安装电缆插接件和正压防爆接头。

右侧电气柜安装盘刹控制系统的电路板和司钻房阀岛。盘刹控制系统电路板主要安装比例放大器、电源、断路器及端子等。柜体的门上还设置有液压站的远程控制开关。

司钻坐椅左右扶手（即左右操作台上）安装司钻最常用的操作件，可以方便地进行各种操作。

司钻左操作台上主要设置有CCTV键盘、左减速箱换挡、左减速箱锁挡、右减速箱离合、右减速箱锁挡、绞车电机选择、左送钻锁挡、右送钻锁挡、防碰释放、绞车速度控制手柄、气动卡瓦、气喇叭、主电机选择、左送钻挂合和右送钻挂合。

司钻中间操作台上主要设置有1号、2号和3号泥浆泵电机选择以及1号、2号和3号泥浆泵电机调速手柄。

司钻右操作台上主要设置有机具选择、蜂鸣器、工作刹车、紧急制动、转盘惯刹、转盘转向、旋转猫头、左猫头、右猫头、驻车制动、转盘调速、转盘扭矩限制、风动旋扣及控制选择等旋钮、手柄和按钮。

第三节　司钻控制系统

司钻控制系统的对象主要包括绞车和泥浆泵电机、离合器、盘刹、转盘电机、转盘惯性刹车、风动绞车、水龙头旋扣器以及液压猫头等。其控制系统主要包括气控系统、液控系统、电控系统、监视系统。

一、气控系统

司钻控制系统的气源从钻机底座的储气罐引入。司钻房内气动控制系统主要由司钻房阀岛控制、雨刮控制以及正压防爆系统等组成。

司钻控制房内的总气源开关采用一个不锈钢球阀手动控制。

（一）阀岛控制系统

阀岛控制系统采用电控方式，主要是指转盘惯性刹车、气喇叭、卡瓦和井架防碰等，采用紧凑型阀岛控制，且控制信号输入到司钻房PLC从站，实现阀岛的智能控制，同时阀岛具备手动功能。阀岛原理如图15-1所示。

图15-1　司钻房阀岛控制原理

1. 阀岛的控制功能

转盘惯刹控制。司钻右操作台上的转盘惯刹开关有“自动”、“释放”和“手动”三个功能位置。转盘惯刹开关处于手动位置时，PLC断开阀岛Y1电信号，阀Y1打开，转盘惯刹，同时控制转盘电机悬停或停转，以实现转盘安全刹车；当转盘惯刹开关处于“自动”惯刹位置时，系统根据转盘运转的情况控制刹车；系统出现故障时，转盘刹车，同时使转盘电机悬停或停机；当转盘惯刹开关处于“释放”位置时，系统释放转盘惯刹，转盘可以活动。转盘在出现故障后，系统刹车，若需要再次启动，需要解除故障，将开关置于“释放”或“自动”位置。

气喇叭控制。当司钻需要提醒井队工作人员注意时，操作左操作台上气喇叭开关，PLC则给阀岛Y2电信号，阀Y2打开，供气给气喇叭，气喇叭鸣叫。

气动卡瓦控制。起下钻作业中，需要卡紧或释放卡瓦时，司钻可以操作司钻左操作台的卡瓦控制开关，开关旋转至“释放”位置，阀Y4打开，阀Y3关闭，卡瓦提出释放钻柱；开关旋转至“卡紧”位置，阀Y3打开，阀Y4关闭，卡瓦放入转盘，钻柱下放到接头处被卡住。

2. 阀岛的保护功能

保护功能其一是天车防碰功能。天车防碰主要有天车过卷防碰阀控制、井架防碰天车装置和数显防碰装置控制。

天车过卷防碰阀控制。防碰过卷阀安装在绞车滚筒上部，当游车系统上升至限定位置（即游车上行的极限高度）时，滚筒上钢丝绳超过预设圈数将过卷阀触杆拨倒，过卷防碰阀导通，压缩空气经过卷防碰释放按钮进入防碰过卷阀，经梭阀至压力开关，压力开关发出电信号给电控系统PLC，PLC阀岛盘刹控制阀的信号，盘刹控制阀关闭排气，盘刹刹车，同时，系统自动使绞车的给定为零，从而使游动系统停止上升。

天车防碰起作用后，检查各个系统是否完好。需要解除时，压下操作台上的防碰释放按钮，使盘刹松开，操作天车给定手柄，使游动系统缓慢下放，在游动系统到达安全高度区域后，司钻将盘刹驻车，再次检查系统，并拨动防碰过卷阀的触杆，检查防碰过卷阀的通气和断气是否正常，若均正常，将防碰过卷阀的触杆复位，钻机可以正常作业使用。

井架防碰天车装置。为提高系统安全，在绞车气控系统中设置了防碰天车装置，它位于井架上部，通过一根钢丝绳，经过导轮导向沿井架立柱向下延伸至井架后面人字架下部的阀座板上的控制机构上。当游动系统上升至极限位置（钢丝绳设定的安装高度）再继续上升，在游动系统的作用力下，钢丝绳被向上提起，拉出防碰开关的插销，防碰开关自动复位，经梭阀至压力开关，压力开关发出信号给电控系统PLC，PLC阀岛盘刹控制阀的信号，盘刹控制阀关闭排气，盘刹刹车，同时，系统自动使绞车的给定为零，游动系统停止上升。

井架防碰起作用后，检查各个系统是否完好，需要解除，应有一位钻台副司钻协助司钻操作防碰开关手柄，向下搬动手柄至关闭位置，防碰开关切断盘刹控制气，使盘刹钳松开，游动系统缓慢下放，在游动系统到达安全高度区域后，司钻将盘刹驻车，再次检查各个系统，重新按防碰天车装置的安装要求连接好防碰开关的插销，钻机可正常作业。

数显防碰控制。通过电控系统滚筒编码器测量绞车滚筒的转角，实时显示游车当前提升高度和速度等参数，并根据系统设置，当游车运行到设定的紧急高度时，系统自动发出声光报警，如果司钻未刹车，系统将自动使绞车的速度手柄给定为零，同时系统PLC自动断开阀岛盘刹控制阀的控制信号，盘刹控制阀关闭排气，盘刹刹车，从而使游动系统停止上升，以防止发生游车碰撞事故。数显防碰除了上防碰天车以外，还具有下防砸钻台面功能。

保护功能其二是主电机与送钻电机互锁保护功能。在钻机运行过程中，主电机和自动送钻电机不能同时启动，否则自动送钻电机的离合将不能挂合，电机的速度为零，同时盘刹将刹车制动，以保护电机和滚筒。自动送钻离合器挂合后主电机也不能启动，否则主电机反拖送钻电机将造成变速箱轴承烧坏的可能或其他事故。在自动送钻挂合时，使用游动系统的自动重下放游车，反拖滚筒转动，将造成自动送钻电机或传动损坏。

其他的保护功能包括断电保护、转盘自动惯刹保护、钻机电控系统故障、钻机气压过低、润滑油压过低或过高保护等。

（二）雨刮控制系统

雨刮系统由远控开关、阀体、消音器、缸体、雨刷和固定座六个部分组成。

（三）正压防爆系统

正压防爆系统（如图15-2所示）由电气机柜、司钻左右操作台以及触摸屏正压箱等正压外壳、正压气路系统及检测控制回路等组成。在正压外壳上安装有若干电缆引入装置、气路接头、电器开关等。正压气路系统由过滤减压单元、防爆电磁阀、管路及接头组成。

保护压缩气体通过阀件、管路等的传输、过滤、减压变成纯净的微压气体进入正压外壳内，在机柜电源启动前，经过15～30min通气，将外壳内可能存在的爆炸性气体含量稀释到安全范围内，使正压壳内部成为电气安装的安全场所，壳内的压力稳定在125～380Pa之间。

电气机柜通气30min以上，以稀释柜内可能存在的可燃气体浓度，然后方可启动电气机柜电源开关。柜内压力没有达到50Pa时，低压报警指示灯点亮并报警，可手动调节过滤减压阀，以调节柜内压力。钻机运行过程中，如果电气机柜内压力低于设定压力，机柜正压防爆低压报警鸣叫或闪灯，此时司钻应停止操作，进行管路和密封检查，并调节过滤减压阀，使机柜内压力达到50～380Pa。

图15-2　正压防爆气动控制系统

二、液控系统

（一）井口机械化工具系统的控制(www.xing528.com)

井口机械化工具（简称机具）在司钻房里，只设置了控制系统。机具控制（如图15-3所示）主要由控制开关、连接电缆、端子和插接件等组成。

图15-3　机具控制原理

机具猫头开关为三位复位开关，钻机配套有左右猫头、旋转猫头控制开关，机具选择开关为三位定位选择开关。机具去液压站的控制为一根多芯电缆。

在机具控制中为了保证猫头操作和液压大钳的操作不发生冲突，控制回路中设置的机具选择开关则实现这一功能，操作猫头时，将“机具选择 猫头/大钳”开关旋转到“猫头”位置，可操作猫头开关实现相应功能。

操作“左猫头伸出/停/缩回”开关，液压站液压电磁阀YA1或YA2动作，实现左猫头的伸缩控制。操作“右猫头 伸出/停/缩回”开关，液压站液压电磁阀YA3或YA4动作，实现右猫头的伸缩控制。操作“旋转猫头 正转/停/反转”开关，液压站液压电磁阀YA5或YA6动作，实现旋转猫头的伸缩控制。

需要操作大钳时，将“机具选择 猫头/大钳”开关旋转至“大钳”位置，此时液压站YA8打开，大钳供油，可操作液压大钳。

（二）液压盘刹的控制

1. 盘刹系统组成

电控液压盘刹系统由制动执行机构、液压站及操作台三部分组成。制动执行机构和液压站安装在低位，操作台设置在司钻房内，操作台主要实现盘刹的控制、盘刹压力表显示及液压站的远程控制。

司钻台仪表台面上显示刹车的工作压力、安全钳压力以及液压站的液源压力，压力在触摸屏上也显示。司钻右操作台安装刹车的控制手柄及紧急刹车和驻车开关。盘刹控制以及液压站的远程控制在司钻房右则电气柜内以及面板上。为了盘刹与电控系统互锁，电控采集了盘刹的工作钳和安全钳压力信号，同时在刹车控制开关上接入了一对触点信号，保证盘刹紧急刹车或驻车时，绞车悬停或停机。另外在绞车阀岛控制箱上还设置了一个气路接口，常供气给盘刹，在系统遇到故障或紧急情况时，PLC控制阀岛给盘刹的接口断气，盘刹刹车确保系统安全。

2. 盘刹控制

液压盘刹采用电控操作控制方式，司钻通过工作刹车手柄的调节、操作紧急按钮或驻车制动开关分别实现盘刹的控制功能，刹车力矩的大小或刹车的工作状况可通过刹车的压力表显示判断。

3. 操作功能

工作刹车。通过操作刹车阀的控制手柄，调节工作钳对制动盘的正压力，从而为主机提供大小可调的刹车力矩，满足送钻、起下钻等不同工况的要求。

手柄向“刹车”方向拉动，工作钳刹车力矩成比例增大，向“释放”方向退回时，刹车力矩逐渐减小，仪表台左右钳压力表或触摸屏反映刹车力矩的变化。在PLC检测到钻机系统出现故障或游动系统超过紧急高度、或系统断电时，系统联锁保护刹车，阀岛盘刹控制阀断气，盘刹工作钳和安全钳同时动作刹车，此时操作工作刹手柄，其压力表没有变化。工作刹车手柄主要配合绞车速度调节手柄实现对游动系统钩速的控制，在操作的过程中，要求两个手柄协调，避免造成刹车冲击过大或失控。

驻车制动。当钻机不工作或司钻要离开操作台时，旋转驻车开关，安全钳刹车，以防大钩滑落。

紧急制动。遇到紧急情况时，按下红色紧急制动按钮，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急刹车。按下紧急制动按钮时，盘刹安全钳和工作钳同时动作，工作钳的压力达到最大，安全钳的压力减为最小。系统正常，需要解除刹车时，旋转按钮，紧急制动复位，刹车解除。

第四节　电 控 系 统

一、电控系统基本原理

司钻控制房内的电控系统由电控柜、触摸屏、绞车速度给定手柄、转盘调速手轮及连接电缆等组成。主要功能是完成钻井工艺的逻辑控制、保护等功能以及完成钻井参数检测显示功能和其他辅助功能。

电控柜内由控制系统的24V直流稳压单元、继电器、PLC以及端子等组成。

电控柜是电气传动系统的逻辑控制中心，在正常情况下通过现场总线将司钻指令及其他信息传送给PLC，经过处理，由现场总线送出指令驱动或停止相应的设备。

绞车速度给定手柄的功能是控制绞车AB电机的运转，实现钻机游动系统的提升、下放和悬停。手柄具有自复位、零位自锁的功能。手柄处于自然状态时，居于正中位置（零位），并被锁定机构锁住。需要操作时，左手握住手柄，按住手柄上锁定按钮，解除手柄的锁定，将手柄前后推拉即可。手柄处于零位外的任意位置时，只要操作者的手脱离手柄，手柄就会自动回复到零位，并锁定。

手柄被推拉到前后的极限位置时，给出绞车电机正反转的最高速度指令，控制游动系统以最快速度提升或下放。手柄处于零位时，给出绞车电机的最低速度指令，控制游动系统实现悬停状态。手柄处于推拉到前后的其他位置时，给出绞车电机正反转的变速指令，控制游动系统以操作者要求的速度提升或下放。

触摸屏上设置有绞车、转盘和泥浆泵电机的启、停、正反转控制、调速控制，自动送钻控制等。还可通过通信显示悬重、钻压、钻速、泥浆返回流量、泥浆泵冲次、立管压力，转盘转速、转速扭矩、大钩速度、游车高度、猫头拉力等钻井参数。

二、司钻房安全操作

电气操作人员应思想集中，电器线路在未经测电笔确定无电前，应一律视为“有电”，不可用手触摸，不可绝对相信绝缘体，工作时应按有电来操作。

工作前应详细检查自己所用工具是否安全可靠，穿戴好必需的防护用品，以防工作时发生意外。

维修设备要采取必要的措施，在开关手柄上或设备上悬挂“正在维修，禁止合闸”的警告牌，防止他人中途送电。

使用测电笔时要注意测试电压范围，禁止超出范围使用，电工人员一般使用的电笔，只允许在500V以下电压使用。

工作中所有拆除的电线要处理好，带电、不带电线头包好，以防发生触电。

所有导线及保险丝，其容量大小必须合乎规定标准，选择开关时必须大于所控制设备的总容量。

工作完毕后，必须拆除临时地线，并检查是否有工具等杂物漏忘在设备上。

检查完工后，送电前必须认真检查，看是否合乎要求并和有关人员联系好，方能送电。

发生火灾时，应立即切断电源，用ABC干粉灭火器扑救，严禁用水扑救。

工作结束后，全部人员必须撤离工作现场，拆除警告牌，所有材料、工具、仪表等随之撤离，原有防护装置随时安装好。

操作现场清理后，操作人员要亲自检查，如要送电试验一定要和有关人员联系好，以免发生意外。

三、司钻房正压防爆操作

1．开启室外总气源开关。

2．禁止通电，先手动缓慢调节精密减压阀，逐步增加进气压力，控制压力值在0.3～0.4MPa之间，向正压腔内吹气，进行快速换气，持续时间为20min（此时换气电磁阀常开排气）。第一次启动后，应检查是否有长时间报警。

3．通电，压力开关闭合，通过延时继电器继续换气15min后，换气电磁阀自动关闭，换气结束。

4．手动调节精密减压阀，控制进气压力值在0.15～0.25MPa，调节合适的进气压力，保证各个报警指示灯在临界点熄灭，此时内部正压值维持在100Pa以上。

5．检查报警指示灯，如果没有亮，则正常使用。如报警指示灯亮，则采取如下措施：

（1）检查气源；

（2）加大进气压力；

（3）检查电路；

（4）其他检查。

如无长时间报警，则可以通电。