重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论
③ 循环系统
循环系统在钻井中的主要作用是循环钻井液，使其及时清洗井底，携带走被钻头破碎的岩屑，保护井壁并冷却钻头。其主要设备包括钻井泵（在钻井现场习惯称为泥浆泵）、地面高压管汇、钻井液净化及调配设备等。
上述3大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的3大工作机组。 ④ 动力驱动系统
为了供应3大工作机组及其它辅助机组（如空气压缩机）的动力，钻机必须配备动力驱动设备及其辅助装置。这种动力驱动设备可是内燃机及其供油设备，也可以是交流电动机、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。
⑤ 传动系统
传动系统的作用是连接发动机和工作机组，实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式的转换。传动系统应包括减速、并车、转向、倒转及变速机构等。
现代钻机传动系统除机械传动外，还有液力传动（液力耦合器、液力变矩器）、液压传动、电传动等形式。
⑥控制系统和监测显示仪表
控制系统是钻机自动化程度高低的一个重要标志，它的主要作用是指挥各系统的协调工作。常用的控制系统有机械控制、气控制、液控制和电、气、液联合控制。
监测显示仪表的主要作用是记录和显示地面设备和井下设备的工况，为控制系统提供控制依据，常用的仪表有指重表、转盘扭矩等。
⑦钻机底座
底座是钻机组成部分之一。它包括钻台底座和机房底座，用以安装钻井设备，方便钻井设备的移运。钻机底座用以安装井架、转盘，放置立根盒及必要的井口工具，多数还要安装钻井绞车，下方应能容纳必要的井口装备。
⑧辅助设备
为保证钻井工作的顺利运行，钻井设备一般都配有供气设备（压缩机、储气罐）、辅助发电设备、井控设备、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷地带钻井时必须配备有保温设备。
1.1.3 钻机的工作原理
石油埋藏在地下几百米乃至上万米的地下岩层中，为了勘探和开采石油、天然气，就需要进行钻井作业，即破碎岩石，取出岩屑，形成一个从地面到油气层的牢固的通道。一口井从开钻到完钻，需要经过三个过程：一是破碎岩石；二是取出岩屑，保护井壁；三是固井和完井，形成油气流通道。
3
重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论
现代钻井方法主要是旋转钻井法，该钻井法的工作原理如图1.2所示：
图1.2 转盘旋转钻井示意图
1一水龙头；2一方钻杆；3一绞车； 4一转盘；5一防喷器；6一泥浆槽； 7一泥浆池；8一空气包；9一钻井泵；10一动力机；11一大钩；l2一游动滑车；l3一天车
井架、天车、游车、大钩及绞车组成起升系统，以悬持、提升、下放钻柱。接在水龙头下的钻杆卡在转盘中，下部承接钻杆柱、钻铤、钻头。钻杆柱是真空的，可以通入清水或者钻井液。工作时，动力机驱动转盘，通过方钻杆带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。控制绞车刹把，可调节由钻杆柱重量施加到钻头上的压力（俗称钻压）大小，使钻头以适当压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩层。与此同时，动力机驱动钻井泵，使钻井液从钻头水眼喷入井底，携带被钻头破碎的岩屑通过钻杆柱和井筒的环形空间返回地面，进行钻井液循环，这样就可以实现连续钻井作业。
1.2 石油钻机的发展现状和展望
1.2.1 石油钻机的发展现状
电驱动应用于钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善和成熟。与机械驱动相比，电驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障率低、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。电驱动还可以通过可编程控制器获得很
4
重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论
多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。
我国电动钻机的电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期，本世纪80年代末，在借鉴国外先进水平的前提下，生产出了我国第一台直流驱动的ZJ45D陆地自动钻机。并经过十余年的技术储备，我国开始了对全数字钻机电气控制系统的研究。近几年将交流变频调速技术应用于石油钻井设备上，生产出了全数字交流驱动电动钻机。
①可控硅直流电驱动(AC—SCR—DC)钻机的控制构成 可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier简称SCR)。
柴油机
交流发电机 交
流母线
整流器 整流器 整流器 整流器 变压器
直流电动机 直流电动机 直流电动机 直流电动机
转盘 绞车 钻井泵1 钻井泵2
MCC（交流电动机控制中心）
②交流变频电驱动(AC—VFD—AC)钻机的控制构成
变频器(Variable Frequency Driver，简称VFD) ，按变频器分有无公共直流母线有以下两类：
1）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式
交流 发电机组
交流母线
变频器 变频器 变频器 变频器 变压器
交流电动机 交流电动机 交流电动机 交流电动机
转盘 绞车 钻井泵1 钻井泵2
MCC
2）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式
5
重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论
柴油机
交流发电机 交
流母线
整流器（热备份）
逆变器 逆变器
直
整流器 流母线 变压器
逆变器 逆变器 电磁刹车
交流电动机 交流电动机 交流电动机 交流电动机
转盘 绞车 钻井泵1 钻井泵2
MCC
目前，国内电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。驱动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置齐全，可满足用户的不同需求。在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能（即防止上碰下砸功能），外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同岩层结构，提高钻井质量。
1.2.2石油钻机的发展趋势
21世纪科学技术日新月异，在提高钻井效率、降低钻井成本的技术要求不断推动下，电动钻机正朝着自动化、智能化、高效应性、高经济效益、高可靠性、大型化等方面发展。
为了进一步开发更深地层的油气资源，国外已经研制出了特深井钻机，钻井深度可达15240m。由钻机发展的趋势来看，电气控制系统也将朝着智能化、网络化、开放化和大功率方面发展。但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所（GRI）与麻省理工学院（MIT）等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。但目前电动钻机还是一个大的发展方向和趋势。
近20多年来，电驱动钻机获得迅速发展。在海洋钻井平台上，近100％的钻机更新为可控硅直流电驱动；在陆上，从深井超深井钻机开始，绝大部分更新为直流电驱动，并已向中深和轻型钻机、修井机发展。近10年来，由于电力电子技术的发展，功率变换器的高频化和集成化，促使交流变频电驱动钻机日益显示其更胜一筹的性能，交流电驱动钻机必将取代直流电驱动钻机[ 1 ]。
1.3司钻房的功能和要求
1.3.1 司钻房的功能
司钻控制房作为石油钻机的核心控制部件，是石油钻机的“心脏”。 内部集
6
重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论
成了钻井仪表、电传动控制系统、液压盘刹控制系统、气动控制系统、工业监控系统、电子防碰装置、自动送钻控制系统以及室内电气系统等，以实现钻机的操作、控制和报警显示，完成钻机的各个钻井工艺功能[ 2 ]。
1.3.2 司钻房的要求
目前国产钻机的司钻控制房基本上是由各个油田、井队根据自己使用钻机的情况定制，没有统一规范，内部控制元件布置有很大差异，甚至其主要功能的划分也没有统一规范，使得司钻在上岗前通常要接受大量的培训，以便分清和明确各种显示和操纵装置的功能及位置。面对各种仪表和监视系统，司钻每天必须要保持高度的注意力，在司钻房内工作长达十几个小时，还要随时处理一些意外情况，因此，司钻的工作是最繁重的。于是合理而科学的司钻设计就显得尤为重要。
1.4课题研究的意义和目的
我国有着丰富的石油资源, 随着陆地、沙漠及海上油田的不断开发以及国际钻井工程项目相继增多,钻机是石油开发过程的钻井设备，随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到不断地发展。电气控制系统是电动钻机的重要组成部分，它的技术水平标志着电动钻机的发展现状。目前，电驱动钻机已经取代了传统的机械式钻机，电动钻机经过了近20年的发展，交流变频VFD电动钻机取代SCR直流电动钻机也成为了一种趋势。
石油电动钻机的控制的过程比较简单，采用PLC进行一些简单的顺序控制就可以，但是对系统的控制精度以及工作的可靠性要求相当高。因此，系统必须要控制好，否则造成相当大的经济损失和人生安全方面的危害。
1.5本文主要研究的内容和主要工作
1.5.1本课题的任务
①电、气、液联控：采集单元（现场的传感器、变送器等），开关，手柄等信息，由PLC控制阀岛等完成一些气、液操作及保护功能。
②转盘控制：数字给定，采集转盘电机的电流、电压、频率信号，计算出转盘的转速及转矩，与设定的转盘转矩进行比较，使转盘转矩工作在正常转矩范围内。
③绞车控制：采集绞车轴头的脉冲编码器信号，通过内置计数模块计算大钩高度，对游车的最高位、最低位进行限位，运行速度进行限速控制，防止游车“上碰下砸” 。
④撰写毕业设计论文及相关文档。
1.5.2本课题的重点内容
钻机是石油开发过程的地面钻井设备，电动钻机已成为钻机发展的主流，它是
7