本科毕业设计（论文）开题汇报
题 目： 石油钻机送钻系统
可靠性研究
学生姓名：
院 （系）： 电子工程学院
专业班级： 安全0702
指导老师： 张乃禄
完成时间： 20XX 年 月 日
1．课题意义
石油工业是一个高风险产业，油田安全生产含有十分关键意义。加之进入新世纪，安全成为时代工业专题，是当今乃至未来关键关注关键问题之一。是指石油天然气钻井过程中所需多种机械设备总称。钻机关键部件必需相互配合才能完成钻机起升、循环和旋转3项关键工作。石油钻机是完成石油钻井任务关键工具，从其出现之日起，就和钻井工艺密不可分。相互促进，共同发展。伴随油田生产规模扩大、原油产量提升，使油田集输处理量不停增加，原有工艺和系统出现了很多问题。所以对于石油钻机送钻控制系统可靠性研究刻不容缓。
石油钻机自动送钻系统是钻机自动控制技术关键发展方向之一，自动送钻就是指钻机在正常钻进过程中,不依靠司钻人员调整,而是根据钻井工艺要求,经过控制系统自动调整钻压、转速、送进钻具。自动送钻技术经历了用于带式刹车和盘式刹车两个阶段,中国自动送钻技术起步较晚,现在,中国大部分钻机使用刹车系统是带式刹车,但带式刹车自动送钻,因为包含一系列气动和机械传动装置,不轻易和电控制信号接口,整个自动送钻控制系统复杂,可靠性、正确性和平稳性极难确保。盘式刹车自动送钻因为采取液压力直接控制盘式刹车刹紧力,无需任何中间过渡步骤,轻易和电控制信号接口,所以盘式刹车自动送钻轻易实现遥控和自动化操作。
所以，研究石油钻机送钻控制系统可靠性,能克服人工送钻过程不均匀性，不稳定性，能够实现钻头连续自动给进，延长钻头使用寿命，实现钻井过程优化，太该钻井速度，改善井身质量，降低钻井成本，一直受到石油工程界广泛关注。
对于检验控制系统或设备在正常工作过程中工作状态,确定潜在危险,并对危险原因进行辨识和分析。估计这些危险对人员伤害或对设备损坏可能性大小,为经营管理者决议工作提供立即、全方面、正确信息资源。同时能够确保石油钻机送钻控制系统正常工作,确保原油安全生产，有效控制生产技术指标，减轻工人劳动强度,提升效率和安全系数使钻机钻井自动化水平得到较大提升，达成良好经济效益和社会意义。
2.石油钻机中国外研究现实状况
（1）石油钻机国外研究现实状况
交流变频调速电驱动石油钻机(AC—GTO—AC石油钻机)是国外新发展起来一个优异电动石油钻机。这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面含有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟优越性能。这种钻机关键技术就是采取了交流变频调速技术。交流变频调速技术是一个包含电动机理论、自动控制理论、电路拓朴理论、电力电子技术、微电子及计算机技术综合性交叉技术。教授认为交流变频电驱动钻机是现代高新技术和石油钻井机械有机结合，含有强大生命力，是现代石油钻机发展趋势。
?
多年来，因为上述技术和可自关断全控技术、脉宽调制技术(PWM)、电机控制技术、矢量控制技术及直接力矩控制技术飞速发展和应用，促进了交流变频调速技术迅猛发展，交流变频调遣陛能，已完全达成石油钻井工艺对钻机驱动传动系统调速性能要求。
为了使油田电网供电固定工频(50I--Iz)输出后成为可变频率，通常采取整流技术，把工频经过整流变为直流，再经过逆变技术，把直流变成可调交流。原来采取不可自关断半控器件，需要强迫换流来实现逆变，而强迫换流则需要辅助直流电源。用于换流电源器件、电感及电容，造成逆变电路体积庞大、投资增大、换流损耗大、逆变效率低、可靠性差和因为半控器件开关频率低极难采取脉宽调制技术等问题。应用可关断全控技术以后，因为可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可靠性高、电压控制、驱动功率小、驱动电路轻易实现等优越性能，克服了采取不可白关断半控器件造成逆变电路一系列问题。PWM技术应用，使电机力矩脉动减小，谐波分量减小，满足了交流电机供电要求。另外，PWM技术在调整频率同时，经过控制输出电压脉冲宽度，调整输出交流电压幅值，实现在逆变桥同时调整输出频率及电压。矢量控制技术经过对三相电机3／2变换把三相量，解耦成类似直流电机励磁分量及转矩分量，并对其量独立控制，再经过2／3变换成交流供电三相量来控制电机，确保了力矩控制线性关系，从而达成了直流电机控制特征。伴随微电子技术及计算机技术发展，法国AL—STON等企业已推出成熟矢量控制型交流变频器，并成功地应用于石油钻机系统。ALSTON企业生产交流变频石油钻机代表了当今世界交流变频钻机一流水平。该钻机控制系统为分布式，其主控系统能够实时处理多种操作指令，监控各子系统运行，立即处理故障，经过网络同各子系统进行数据交换，经过互联网完成同外界信息交换。该钻机有以下各子系统：扭矩控制系统(顶驱或转盘控制系统)、刹车控制系统、平衡控制系统、游车控制系统、灌注控制系统、钻井泵及能量回馈控制系统等。各子系统同主控系统共同实现高级控制策略。各子系统采取闭环系统控制，每个子系统含有智能化和自适应功效。各子系统经过各算法程序确保钻机在多种复杂工况下实现最好工作，如扭矩控制系统结构是：交流电机、交流变频器、可编程控制器(ALSPAl800k光电编码器。当系统闭环后，该控制能确保钻具平稳，降低钻具振动(软扭矩控制)，并能确保钻具在零转速下实现满转矩输出，同时实时和主控制系统进行数据／指令／状态传输，实现现场控制。该钻机分布式控制系统含有易操作。高精度、高可靠性、人工智能化、自动化和可控制等性能。当钻机控制系统运行时，司钻能经过TV显示器(视频，图形化界面)了解多种参数改变，．并实时自检各系统工作状态。当发生故障时，能立即报警，在报警同时，能检测出发生故障子系统及模块代码，并对故障同时进行智能分级处理。出现严重故障时，能自动开启辅助系统，确保钻机工作正常运行，同时，依据故障代码使系统快速恢复。?
（2）中国石油钻机技术现实状况
多年来，全球经济快速发展对能源需求不停增加，促进了油气资源勘探开发快速发展，使石油装备制造业进入了黄金发展期。石油钻机技术水平已由过去仿制、引进、消化、吸收发展到了以自主开发为主阶段。多年来，以宝鸡石油机械有限责任企业(以下简称宝石机械)为代表中国石油装备制造企业前后开发了适适用于陆地、沙漠和海洋环境使用石油钻机，钻机钻深能力也由1000-7000m 发展到9000m、120XXm，传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合驱动等多个形式。，中国石油钻机基础满足了中国油气勘探开发需要。同时，国产钻机出口量也在逐年增加，并进入国际高端市场或主油区作业。现在，中国主流钻机制造商已形成年产常规钻机400 余台能力。中国已成为全球最大钻机制造国。
自1998 年以来，石油钻机制造业发展快速，国产钻机整体技术水平己得到了普遍提升，尤其是部分单元技术己靠近或赶上国际优异水平，这些钻机基础上满足了中国不一样区域、多种钻井工艺对钻机要求。现在中国三大油气企业拥有钻机总量约1700 套，机型包含机械驱动、直流电驱动、交流变频电驱动、机电复合驱动钻机。
1.机械驱动钻机
这类钻机已形成钻深从1000-7000m 多个规格系列产品， 3000m 井深以下基础上是绞车和转盘联合驱动，钻井泵组独立驱动； 3000m 井深以上基础为多机组并车，并车方法有皮带和链条两种，现在己基础系列化。以底座结构形式分有车载式、半拖挂式、块装式、自升式、箱叠式；井架形式大多采取K 型（含伸缩式）、A 型、桅杆式；绞车有内变速也有外变速；这类钻机油田在用量较大。
2.直流电驱动钻机
现在已形成了20XX-7000m 多个规格产品。该类钻机采取AC-SCR-DC 直流电传动，性能优异，控制方便可靠，可充足满足现代钻井工艺需要。钻机底座有块装式、自升式；井架形式有K 型、A 型；这类钻机绞车和泥浆泵全部为独立驱动，转盘和绞车有联合驱动也有独立驱动。电传动控制系统已基础国产化，是钻机出口和出国技术服务主力机型。中国直流电驱动钻机传动及控制技术达成了世界优异水平。
3.交流变频电驱动钻机
自97 年宝石机械首次将交流变频技术应用于石油钻机以来，多年交流变频电驱动钻机在中国得到了快速发展，这类钻机己形成了1000-120XXm 系列产品，并已批量出口。该系列钻机采取大功率AC-VFD-AC 交流变频电传动，电传动系统对控制对象采取闭环控制，并对控制进行实时监控，实现定量控制，对于钻井工况，能够实现提升系统悬停和转盘堵转；利用交流电机在零转速下能够承载全部负载优势，实现再生制动，并可为绞车提供全动态制动；同时应用模糊控制理论，实现主电机或独立自动送钻电机自动送钻；现在绞车均为单滚筒轴结构。交流变频控制技术因其控制精度高、系统功率因数高、兼容性好、易于实现自动化、智能化及网络化控制，同时自动送钻技术广泛应用使得钻井效率及井深质量得到极大提升，现在已成为深井、超深井钻井首选机型。9000m 和120XXm 钻机由宝石机械分别于20XX 年和20XX 年研制成功，当初在中国外引发石油行业强烈反响。9000m 钻机被中国教授称为石油行业“神六”，并被评为中石油20XX 年十大科技进展之一，去年底已经过教授会议判定，认为其关键技术达成世界领先水平。该产品已批量生产并开始出口。120XXm 钻机被两院547 各院士评为20XX 年中国十大科技新闻第二名，也是中石油20XX 年十大科技进展之一。该钻机是中国钻井深度最深钻机，是全数字控制交流变频电驱动钻机。该钻机采取全数字控制大功率交流变频系统，实现9台交流变频电机宽频控制，采取国产电传动控制系统、大功率单轴齿轮传动绞车、工作压力52Mpa 2200HP 钻井泵、承载9000kN 游吊系统及自升式井架、底座，满足120XXm 特深井钻井作业，现在正负担中石化在四川德阳“川科一井”钻探任务，并经受了汶川大地震考验。
4.机电复合驱动钻机
这类钻机依据绞车、转盘、钻井泵工作特点和性能要求，灵活选择相适应动力驱动方法，有效地组合在一台钻机上，能以最经济动力配置取得最好工作性能，现在在中国油田已作为替换大庆130 型、ZJ45 型钻机首选方案。
5.特种钻机
这种钻机关键是针对不一样环境或地域及特种钻井工艺而开发，如适应沙漠环境沙漠钻机、适应低温环境极地钻机、适应于快速迁居要求高移运拖挂钻机、适应于沼泽地、丛林沼泽钻机和直升机吊装钻机等等。沙漠钻机自1987 年中国首台6000m 直流沙漠钻机研制应用以来，现在中国技术已基础成熟，并已经有批量出口到中东高温沙漠地域应用。适应于快速迁居要求高移运拖挂钻机，现在中国已含有生1000-7000m 钻机能力，已生产该类钻机中以3000m、4000m 井深居多，在新疆和中东沙漠地域全部有使用。对于适应于低温丛式井作业列车轨道式极地钻机和适应于浅稠
油开采斜井钻机，现在中国也拥有其技术
3.毕业设计（论文）关键内容
本课题以宝鸡石油机械厂BSSZ-1型石油钻机盘刹自动送钻系统为研究对象，针对其自动送钻控制系统功效作出分析,研究其可靠性,并提出对应改善方法。建立钻机自动送钻控制系统故障树模型，进行可靠性定性定量研究，确定控制系统发生故障概率。对其控制系统可靠性研究关键有了解石油钻机组成及工艺步骤，中国外研究现实状况和趋势，了解影响控制系统可靠性原因。具体内容包含以下多个方面：
1）了解石油钻机组成及工艺步骤。
BSSZ-1型自动送钻系统是宝鸡石油机械研制一个新型刹车盘自动送钻控制系统。因为盘式刹车已一般配置不一样类型钻机，且技术和产品比较成熟，采取盘式刹车自动送钻系统能够适应不一样类型钻机和多种地层钻进恒钻压控制，国外有较多成功产品，已得到广泛应用。本系统是在已经有中国外技术和产品基础上，结合宝鸡石油机械有限责任企业研制系列盘式刹车装置，研制含有特点和自主知识产权更可靠，刚稳定和更安全石油钻机自动送钻控制系统。系统工作可靠、技术性能优良和系统稳定性好，确保系统送钻均匀，钻压波动小，含有提升机械钻速，增加钻头进尺，安全监控，降低四钻劳动强度，以适应钻井现场苛刻要求。
其系统结构以下图1所表示。
图1 自动送钻系统结构图
系统控制原理以下图2所表示。
智能控制（策略）
图2 系统控制原理图
2）危险危害原因辨识
由工艺步骤和控制系统组成来看拟有以下多个关键危险危害原因：
（1）PLC控制器故障
（2）触摸屏故障
（3）UPS电源故障
（4）声光报警系统故障
（5）控制软件驱动故障
（6）控制程序故障
（7）液压系统故障
（8）传感器故障
（9）通讯故障
（10）离合器故障
（11）安全钳，工作钳故障
4.所采取步骤和方法
石油钻机送钻控制系统可靠性研究能够分为以下多个阶段：
准备阶段
明确研究对象，对宝鸡石油机械厂BSSZ-1型石油钻机盘刹自动送钻系统进行调查，并搜集相关石油钻机送钻系统中国外相关资料。
研究石油钻机送钻控制系统可靠性
依据石油钻机送钻控制系统说明书、原理图、接线图、生产工艺步骤及场所特点，识别和分析其潜在危险危害原因。并对其送钻系统可靠性作出研究。
3） 技术路线
拟采取故障树分析法对石油钻机送钻控制系统可靠性进行研究。
4） 提出方法及提议
依据定性，定量分析结果，提出消除或减弱危险危害原因技术和管理对策方法及提议。
5.阶段进度计划
第1-2周： 查找并消化资料，了解石油钻机送钻控制系统工艺及其关键要害部位，依据油田各关键要害部位、关键装置安全控制情况需要及油田工艺参数、设备参数设定控制部位及控制设备安装情况。
第3-4周：依据课题内容,撰写开题汇报。
第5-6周：查找和课题相关外文资料 ,并选择适宜外文资料进行翻译。
第7-8周：对石油钻机送钻控制系统进行功效分析。
第9-10周： 选择适宜可靠性分析方法，对石油钻机送钻控制系统进行定性定量分析。
第11-12周：依据分析结果提出对应方法。
第13-14周：完成可靠性研究结论和技术稳当编写。
第15-16周：完成修改，进行论文答辩。
6.参考文件
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[4] 林 立. 王德国. 盘式刹车恒钻压自动送钻技术研究.石油机械[J],20XX.28
[5] 史玉升,自动送钻过程安全监控系统设计和计算机仿真.石油机械[J] 1999.27（3）
[6] 史玉升，基于人工智能自动送钻监控技术. 石油机械，[J]20XX，28（1）：28-31
[7] 国外自动送钻装置现实状况和发展.国外石油机械[J]1996. 01
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[9] 李西峰. 许益民. 李树勋.中国外钻机自动送钻技术发展现实状况[D]中国知网
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[11] 贾秉彦，马广蛇，侯文辉，白永宏，毛玉琢,石油钻机发展中相关问题探讨。
石油机械[J] 20XX.24
[12] 王进全,中国石油钻机技术现实状况及发展趋势 [J]石油机械20XX.22
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[15] Safe Operating Procedures forSeismic Drilling [J] IS004-Petorleum Industry
Revised April 20XX
[16] An overview of horizontal directional drilling in rock [M] Goodman, Richard E.
(1989). Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons, New York, NY.
[17] Investigations of pipe installation using directional drilling [D] GeoEngineering
Centre at Queen’s – RMC, Queen’s University, Kingston, Canada
Trenchless Technology Center, Louisiana Tech, LA, USA
[18] International Association of Drilling Contractors [P] Dr. Lee Hunt
指导老师意见：
指导老师署名：
年 月 日
系（教研室）意见：
主任签字：
年 月 日
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