idriller石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)研制概要

魏培靜，于興軍，劉向軍，楊雙業(yè)，梁衛(wèi)斌，林 康，王 飛

(1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

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idriller石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)研制概要

魏培靜1，2，于興軍1，2，劉向軍1，楊雙業(yè)1，2，梁衛(wèi)斌1，2，林 康1，2，王 飛1，2

(1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

隨著石油鉆機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，司鉆需要操作和監(jiān)視的設(shè)備越來越多?，F(xiàn)有常規(guī)鉆機(jī)中將各個(gè)設(shè)備操作按鈕、手柄以及控制箱在司鉆房內(nèi)進(jìn)行“堆積木式”拼裝的模式，存在著安全性差，布局混亂等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足未來鉆機(jī)的操作要求，成為制約國產(chǎn)鉆機(jī)整體技術(shù)水平提升的瓶頸。國外為解決此類問題已開發(fā)出多種石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，并進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。國內(nèi)目前尚處于起步階段。該文從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、多級急停機(jī)制、司鉆操作終端理念、防碰撞機(jī)制與軌跡規(guī)劃、人機(jī)界面程序以及歷史記錄功能開發(fā)等方面介紹了國內(nèi)研制的首套鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)——“idriller”。該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在多套鉆機(jī)中的工業(yè)化應(yīng)用，提升了國產(chǎn)鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化、信息化水平。

鉆機(jī)；集成控制；司鉆；網(wǎng)絡(luò)；操作

近年來，隨著鉆井提速和現(xiàn)場HSE要求的呼聲漸高，鉆井作業(yè)中常規(guī)依靠人工“拖、拉、抗、拽”的體力勞動(dòng)逐漸被機(jī)械化裝備所替代，尤其是操作也由現(xiàn)場逐漸改為司鉆遠(yuǎn)程操控。國內(nèi)目前常規(guī)做法是，各設(shè)備均配有各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)，同時(shí)在司鉆房內(nèi)又有各自獨(dú)立的操作終端，彼此系統(tǒng)之間很少有控制信號和狀態(tài)信息的傳遞，即缺少統(tǒng)一的“司令部”指揮協(xié)調(diào)。

這種常規(guī)鉆機(jī)控制系統(tǒng)“堆積木式”拼裝模式存在諸多的弊端，包括：司鉆房內(nèi)操作元件過多，風(fēng)格各異，布局混亂，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃，不具備人性化操作要求；安全性差，各個(gè)設(shè)備(子系統(tǒng))之間彼此缺少信息傳送渠道，在邏輯互鎖、設(shè)備運(yùn)動(dòng)防碰撞等功能方面不夠完善；針對配套有全套管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的鉆機(jī)而言，由于設(shè)備多，現(xiàn)有模式已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)對各個(gè)設(shè)備的操控要求；擴(kuò)展不方便，用戶在后期增加設(shè)備或子系統(tǒng)時(shí)比較困難，故開發(fā)一種全新控制模式的“鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)”迫在眉睫。為此，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司自主開發(fā)了idriller石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了商標(biāo)注冊。

1 鉆機(jī)集成控制技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)鉆機(jī)已經(jīng)廣泛采用了PLC數(shù)字控制技術(shù)、變頻(VFD)及晶閘管(SCR)傳動(dòng)控制技術(shù)、管柱自動(dòng)化處理技術(shù)等，已解決了鉆機(jī)原有依賴于人力現(xiàn)場體力勞作的方式，其操作方式也逐步由室外現(xiàn)場作業(yè)變更為司鉆房內(nèi)操作[1]。

限于國內(nèi)鉆機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的細(xì)化分工配套模式，鉆機(jī)中的頂驅(qū)、管柱自動(dòng)化處理工具、VFD/SCR電傳動(dòng)系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、盤剎系統(tǒng)、視屏監(jiān)控系統(tǒng)等均來自不同的配套商，其各個(gè)系統(tǒng)又分別配有各自控制單元和司鉆操作顯示終端。雖然，通過遠(yuǎn)程化控制技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述各個(gè)設(shè)備的司鉆房內(nèi)集中操作，但由于缺少后臺集成控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理，所以各個(gè)單元設(shè)備(系統(tǒng))的控制邏輯相對獨(dú)立，屬于“堆積木式”組合方式，安全性較差；同時(shí)，由于不同配套商之間的操作終端設(shè)計(jì)風(fēng)格不同，所以很難實(shí)現(xiàn)人性化的統(tǒng)一操作模式和顯示風(fēng)格，甚至多個(gè)設(shè)備還設(shè)置有獨(dú)立操作箱(柜)，造成了司鉆房布局混亂[2]，如圖1～2所示。

圖1 常規(guī)鉆機(jī)司鉆房布局

圖2 常規(guī)鉆機(jī)頂驅(qū)操作箱

1.2 國外現(xiàn)狀

針對上述問題，國外相關(guān)企業(yè)在數(shù)年前開始研制“鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)”，即：建立各個(gè)系統(tǒng)間信號傳輸渠道、形成后臺統(tǒng)一指令和信號管理系統(tǒng)、完成司鉆操作終端統(tǒng)一整合。歷經(jīng)數(shù)次的技術(shù)升級，其產(chǎn)品已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，首先應(yīng)用于海洋平臺鉆井系統(tǒng)中，近兩年已經(jīng)逐步向陸地鉆機(jī)推廣應(yīng)用，相對于國內(nèi)鉆機(jī)在此方面的起步晚、技術(shù)基礎(chǔ)薄弱等現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，該產(chǎn)品已成為其鉆機(jī)進(jìn)軍國際高端鉆井裝備市場的必備利器。

目前，以挪威AKER MH公司“drill view”系列和美國NOV公司“cyber base” 系列為代表的“鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)”產(chǎn)品，占據(jù)了此類產(chǎn)品市場的絕大部分份額[3]，其售價(jià)均在數(shù)百萬元美元；另外，由于該產(chǎn)品在研制過程中需要定制開發(fā)鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的接口程序，處于工作量和技術(shù)保密等因素考慮，外方的此類產(chǎn)品往往與鉆井包捆綁銷售，一直以來該技術(shù)成為國產(chǎn)鉆機(jī)進(jìn)入國際高端鉆井市場的瓶頸[4]。圖3～4為國外“鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)”一體化司鉆操作終端圖片。

圖3 drill view 集成化司鉆控制系統(tǒng)

圖4 cyber base集成化司鉆控制系統(tǒng)

2 idriller石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

集成化控制首先需要解決原本各自獨(dú)立的控制器設(shè)備之間狀態(tài)信號和控制指令的傳輸問題，idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)結(jié)合鉆機(jī)工作特點(diǎn)，開發(fā)了基于環(huán)網(wǎng)通訊技術(shù)的3級網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 idriller石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

現(xiàn)場級主要為各個(gè)單元設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)完成獨(dú)立設(shè)備的基本控制功能和設(shè)備信息狀態(tài)的檢測；中間級為“環(huán)形”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)將上位級和現(xiàn)場級之間的數(shù)據(jù)傳遞工作，通過環(huán)形主干網(wǎng)以及冗余服務(wù)器結(jié)構(gòu)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出線故障時(shí)利用“遇阻自動(dòng)反向傳輸”機(jī)制確保了該故障點(diǎn)不影響單元設(shè)備控制站與上位機(jī)的信息傳輸，同時(shí)后臺核心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了各個(gè)單元設(shè)備的控制指令間協(xié)調(diào)和動(dòng)作管理；上位機(jī)根據(jù)用戶需要可配置一套或兩套一體化座椅，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)全套設(shè)備的集成化操作和信息顯示。

2.2 全新操作理念的一體化司鉆終端開發(fā)

常規(guī)鉆機(jī)司鉆控制均采用“一對一”的物理開關(guān)控制模式，即：每一個(gè)設(shè)備均通過一個(gè)唯一手柄、開關(guān)或按鈕來實(shí)現(xiàn)操作。idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)開發(fā)過程中為解決司鉆操作臺布局混亂，風(fēng)格不統(tǒng)一的問題，創(chuàng)新性的提出了“一鍵多能，多鍵協(xié)作”操作理念，開發(fā)了全型式的一體化司鉆終端，如圖6～7所示。

圖6 idriller一體化司鉆操作座椅模型

圖7 idriller一體化司鉆操作座椅樣機(jī)

借助于后臺軟件系統(tǒng)，通過該一體化座椅實(shí)現(xiàn)了頂驅(qū)、絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、鐵鉆工等所有鉆機(jī)設(shè)備的操控；同時(shí)將儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、VFD電傳動(dòng)系統(tǒng)等常規(guī)機(jī)械式顯示表盤/屏幕等信息全部集成顯示在一體化化座椅前端顯示屏內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)了所有鉆機(jī)子系統(tǒng)操作終端的統(tǒng)一化、集成化、人性化設(shè)計(jì)，簡化效果非常明顯?？梢哉f，該種司鉆終端操作理念對鉆機(jī)而言是一次革命性的變革。

同時(shí)，當(dāng)鉆機(jī)配備的遠(yuǎn)控設(shè)備較多時(shí)，為提供作業(yè)效率，上位機(jī)也可以進(jìn)行雙司鉆的配置方案，即：通過兩套完全相同的一體化座椅進(jìn)行任務(wù)分工，兩名司鉆人員并行操控，完成鉆機(jī)的操作。

2.3 多級急停安全機(jī)制設(shè)置

安全性是控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的考核指標(biāo)，集成控制模式下的鉆機(jī)，司鉆需操控的設(shè)備大幅增加，如何針對作業(yè)過程中出現(xiàn)意外情況的緊急程度，既保證安全又不影響其他設(shè)備作業(yè)的情況下干預(yù)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行是集成控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)問題，為此idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)開發(fā)過程中規(guī)劃設(shè)計(jì)了3級急停機(jī)制：

第1級。單元設(shè)備本體急停，即各個(gè)單元設(shè)備本體上有各自的急停按鈕，此急停按鈕觸發(fā)時(shí)可將本設(shè)備停止在當(dāng)前狀態(tài)。

第2級。所有設(shè)備動(dòng)作總急停，即在司鉆房以及鉆臺面設(shè)有該級別急停按鈕，用于集成控制系統(tǒng)下所有設(shè)備停止保持在當(dāng)前工作狀態(tài)，此時(shí)司鉆所有操作均無效。

第3級。鉆機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力急停，即控制整個(gè)鉆機(jī)動(dòng)力關(guān)閉，所有設(shè)備均無法操作，用于“井噴”等特別緊急情況下人員撤離前的最后操作。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，開發(fā)了專用的集成控制硬件急停電路，通過三者之間“與”、“或”、“非”的邏輯搭配實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的急停管理；同時(shí)由于該急停系統(tǒng)完全靠硬線連接的方式實(shí)現(xiàn)，避免了由于PLC控制器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致設(shè)備無法停機(jī)的情況發(fā)生，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 并行運(yùn)動(dòng)防碰及軌跡規(guī)劃功能開發(fā)

隨著多個(gè)管柱自動(dòng)化處理裝備(貓道、鐵鉆工、動(dòng)力鼠洞、緩沖機(jī)械手、泥漿盒、自動(dòng)井架工、氣動(dòng)指梁)的增加，鉆臺及井架的內(nèi)部空間將更加緊湊；另外，根據(jù)鉆井提速增效的需求，這些設(shè)備許多都是并行同步作業(yè)，加之上述設(shè)備均在司鉆房遠(yuǎn)程操作，視線無法達(dá)到常規(guī)鉆機(jī)中人員在室外現(xiàn)場作業(yè)那樣良好，故存在著“碰撞”的隱患，包括動(dòng)態(tài)設(shè)備之間的碰撞(例如頂驅(qū)與鐵鉆工)和動(dòng)態(tài)設(shè)備與靜態(tài)結(jié)構(gòu)之間的碰撞(例如機(jī)械手與井架)等[5]。

為此，idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)在后臺軟件系統(tǒng)中專門開發(fā)了“智能防碰管理”功能，在運(yùn)動(dòng)設(shè)備相關(guān)執(zhí)行元件上增加位置檢測傳感器(位移傳感器、編碼器)；通過臺程序?qū)崟r(shí)解算各個(gè)設(shè)備位置信息，以井口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，經(jīng)過軟件編程實(shí)時(shí)計(jì)算各設(shè)備可能存在的碰撞關(guān)鍵輪廓點(diǎn)，通過比較關(guān)鍵點(diǎn)的距離判斷是否處于防碰狀態(tài)，然后進(jìn)行自動(dòng)減速或軟件緊急制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)即將碰撞設(shè)備的停車；另外通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對動(dòng)態(tài)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行限制，并對其運(yùn)動(dòng)路線軌跡進(jìn)行規(guī)劃，在保證安全的情況下提高作業(yè)效率。

2.5 人性化操作界面程序以及歷史數(shù)據(jù)記錄功能開發(fā)

伴隨著該集成控制司鉆操作模式的徹底改變，一體化座椅顯示屏人機(jī)界面程序較常規(guī)鉆機(jī)也做了徹底的革新[6]，每個(gè)界面均采用分區(qū)域動(dòng)態(tài)顯示的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體規(guī)劃如圖8所示。

圖8 司鉆人機(jī)界面程序區(qū)域規(guī)劃示意

此外，本系統(tǒng)還開發(fā)專用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器程序，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)及工藝信息采集、存儲；同時(shí)將司鉆歷史操作記錄和報(bào)警信息記錄進(jìn)行自動(dòng)歸檔，通過數(shù)據(jù)回放可用于對事故分析和設(shè)備故障診斷。

2.6 第三方設(shè)備接口設(shè)置

鉆機(jī)交付用戶后，有時(shí)根據(jù)需要會增配其他電氣設(shè)備和自動(dòng)化工具，“idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)”在頂層設(shè)計(jì)時(shí)即為用戶考慮了這一需求。當(dāng)用戶增加其他第三方設(shè)備時(shí)，本系統(tǒng)為其預(yù)留了通用的標(biāo)準(zhǔn)信號接口(支持Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS等)，可方便實(shí)現(xiàn)新增設(shè)備與集成控制系統(tǒng)的對接，尤其是在司鉆房一體化座椅終端無需增加任何硬件開關(guān)、手柄，只需升級軟件程序即可實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備的集成操作，為用戶提供了良好的兼容性、擴(kuò)展性。

3 產(chǎn)品應(yīng)用情況

idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)是我國首套鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)產(chǎn)品，一經(jīng)推出便獲得了國內(nèi)用戶的廣泛關(guān)注。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司以工程項(xiàng)目合同鉆機(jī)為依托，截止目前，本產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10余套鉆機(jī)的商業(yè)化配套應(yīng)用；其中有3套鉆機(jī)已在國內(nèi)油田進(jìn)行作業(yè)近1 a，累計(jì)完成進(jìn)尺超萬米，具體如下。

1) 自2015-03始，大慶鉆探工程公司在徐深7-平1井7 000 m鉆機(jī)進(jìn)行了配套應(yīng)用，該產(chǎn)品為單司鉆idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，控制對象包含了DM4.5/10.5-L1型號動(dòng)力貓道、TZ 9 3/4-140S型號鐵鉆工、MBM203-24/29二層臺機(jī)械手等單元設(shè)備，截止目前已經(jīng)完成該井全部作業(yè)。

2) 自2015-04始，川慶鉆探工程公司在四川磨溪109井7 000 m鉆機(jī)投入使用，該產(chǎn)品為雙司鉆idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，控制對象除絞車、泥漿泵、頂驅(qū)等常規(guī)作業(yè)設(shè)備外，還包含了DM4.5/10.5-L1型號動(dòng)力貓道、TZ 9 3/4-140S型號鐵鉆工、HS375-500液壓卡瓦、TJG9 3/4-10S1自動(dòng)井架工、CDZH-500液壓吊卡及緩沖機(jī)械手、泥漿盒、鼠洞等單元設(shè)備，截止目前已完成首口井(鉆深5 300 m)作業(yè)。

3) 自2015-04始，由川慶鉆探工程公司在內(nèi)蒙古巴彥烏素噶查蘇14-15-34H2井5 000 m鉆機(jī)投入使用，該產(chǎn)品為單司鉆idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，控制對象包含了DM4.5/9-J舉升式動(dòng)力貓道、MBM203-20/28二層臺機(jī)械手、TZG 9 3/4-140S鐵鉆工、YDDZ5-18°-350液壓吊卡等單元設(shè)備，截止目前完成兩口井作業(yè)(第一口鉆深近4 700 m，第二口鉆深3 700余米)，正進(jìn)行第三口井作業(yè)。

經(jīng)過多套鉆機(jī)1 a多的工業(yè)化應(yīng)用，idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)使司鉆人員實(shí)現(xiàn)了除常規(guī)頂驅(qū)、絞車、泥漿泵等設(shè)備的集中化控制外；還完成了包括動(dòng)力貓道、鐵鉆工、扶正手、吊卡、卡瓦、泥漿盒、動(dòng)力鼠洞、自動(dòng)井架工(二層臺機(jī)械手)等在內(nèi)的所有管柱處理單元設(shè)備在司鉆房內(nèi)的集中操控和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，避免作業(yè)人員與鉆桿的直接接觸，在減員增效的同時(shí)大幅降低了人身安全風(fēng)險(xiǎn)，獲得了油田用戶的歡迎。

4 結(jié)語

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的idriller鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)采用可編程控制技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，將石油鉆機(jī)變頻系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)等組成集成化、智能化、信息化的一體化平臺。該系統(tǒng)完成了鉆機(jī)各個(gè)智能控制單元的有效整合，克服了常規(guī)鉆機(jī)配套的各子系統(tǒng)相互獨(dú)立、配置重復(fù)的缺點(diǎn)，提高了鉆機(jī)安全性，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員數(shù)量的減少，攻克了國產(chǎn)鉆機(jī)技術(shù)水平提升的關(guān)鍵難題。

[1] 于興軍，宋志剛，魏培靜，等.國內(nèi)石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀與建議[J].石油機(jī)械，2014，42(11)：25-29.

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[6] 姜鳴，何世聰，李遠(yuǎn)程，等.石油鉆機(jī)司鉆控制房的設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2005，33(6)：29-32.

Development Summary of idriller Integration Control System of Oil Drilling Rig

WEI Peijing1,2，YU Xingjun1,2，LIU Xiangjun1，YANG Shuangye1,2，LIANG Weibing1,2，LIN Kang1,2，WANG Fei1,2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOilandGasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

With the development of automatic control technology of oil drilling rig，more and more equipments controlled by driller.However，the existing model called building block which all buttons，Handles and the control boxes of equipments are fixed in the driller control room directly exists some disadvantages，such as the poor safety and the disordered distribution.The existing model hasn't satisfied requirement for operation of drilling rig in the future.It has restricted the development of technical level of domestic drilling rig.In order to resolve the problem，the foreign competitors have developed many drilling rig integration control systems.The competitors’ systems have already produced commercially. This production is still in its starting stage in china.The paper discussed the first set of domestic drilling rig integration control system called “idriller” include the network architecture，the multistage mechanism of E-stop，the new idea of operating for driller，the mechanisms of anti-collision&path planning，HMI software history register.At present，the “idriller” rig integration control system have already used in many rigs.The system raise the productive technical level of oil drilling rig in the following flowing aspects：automation，intellectualization，informatization.

drilling rig；integration control；driller；network；operation

2016-06-01

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃“深水鉆機(jī)與鉆柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”課題項(xiàng)目資助(2012AA09A203)；中國石油集團(tuán)公司項(xiàng)目“鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”(2011B-4301)

魏培靜(1980-)，女，陜西寶雞人，工程師，現(xiàn)從事石油機(jī)械研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作，E-mail：weipj123456@163.com。

1001-3482(2016)11-0088-06

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.019