液壓勘察船鉆機電液復合集成控制系統(tǒng)研制與應用

，， ， ，，，周海

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

隨著石油需求日益增加，迫切需要加大國內(nèi)油氣資源的開發(fā)力度，而陸上增產(chǎn)潛力相對較小。我國南海具有豐富的石油和天然氣資源，占我國油氣總資源量的1/3左右。為打破國外技術壟斷，實現(xiàn)海洋油氣資源的自主勘探開發(fā)，近年來國內(nèi)能源裝備制造企業(yè)設計和研制了一大批海洋油氣勘探裝備。

勘察船鉆機就是一種海洋油氣勘探關鍵裝備，其主要功能是對海洋油氣資源進行勘探和鉆探；對局部海域的海底地形地貌、地質(zhì)特征、水文參數(shù)等進行全面精細的探測調(diào)查。由于勘察船鉆機對鉆井設備的質(zhì)量、外形尺寸等要求十非苛刻，常規(guī)鉆井設備不能滿足勘察船的要求，小型勘察船鉆機通常采用液壓驅動為主。我國在用的小型勘察船主要通過進口，并且使用的年限較長，設備陳舊，處于更換期，急需研制新的勘察船鉆機，實現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代[1-10]。

1 液壓勘察船鉆機配套方案

液壓勘察船是將海洋鉆探、海底淺表層取樣、地震探測、單波束及多波束探測、深拖探測等調(diào)查手段集于一身的綜合地質(zhì)調(diào)查船。而地質(zhì)鉆探系統(tǒng)是最主要的船載勘探裝備，用于對海底地層的巖心采集、測井、原位靜力觸探以及搭載水下調(diào)查設備等，是獲得地層原位樣品及土層特性所必不可少的裝備。如圖1所示。

圖1 液壓勘察船鉆機

1.1 勘探系統(tǒng)

綜合地質(zhì)調(diào)查船地質(zhì)鉆探系統(tǒng)用于海上地質(zhì)勘探、取樣作業(yè)、CPT作業(yè)、測井作業(yè)等。全液壓勘察船鉆機主要由提升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、補償系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、基盤絞車和取樣絞車系統(tǒng)、泥漿泵組等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)布置在船體甲板上或船體艙內(nèi)。如圖2所示。

圖2 液壓勘察船鉆機布置示意

提升系統(tǒng)的上、下行是通過液壓油缸來完成，實現(xiàn)鉆探系統(tǒng)起下鉆作業(yè)，取消了傳統(tǒng)鉆探系統(tǒng)配套的絞車、游車和天車等設備。一臺綜合液壓站為提升油缸、基盤絞車、取樣絞車、液壓頂驅、液壓絞車、月池蓋、液壓貓頭、液氣大鉗、水平動力貓道等液壓設備提供動力，確保鉆探系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)。頂驅主傳動采用液壓驅動主軸旋轉，泥漿主循環(huán)管道通徑為120.65 mm(4英寸)，并向上貫通；其液壓控制系統(tǒng)具有無級調(diào)速功能，頂驅端最大載荷600 kN。自動化管子處理系統(tǒng)配有抓管機、鉆桿盒、水平動力貓道、液氣大鉗、動力卡瓦、液壓吊卡等機械化工具，可實現(xiàn)管柱從鉆桿盒至井口頂驅連接的自動化作業(yè)。所有設備均采用液壓或氣壓驅動，通過司鉆房內(nèi)的操控終端實現(xiàn)遠程控制。司鉆控制系統(tǒng)采用主副司鉆分區(qū)控制，協(xié)同配合，實現(xiàn)各個工藝過程的流暢作業(yè)。

該鉆探系統(tǒng)配有2臺由交流變頻電機驅動的160 kW鉆井泵，通過無級調(diào)速和變化缸套可實現(xiàn)鉆井泵不同的輸出壓力和排量。

鉆探系統(tǒng)配有散料系統(tǒng)，由混合漏斗、混合泵和破袋加料機等組成，構成半自動散料加料系統(tǒng)。

1.2 主要技術參數(shù)

水深+鉆深 600 m

最大地層鉆深 400 m

鉆柱中心通徑 121 mm

頂驅端最大載荷 600 kN

最大鉆柱重力 400 kN

升沉補償位移 ±1.5 m

提升方式 油缸舉升

2 液壓勘察船鉆機控制對象分析

全液壓勘察船鉆機電液復合集成控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對液壓舉升裝置、液壓頂驅、鐵鉆工、水平貓道、抓管機、取樣絞車等鉆探設備的遠程控制，并對綜合液壓站的壓力、溫度、液位和各單元設備狀態(tài)參數(shù)、工藝參數(shù)等運行情況進行監(jiān)測。根據(jù)各單元設備的作業(yè)任務特點、執(zhí)行機構的驅動方式和數(shù)據(jù)傳輸模式，單元設備控制系統(tǒng)可分為本地控制、司鉆集成控制、應急控制3種模式。根據(jù)液壓設備的需要，液壓系統(tǒng)又分為閥控、泵控。本鉆機配套的各設備根據(jù)自身特點和工作特性的不同而采取不同的控制方式。

2.1 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)采用雙液缸直接驅動，完成頂驅的提升/下放作業(yè)。簡化了機械傳動流程，降低了機械設備故障率，并減輕了整機質(zhì)量。如圖3所示。

1) 提升/下放功能。通過操作司鉆房多功能手柄，完成頂驅的提升與下放作業(yè)，在提升與下放的過程中，速度可調(diào)，運行平穩(wěn)。

2) 安全功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、管線爆裂、液壓泵故障等意外情況時，液壓提升系統(tǒng)給出信號至PLC，PLC實現(xiàn)自動鎖住并報警。

3) 應急功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)意外停電或控制閥組故障時，可實現(xiàn)應急操作。

2.2 頂驅裝置

頂驅裝置由液壓馬達驅動，與背鉗、液壓吊卡配合使用。在鵝頸管上配有電動泥漿關斷閥，實現(xiàn)泥漿關閉；中心管頂部配電動球閥，當下取樣工具時，打開球閥，正常鉆井時關閉該閥。如圖4所示。

圖3 提升系統(tǒng)

圖4 頂驅裝置

2.3 升沉補償

升沉補償采取被動補償?shù)姆绞?。上端通過鉆井鋼絲與滑輪組連接，下端與頂驅相連，在井架內(nèi)側的導軌上下運行。升沉補償裝置主要由鎖緊油缸、導向輪、上下導向架、鋼絲滑輪總成、補償油缸等構成，如圖5所示。通過氣瓶組、活塞式蓄能器、補償油缸構成一類似于彈簧的執(zhí)行機構，實現(xiàn)船體上下升沉位移補償。

圖5 升沉補償裝置

2.4 管子處理系統(tǒng)

管子處理系統(tǒng)主要由抓管機、鉆桿盒、動力貓道、氣動卡瓦、鉆桿動力鉗、液壓吊卡等組成。其主要功能是將鉆桿從鉆桿盒中取出輸送給頂驅，或在起鉆時將鉆桿從頂驅輸送到鉆桿盒。如圖6所示。

圖6 管子處理系統(tǒng)

2.4.1抓管機

抓管機采用液壓控制，能夠覆蓋貓道兩側鉆桿盒中鉆桿的抓取，完成鉆桿盒與水平動力貓道之間的鉆桿傳遞。

2.4.2水平動力貓道

動力貓道為移動可拆式設計，主要由貓道本體、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。與頂驅吊卡配合完成鉆桿轉移，可現(xiàn)場遙控和在司鉆房控制。

2.4.3鉆桿動力大鉗

鉆桿動力大鉗主要由鉗體和升降架2部份組成，主要用于鉆桿和鉆鋌的上卸扣作業(yè)，動力大鉗在司鉆控制房中由主司鉆集中控制操作。

2.5 海底基盤收放系統(tǒng)

海底基盤收放系統(tǒng)的主要功能是控制基盤的起升、下放和取樣絞車的取樣作業(yè)。如圖7所示。

綜合地質(zhì)調(diào)查船進行深海作業(yè)時，由于受海浪作用，母船會隨著波浪產(chǎn)生升沉運動(垂蕩)，安裝在母船上的作業(yè)裝置也會產(chǎn)生升沉運動，影響到深水作業(yè)的基盤的正常工作。在基盤絞車上安裝波浪補償裝置，以跟蹤船舶升沉運動，減小波浪對深水勘察作業(yè)影響，特別是惡劣海況的影響。

圖7 海底基盤收放系統(tǒng)

2.6 泥漿泵

泥漿泵(如圖8)組分為泵組1和泵組2，為臥式三缸單作用活塞泵。根據(jù)泥漿泵在船艙內(nèi)的擺放位置不同，泵組1與泵組2的吸入管線和排出管線的布局不同。

2.7 綜合液壓站

液壓站是鉆井系統(tǒng)的主要動力單元，為提升系統(tǒng)、頂驅、基盤/取樣系統(tǒng)、月池門和管柱處理系統(tǒng)提供動力。液壓站配套水冷裝置一套，液壓站回油、卸荷回油及加油濾油回油均可經(jīng)水冷裝置或直接回油箱。

液壓站具有油溫、油位、油污報警裝置。各濾油器帶24 V堵塞電發(fā)訊器和目視發(fā)訊裝置，具有堵塞旁通功能,可給司鉆房預留報警信號。液壓站為整體結構，電機、泵、油箱及電控箱整體成撬放在船上一個船艙內(nèi)。如圖9所示。

圖8 泥漿泵

圖9 綜合液壓站

3 集成控制系統(tǒng)設計

3.1 控制和檢測設備(如表1)

表1 控制和監(jiān)視設備

3.2 液壓系統(tǒng)

電液復合控制系統(tǒng)主要負責液壓執(zhí)行器的控制，包括高壓、中高壓和回油3組壓力等級的液壓回路。高壓回路用于舉升系統(tǒng)、頂驅系統(tǒng)的控制；中高壓回路用于機具液控閥組的驅動；回油回路在閉式系統(tǒng)中用于液壓介質(zhì)的回收。

為了保證液壓系統(tǒng)動力輸入的可靠性，液壓系統(tǒng)動力由2臺主電機帶動泵站供給，液壓站2臺主電機均支持一用一備的工作方式，液壓站液壓源通過控制閥后進入各設備控制系統(tǒng)液壓回路。為克服液壓源壓力波動可能引起液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時滿足在液壓供油回路出現(xiàn)故障時，確保系統(tǒng)保持足夠壓力，配置了一組液壓蓄能器；為確?？辈齑@探系統(tǒng)安全，關鍵閥組具有液壓自鎖和失壓關斷功能。為實現(xiàn)舉升油缸快、慢速提放以及自動送鉆，專門設計了差動功能，確保舉升系統(tǒng)滿足所有作業(yè)工況需求。

3.3 集成控制系統(tǒng)

集成控制系統(tǒng)包含了對整套鉆井包的控制，集機械、視頻采集、電控、儀表于一體，是鉆機的核心控制系統(tǒng)，是對成套鉆井包的高度集成。

通過主副雙司鉆集成操控座椅，實現(xiàn)所有設備的集中控制和監(jiān)視。如圖10所示。

圖10 雙司鉆集成操控座椅

系統(tǒng)采用可編程控制技術、工業(yè)網(wǎng)絡通訊技術，將石油鉆機變頻系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成集成控制系統(tǒng)。完成了鉆機各控制單元的有效整合，克服了常規(guī)鉆機配套的各子系統(tǒng)相互獨立、配置重復的缺點，搭建了勘察船鉆機自動化、智能化控制平臺，引領了今后勘察船鉆機集成控制的發(fā)展方向。

3.4 PLC程序設計

系統(tǒng)設計選定的是西門子S7系列PLC，每個單元設備配套一套PLC控制站，針對每一套控制站開發(fā)專用PLC程序，實現(xiàn)對被控設備的信號采集和控制輸出，并實現(xiàn)設備內(nèi)部的控制邏輯、限位和保護等。為了實現(xiàn)對各二級子站的管理，還需要開發(fā)對應設備間的交接、互鎖、防碰等控制程序，實現(xiàn)多個被控設備的集中管理。在PLC控制站的軟件程序開發(fā)過程中，首先以各設備工作工藝要求為依據(jù)，進行各功能模塊分解，最后通過分塊協(xié)作編寫程序代碼方式完成。例如圖11為動力鉗程序界面。

圖11 動力鉗程序界面

3.5 人機界面軟件開發(fā)

人機界面是操作人員和被控設備之間傳遞、交換信息的媒介和窗口。本系統(tǒng)人機界面的軟件基于西門子winCC 7.3版本軟件而開發(fā)，為實現(xiàn)對操作人員權限的管理，專門設計開發(fā)了登錄界面；根據(jù)主副司鉆的分工分別設計了主副司鉆人機界面程序；根據(jù)勘探船鉆機的作業(yè)工藝過程，設計開發(fā)了鉆井、起下鉆等工藝操作人機界面；根據(jù)配套設備分別設計了各單元設備的人機界面畫面。如圖12所示。

圖12 鉆井人機界面

4 應用

該勘察船已通過項目組的正式驗收，交付給用戶，被命名為“海洋地質(zhì)十號船”，該船的成功建造彌補了我國在小噸位、大深度海洋地質(zhì)鉆探領域的不足，擴展了我國海洋地質(zhì)調(diào)查的技術能力。提升了我國重點海域油氣和天然氣水合物的勘探能力，為下一步自主設計建造更大噸位的天然氣水合物鉆采船(大洋鉆探船)提供了有力的技術和經(jīng)驗支撐。

截止目前，海洋地質(zhì)十號船已完成了多次海試，并進行了項目的驗收，當前正在南海進行取樣作業(yè)。

5 結語

隨著未來人工智能技術的發(fā)展，油田鉆井裝備的自動化、智能化終將實現(xiàn)。開發(fā)出性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、智能化程度高的石油勘探設備已成為未來發(fā)展的主要方向。

1) 向“電液復合集成控制”方向發(fā)展。傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探系統(tǒng)均采用滾筒絞車、頂驅、泥漿泵等設備實現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的由電機帶動變速箱驅動滾筒的絞車、頂驅等設備將被油缸、齒輪齒條、全液壓頂驅等電液復合控制設備所替代。電液復合設備的質(zhì)量輕、占用空間小，成本低，方便維護和管理，對勘探船有著顯著的優(yōu)勢，必將逐步取代傳統(tǒng)的、笨重的設備，成為下一步的發(fā)展方向。

2) 向智能機器人方向發(fā)展。目前，很多勘探作業(yè)仍然需要由人工完成，工人勞動強度大、作業(yè)風險高。為了減少人員和作業(yè)風險，相應的智能化機器人不斷涌現(xiàn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工作業(yè)，通過遠程操控或自動控制實現(xiàn)野外的勘探作業(yè)。為此，2017年國家科技部啟動實施了“智能機器人”重點專項，重點攻克人機自然交互與協(xié)作共融等重大基礎前沿技術，未來機器人作業(yè)代替人工作業(yè)將成為必然的發(fā)展趨勢。

3) 向“一鍵式人機交互”方向發(fā)展。當前部分勘探裝備已實現(xiàn)了司鉆房集中控制，但對部分設備的操控還離不開人工的干預和配合，這不僅增加了操作的繁瑣性，還會造成各個作業(yè)過程的交接出現(xiàn)等待，不順暢，影響效率。為了改變現(xiàn)狀，需要對當前的鉆探工藝進行重新梳理和優(yōu)化，按照新的鉆探工藝開發(fā)出一鍵式人機交互操控系統(tǒng)。實現(xiàn)自動連續(xù)人機協(xié)同作業(yè)將成為下一步發(fā)展的目標和方向。