海洋鉆井集成司鉆控制系統(tǒng)的設計與應用

王世棟，廖天保，代爽玲，李 浪，張會寅，吳銳鋒

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760）

0 引 言

司鉆房是石油鉆機控制與顯示系統(tǒng)的核心部件，其性能直接關系到整部鉆機的生產(chǎn)效率。針對國內(nèi)的司鉆控制系統(tǒng)越來越無法滿足鉆機現(xiàn)代化發(fā)展需求的現(xiàn)狀，國內(nèi)相關各方一直致力于實現(xiàn)該系統(tǒng)的國產(chǎn)化，力求打破國外技術封鎖。“海洋地質(zhì)十號”鉆探船是我國自主設計、建造的集海洋地質(zhì)、地球物理和水文環(huán)境等多功能調(diào)查手段于一體的綜合地質(zhì)調(diào)查船，其司鉆控制系統(tǒng)的設計充分考量了國內(nèi)海洋鉆井平臺用戶的特殊需求，實現(xiàn)了鉆機各主要鉆井設備的集成操作和遠程監(jiān)視，為司鉆操作人員提供了集成化的操作終端，在實際應用中達到了預期效果。

1 集成司鉆控制系統(tǒng)總體描述

“海洋地質(zhì)十號”鉆探船是為滿足在1000m 作業(yè)水深下高效地進行鉆井勘探、靜力觸探（Cone Penetration Testing, CPT）作業(yè)和測井的要求設計的。圖1 為“海洋地質(zhì)十號”鉆探船集成司鉆房。司鉆控制房是為鉆機設計的，采用雙司鉆系統(tǒng)。主司鉆和副司鉆均采用一體化司鉆座椅操作，其中：主司鉆通過安裝在司鉆座椅上的開關、按鈕、手柄和觸摸屏等，控制提升系統(tǒng)、泥漿泵、液壓貓頭、液壓動力鉗和液壓吊卡等設備；副司鉆通過操作司鉆座椅左右扶手上的多功能手柄、鍵盤、開關和觸摸屏等，控制抓管機、動力貓道和取樣絞車等設備。主司鉆和副司鉆可同時通過觸摸屏和工業(yè)監(jiān)視顯示屏了解相關的鉆井參數(shù)和設備的工作狀態(tài)，當控制開關出現(xiàn)故障時，可通過觸摸屏進行應急操作的司鉆控制房布置有一個綜合操作臺，用于控制海底基盤、基盤絞車、取樣絞車、地質(zhì)絞車和臍帶絞車等設備。

司鉆控制房是由控制系統(tǒng)、鉆井參數(shù)顯示控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)組成的整體，其中：

1) 控制系統(tǒng)包括管柱處理控制系統(tǒng)、提升控制系統(tǒng)、基盤控制系統(tǒng)、取樣絞車及基盤絞車控制系統(tǒng)、升沉補償系統(tǒng)、頂驅(qū)控制系統(tǒng)、機具控制系統(tǒng)、室內(nèi)配電系統(tǒng)、正壓送風系統(tǒng)和可燃氣體探測系統(tǒng)等；

2) 鉆井參數(shù)顯示控制系統(tǒng)機械表頭實時顯示懸重、鉆壓、立管壓力和吊鉗扭矩等參數(shù)；

3) 監(jiān)視系統(tǒng)對取樣絞車、動力貓道、抓管機、甲板上井口、鉆桿盒、頂驅(qū)吊卡、基盤臍帶纜絞車、CPT 絞車、抓管機鉗頭、井架頂部滑輪、液壓大鉗、公共液壓站、泥漿泵、散料處理區(qū)、井架和電控間等處設備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行實時監(jiān)視，實現(xiàn)司鉆對被監(jiān)視位置情況的實時掌握，根據(jù)情況合理操作和通信。

集成控制系統(tǒng)集中安裝在司鉆房內(nèi)，主要包含主司鉆一體化座椅、副司鉆一體化座椅、集成控制柜、數(shù)顯式儀表臺、頂驅(qū)操控臺和其他輔助系統(tǒng)。根據(jù)被控設備和鉆井工藝的需要，系統(tǒng)配套有主、副2 套一體化集成司鉆座椅，對應控制不同的鉆井設備，主司鉆和副司鉆分工見圖2。

圖1 “海洋地質(zhì)十號”鉆探船集成司鉆房

圖2 主司鉆和副司鉆分工

主、副2 套集成司鉆座椅的硬件配置完全相同，下面以司鉆座椅為例進行介紹。司鉆座椅由左多功能手柄、右多功能手柄、電控觸摸屏、麥克風、閉路電視操作鍵盤和急停按鈕等組成。每套座椅都配置觸摸一體機，作為人機界面軟件的運行平臺，同時用于對相關鉆井設備進行控制操作和參數(shù)設定，并可進行設備運行狀態(tài)顯示和手柄功能提示等。

2 集成司鉆控制系統(tǒng)設計

2.1 正壓送風系統(tǒng)

正壓送風系統(tǒng)由2 套獨立的正壓送風空調(diào)系統(tǒng)組成，正常使用時一套運行，另一套備用。每套正壓送風空調(diào)系統(tǒng)都由新風空調(diào)、控制箱、差壓開關、溫度探頭和可燃氣體探頭等部分組成。

正壓送風系統(tǒng)設置新風口、排風口和回風口。正壓送風系統(tǒng)啟動之后，主機新風口風閘打開，向司鉆控制房送入經(jīng)過處理的新風；當司鉆控制房內(nèi)的壓力達到100±5Pa 時，新風口風閘關閉，司鉆控制房內(nèi)的空氣經(jīng)過回風口進入主機，經(jīng)降溫或加熱處理之后送入房間；當司鉆控制房內(nèi)的壓力低于30±5Pa 時，新風口風閘打開，向司鉆控制房送入新風；當司鉆控制房內(nèi)的壓力達到100±5Pa 左右時，新風口風閘關閉，周而復始。

正壓送風系統(tǒng)的新風口設置有探頭，當HS 和可燃氣體檢測單元檢測到新風口有HS 或可燃氣體時，系統(tǒng)自動關閉新風口風閘；司鉆控制房內(nèi)的控制箱上設置有復位按鈕，只有當報警信號消失、司鉆按下復位按鈕和室內(nèi)正壓力低于30±5Pa 時，新風口風閘才能打開。

2.2 室內(nèi)配氣系統(tǒng)

司鉆控制房的室內(nèi)配氣系統(tǒng)見圖3，其功能是將鉆井系統(tǒng)供給司鉆控制房的壓縮空氣分配給氣喇叭、氣動卡瓦、氣動刮雨器和噴淋裝置等用氣設備。

2.3 室內(nèi)配電系統(tǒng)

室內(nèi)配電系統(tǒng)為司鉆控制房內(nèi)的照明燈具、電暖氣、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、基盤絞車控制系統(tǒng)、取樣絞車控制系統(tǒng)、動力貓道控制系統(tǒng)、有線通信系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、升沉補償控制系統(tǒng)和喊話器等設備供電。

圖3 司鉆控制房的室內(nèi)配氣系統(tǒng)

3 司鉆功能操作

3.1 軟件激活與登錄

圖4 用戶登錄對話框

以司鉆人機界面為例，進入登錄界面之后單擊“登錄”按鈕，彈出用戶登錄對話框（見圖 4），在此輸入正確的用戶名和密碼，即可進入操作主界面，單擊“取消”仍會回到登錄界面。單擊“English”按鈕可實現(xiàn)中文界面到英文界面的切換。副司鉆的用戶登錄流程與司鉆相同。

3.2 主畫面和分區(qū)

用戶成功登錄之后進入默認主畫面。以司鉆為例，默認為“鉆井”畫面，人機界面的功能區(qū)域劃分見圖5。

由圖5可知，主界面的布局按功能和作用分為6個區(qū)域，具體功能如下。

1) 系統(tǒng)總覽區(qū)：顯示當前報警，確認當前報警按鈕、清屏按鈕、當前登錄的用戶名、系統(tǒng)時間和退出系統(tǒng)按鈕。

2) 狀態(tài)顯示區(qū)：以數(shù)字表盤、柱狀圖和數(shù)值控件等方式顯示設備當前的狀態(tài)、參數(shù)等信息，同時通過輸入窗口實現(xiàn)設備參數(shù)設置。

3) 左手柄功能指示區(qū)：指示當前左手柄的方向和按鈕對應的操作功能。

4) 右手柄功能指示區(qū)：指示當前右手柄的方向和按鈕對應的操作功能。

5) 操作功能區(qū)：設備的操作按鈕，按下按鈕，完成相應的控制動作。

6) 功能導航區(qū)：操作員可通過單擊相應的按鈕切換當前的操作設備畫面，其中單擊“菜單”按鈕會出現(xiàn)系統(tǒng)所有畫面的選擇按鈕。

圖5 人機界面功能區(qū)域劃分

3.3 鉆井功能操作

鉆井畫面是常用畫面，涵蓋鉆井過程中與鉆井相關聯(lián)的舉升系統(tǒng)、吊卡和卡瓦設備的集成司鉆操作，該集成司鉆關于鉆井工藝的操作與監(jiān)視功能見表1。

表1 鉆井工藝的操作與監(jiān)視功能

鉆井人機界面主要分為狀態(tài)顯示、參數(shù)設置、手柄當前功能提示和操作按鈕等4 個功能區(qū)域。

3.4 報警與故障診斷

單擊“歷史報警”進入歷史報警畫面，通過該畫面查詢所有設備一段時間內(nèi)（30d）的報警信息清單。單擊“導出報警記錄”按鈕，可將報警記錄導出到Excel表格中。

以司鉆為例，增加“診斷列表”功能界面（見圖6），左側(cè)的樹形列表顯示設備的故障類型，單擊相應的故障類型節(jié)點，右側(cè)會出現(xiàn)引發(fā)該故障的可能原因與處理方式列表。

例如，選中綜合液壓站故障子節(jié)點“電機無法啟動”復選框，右側(cè)列表會顯示不同的原因分析和對應的解決方案。

圖6 “診斷列表”功能界面

4 結(jié) 語

目前該集成司鉆控制系統(tǒng)已應用到“海洋地質(zhì)十號”鉆探船的鉆探系統(tǒng)中，在海洋地質(zhì)鉆探中發(fā)揮了重要作用，達到了預期的效果。隨著技術的不斷進步，司鉆控制系統(tǒng)的功能會不斷完善，司鉆控制系統(tǒng)會更加人性化、智能化，更加安全、高效。液、電、氣一體化和人機界面控制的司鉆控制系統(tǒng)將是未來鉆機的發(fā)展趨勢。