一種自動化鉆機機具協(xié)同作業(yè)優(yōu)化辦法

代炳曉，王 臣

（1.河北省河間市渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北滄州 062552；2.渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北滄州 062552）

0 引言

隨著石油工業(yè)自動化進程的不斷探索和發(fā)展，自動化鉆機取代當前傳統(tǒng)鉆機已成為石油鉆采行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。從動力貓道實現(xiàn)一鍵上/甩鉆、液壓吊卡實現(xiàn)遠程打開/關閉/旋轉、鐵鉆工實現(xiàn)自動上/卸扣、二層臺機械手和鉆臺機械手實現(xiàn)自動排管/送桿等功能，極大程度的降低了鉆臺面作業(yè)人員工作強度和作業(yè)風險，從分項作業(yè)流程上提高了鉆井作業(yè)效率，消除了傳統(tǒng)鉆機作業(yè)效率依賴于現(xiàn)場作業(yè)人員自身專業(yè)技能水平的弊端，減輕了人力成本高、勞動力緊缺、人員配置參差不齊的壓力。

1 存在問題

我公司目前投入使用的宏華7000 m 新型自動化鉆機依舊屬于初級自動化鉆機，在最大減少現(xiàn)場作業(yè)人員、工作量和作業(yè)風險的同時并未完全實現(xiàn)全部鉆井機具的智能化集成控制，依舊需要除主副司鉆外現(xiàn)場作業(yè)人員輔助來完成基本的鉆井作業(yè)過程，并且與以往常規(guī)鉆機作業(yè)流程比較，當前自動化鉆機還存在機具間人為控制作業(yè)流暢度低的劣勢，整體起下鉆的效率低于常規(guī)鉆機人工作業(yè)效率。導致上述問題的機具及產生問題的原因分析如下：

1.1 動力貓道和鐵鉆工

自身自動化程度較高，但缺少與其他機具間的聯(lián)動作業(yè)連鎖機制，屬于集成但非自動化集成控制裝置，協(xié)同作業(yè)效率依舊依賴于現(xiàn)場作業(yè)人員（副司鉆或遙控操作人員）的業(yè)務水平，同時缺少可供操作人員手動并行操作的控制畫面。動力貓道、鐵鉆工獨立控制畫面見圖1。

圖1 動力貓道、鐵鉆工獨立控制畫面

1.2 二層臺和鉆臺機械手

自身自動化程度高，自動化流程清晰，但依舊缺少與其他機具間的聯(lián)動作業(yè)連鎖機制，自身自動化集成控制有待優(yōu)化，鉆臺機械手存在速度慢、效率低且液控回路有誤動作等問題。

1.3 絞車和頂驅

自身自動化程度高，控制邏輯與保護功能相對成熟，存在與其他機具互動關聯(lián)的保護提醒（允許其他機具動作的提示）。

2 優(yōu)化辦法

從上述問題可以發(fā)現(xiàn)，目前自動化鉆機各機具本身的自動化程度較高，但協(xié)同作業(yè)功能基本處于初級自動化階段，不同廠家設備間的協(xié)同作業(yè)存在設計壁壘。在此提出一種解決辦法，對現(xiàn)有系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化原理

根據自動化鉆機集成司鉆控制原理，跳過各廠家自身控制程序的限制，從各機具控制功能和常規(guī)鉆機施工工藝流程著手，以各機具自身高自動化條件為基礎，在集成司鉆系統(tǒng)PLC 中對各機具控制功能進行程序化的相關聯(lián)絡，從而達到以滿足鉆井工藝規(guī)定流程和盡可能實現(xiàn)機具協(xié)同運行減少相對作業(yè)時間的半自動差序運行方式（關鍵過程需手動確認），實現(xiàn)各機具協(xié)同作業(yè)流暢度提升的優(yōu)化目的。優(yōu)化內容如下：

（1）控制畫面：增加新的控制畫面，根據屏幕布局和左右屏控制習慣，將可協(xié)同作業(yè)機具控制按鈕置于新畫面中（圖2）。

圖2 動力貓道與鐵鉆工可集成控制按鈕

（2）保護功能：在PLC 程序中添加基本控制邏輯保護程序，避免各機具協(xié)同作業(yè)時互相干涉現(xiàn)象發(fā)生，同時在畫面中添加相應的可運行狀態(tài)燈，對操作人員進行提示，避免誤操作。鐵鉆工允許操作互鎖邏輯圖見圖3。

圖3 鐵鉆工允許操作互鎖邏輯

2.2 辦法驗證及優(yōu)化

以鐵鉆工優(yōu)化驗證過程為例，在現(xiàn)場作業(yè)人員及輔助配合人員共同參與條件下，對鐵鉆工與絞車協(xié)同作業(yè)過程進行驗證：

2.2.1 程序驗證

根據PLC 程序邏輯內容，對絞車和鐵鉆工間連鎖狀態(tài)在調試設備上進行動態(tài)監(jiān)測，邏輯結果與機具動態(tài)過程響應正常。

2.2.2 動作驗證

在大鉤未提升到滿足鐵鉆工允許動作的預設高度，停止絞車動作并拍下盤剎，然后操作鐵鉆工自動旋轉至井口待命，驗證結果正常；在大鉤提升到滿足鐵鉆工允許動作的預設高度，停止絞車動作并拍下盤剎，然后操作鐵鉆工自動旋轉至井口待命，驗證結果正常。

2.2.3 協(xié)同驗證

在大鉤緩慢提升過程中，觀察鐵鉆工允許作業(yè)燈狀態(tài)并實際操作鐵鉆工自動旋轉至井口待命，驗證結果在大鉤位置低于預設位置時鐵鉆工不動作且允許運行狀態(tài)燈不亮同時手操鐵鉆工向井口運行無反應，在大鉤位置高于預設位置時允許運行狀態(tài)燈亮且鐵鉆工實際運行至井口待命位置。

2.2.4 實際作業(yè)

在前期驗證結果滿足正常作業(yè)要求的條件下，對鐵鉆工協(xié)同作業(yè)功能進行實際作業(yè)驗證，鐵鉆工動作功能和邏輯連鎖保護均實現(xiàn)預期要求，時效性及協(xié)作流暢性有實際提升，但在操作過程中發(fā)現(xiàn)大鉤位置存在未正常較零情況，此時大鉤位置顯示高于鐵鉆工允許動作的預設高度，但大鉤實際位置與鐵鉆工過程動作軌跡存在干涉，可能造成設備碰撞隱患，故將鐵鉆工允許動作的預設高度由固定值更改為屏幕手動輸入，當出線大鉤位置存在未正常較零情況時可手動將預設高度增大避免安全隱患，同時添加鐵鉆工協(xié)同作業(yè)時蜂鳴警示功能，警示主副司鉆同時進行人為判斷，提升鉆井作業(yè)的安全性。

2.3 驗證結果

通過鐵鉆工優(yōu)化驗證過程案列分析，此種優(yōu)化辦法可以達到自動化鉆機各機具間協(xié)同作業(yè)流暢性優(yōu)化的目的，進一步提升自動化鉆機在整個鉆井工況中的運行效率。但因為各廠家機具控制邏輯存在自我保護，無法做到真正意義上的全部集成，部分預期功能仍舊無法正常實現(xiàn)。

3 結論

隨著鉆井設備的自動化水平不斷提高，石油鉆機從自動化向智能化發(fā)展日漸成熟，現(xiàn)有初級集成式自動化鉆機已向一鍵式作業(yè)控制方向升級。通過對高性能自動化鉆機的引進，不僅可以減少生產班組的人員配備、降低人工成本、減輕勞動強度、提高作業(yè)安全性，更可以通過高智能自動化設備的應用提高鉆井時效、縮短作業(yè)周期、降低生產成本，從根本上提高了石油鉆井隊伍的競爭實力。