在役海上模塊鉆機(jī)自動(dòng)化升級(jí)方案設(shè)計(jì)

朱本溫 ，劉雅靜，魏雙會(huì)，陳 波，李悅江

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，蘭州730300)

近年來，隨著石油工業(yè)科技的不斷發(fā)展，鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化水平不斷提高，大量新設(shè)備新技術(shù)在鉆機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用，作業(yè)效率得到大幅提升，并且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境也得到明顯改善[1-5]。模塊鉆機(jī)安裝在海上固定平臺(tái)上，由鉆井設(shè)備模塊(簡(jiǎn)稱DES)、鉆井支持模塊(簡(jiǎn)稱DSM)、散裝罐模塊、固井模塊、錄井模塊等組成[6-7]。從1981年埕北油田的第1套模塊鉆機(jī)開始，模塊鉆機(jī)在我國(guó)已走過40多a的發(fā)展歷程，在近海的渤海灣地區(qū)、東海區(qū)域、南海區(qū)域等得到了大量應(yīng)用[8]。但是，當(dāng)前模塊鉆機(jī)自動(dòng)化程度非常低，在建立根、起下鉆、甩鉆具等作業(yè)工況中，需要操作人員長(zhǎng)期處于鉆臺(tái)井口、二層臺(tái)區(qū)域，井口區(qū)域的鉆臺(tái)工需要上提/下放卡瓦、打開/關(guān)閉吊卡、搬運(yùn)液氣大鉗進(jìn)行管具上卸扣，勞動(dòng)強(qiáng)度大。井架工在高空露天作業(yè)，環(huán)境更為惡劣，并且作業(yè)效率低下，容易發(fā)生安全事故。

國(guó)內(nèi)中海油等鉆井作業(yè)公司對(duì)海上模塊鉆機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用需求迫切。本文從司鉆操作控制系統(tǒng)、管具處理自動(dòng)化、鉆井液處理自動(dòng)化、關(guān)井自動(dòng)化等多個(gè)方面對(duì)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 司鉆操作控制系統(tǒng)方案

目前，模塊鉆機(jī)仍舊以傳統(tǒng)的司鉆操作臺(tái)為主，各設(shè)備的操作臺(tái)一般相互獨(dú)立，通過搭積木的方式布置在司鉆房?jī)?nèi)各個(gè)位置，司鉆房?jī)?nèi)布置較為繁雜，后期升級(jí)困難，如圖1所示。集成操作控制系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，在多套陸地鉆機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用[9]，在功能上已經(jīng)具備國(guó)外同類產(chǎn)品的使用性能。

圖1 傳統(tǒng)模塊鉆機(jī)的司鉆房?jī)?nèi)景

在模塊鉆機(jī)上配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)，控制終端采用2臺(tái)完全相同的一體化座椅，每臺(tái)座椅上集成了操作顯示屏、操作面板、操作手柄、急停按鈕以及CCTV操作面板等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的動(dòng)作控制、狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警提示等，如圖2～3所示。

圖2 蘭石的自動(dòng)化鉆機(jī)一體化控制座椅

圖3 自動(dòng)化鉆機(jī)的HMI操作顯示界面

集成控制系統(tǒng)按照功能可劃分為集成控制總模塊、一體化儀表模塊、防碰互鎖模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與運(yùn)維等4個(gè)部分。

1.1 集成控制總模塊

集成控制總模塊是鉆機(jī)的核心控制模塊，該系統(tǒng)基于模塊鉆機(jī)的現(xiàn)有布局，將DSM模塊區(qū)域的設(shè)備控制統(tǒng)一接入DSM模塊的PLC中，將DES布置的絞車、轉(zhuǎn)盤、自動(dòng)化設(shè)備等設(shè)備的控制就近接入鉆臺(tái)電控房的PLC中，同時(shí)將鉆井儀表根據(jù)布置區(qū)域，就近接入DSM或DES模塊的PLC中，系統(tǒng)為防碰互鎖模塊、一體化儀表、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等提供數(shù)據(jù)交互接口。

整套系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的環(huán)形通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將PLC控制站(DSM模塊的PLC控制站、DES模塊的PLC控制站)、頂驅(qū)PLC控制站、雙司鉆椅控制站等連接到環(huán)形通訊網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)局部單體設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，不影響整套集成控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，具有較高的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，集成控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 模塊鉆機(jī)雙司鉆集成控制系統(tǒng)原理

1.2 一體化儀表模塊

該模塊是將鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的鉆井儀表(絞車編碼器、泥漿池液位傳感器、懸重傳感器等)信號(hào)直接接入PLC中，通過PLC將儀表的4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在HMI操作界面上的參數(shù)顯示及存儲(chǔ)，界面如圖5所示，并實(shí)現(xiàn)儀表參數(shù)的共享。

圖5 鉆井儀表HMI參數(shù)顯示界面

該模塊采用一體化的形式，省去了傳統(tǒng)的鉆井儀表臺(tái)和數(shù)據(jù)采集處理模塊DAQ，使用方只需采購(gòu)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表硬件，通過程序處理接入到控制系統(tǒng)中，降低了鉆井儀表模塊的采購(gòu)成本。

1.3 防碰互鎖模塊

為保障鉆井設(shè)備作業(yè)安全，系統(tǒng)集成了防碰互鎖管理模塊，通過實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的PLC運(yùn)行參數(shù)，通過內(nèi)置安全保護(hù)邏輯算法，實(shí)現(xiàn)碰撞可能性和安全互鎖預(yù)測(cè)，防止各設(shè)備之間運(yùn)行軌跡重疊而發(fā)生碰撞、管具交接出現(xiàn)掉落、設(shè)備在工藝流程中不允許同時(shí)運(yùn)行而造成設(shè)備損壞等，確保鉆機(jī)在使用過程中的安全性。主要的防碰互鎖安全保護(hù)邏輯包括以下幾點(diǎn)：

1) 防碰天車及下砸鉆臺(tái)互鎖控制。通過對(duì)絞車上安裝的編碼器獲取游車的實(shí)時(shí)位置信息和速度，通過設(shè)置上碰下砸保護(hù)邏輯程序，實(shí)現(xiàn)游車在高位、低位的減速控制及停車。

2) 提升系統(tǒng)與防噴器互鎖控制。當(dāng)防噴器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，禁止提升系統(tǒng)進(jìn)行升降操作，否則會(huì)造成防噴器的損壞。

3) 提升系統(tǒng)與二層臺(tái)排管機(jī)防碰控制。提升系統(tǒng)處于二層臺(tái)排管機(jī)下方位置時(shí)，禁止二層臺(tái)排管機(jī)伸出至井口中心位置。相反，當(dāng)二層臺(tái)排管機(jī)伸出至井口中心位置時(shí)，禁止提升系統(tǒng)下放至二層臺(tái)排管機(jī)以下位置，防止這2臺(tái)設(shè)備發(fā)生碰撞。

4) 液壓吊卡與動(dòng)力卡瓦互鎖控制。在游車低位，液壓吊卡處于打開狀態(tài)時(shí)禁止打開動(dòng)力卡瓦，防止管具發(fā)生掉落。

5) 液壓吊卡與二層臺(tái)排管機(jī)管具交接互鎖控制。排管至指梁交接時(shí)，二層臺(tái)排管機(jī)鉗頭未關(guān)閉時(shí)禁止打開液壓吊卡。相反，送管至井口交接時(shí)，液壓吊卡未關(guān)閉時(shí)禁止打開二層臺(tái)排管機(jī)鉗頭，防止交接管具發(fā)生掉落。

6) 泥漿泵與頂驅(qū)內(nèi)防噴器互鎖控制。泥漿泵處于工作狀態(tài)時(shí)，禁止頂驅(qū)內(nèi)防噴器關(guān)閉。相反，頂驅(qū)內(nèi)防噴器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，禁止泥漿泵啟動(dòng)工作，防止泥漿泵憋壓造成安全事故。

7) 旋轉(zhuǎn)設(shè)備(頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤)與防噴器互鎖控制。防噴器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，禁止旋轉(zhuǎn)設(shè)備(頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤)轉(zhuǎn)動(dòng)，防止鉆具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致防噴器膠芯的破壞。

8) 頂驅(qū)吊環(huán)高位防碰控制。頂驅(qū)高于鉆臺(tái)面一定高度時(shí)，禁止吊環(huán)向外伸出，防止吊環(huán)碰撞井架。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的特殊工況需要，設(shè)置2種防碰互鎖“屏蔽”功能。一種是有相應(yīng)權(quán)限的操作人員在HMI操作顯示界面上取消單獨(dú)的保護(hù)邏輯，這種調(diào)整方式用于一段時(shí)間內(nèi)的取消防碰互鎖。另外一種是在司鉆椅終端的操作手柄上設(shè)置固定的快捷按鈕，用于臨時(shí)取消防碰互鎖，滿足現(xiàn)場(chǎng)操作使用的靈活性。

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊主要是在遠(yuǎn)離鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)各設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)、參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該模塊主要包含現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器、防火墻、網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心等。集成控制PLC具有鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)完整的各設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)器與集成控制PLC連接，獲取各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)并形成數(shù)據(jù)包，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)無線遠(yuǎn)程傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)中心，如圖6所示。

2 管具處理自動(dòng)化方案

模塊鉆機(jī)目前已形成標(biāo)準(zhǔn)化體系，在設(shè)計(jì)及建造過程中先后執(zhí)行中海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 9002-2009《海洋石油模塊鉆機(jī)》、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29549-2013《海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)》規(guī)范的要求，各模塊鉆機(jī)的布置方案基本類似。本文根據(jù)現(xiàn)有模塊鉆機(jī)的主流布置現(xiàn)狀，進(jìn)行自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用研究，具體設(shè)備配套方案如圖7所示。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊

1-動(dòng)力貓道；2-鉆臺(tái)機(jī)械手；3-鐵鉆工；4-泥漿防噴盒；5-絞車；6-雙司鉆集成控制系統(tǒng)；7-二層臺(tái)排管機(jī)；8-緩沖機(jī)械手。圖7 海上模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用方案

在模塊鉆機(jī)上配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)，同時(shí)配套動(dòng)力貓道、緩沖機(jī)械手、二層臺(tái)排管機(jī)、鉆臺(tái)機(jī)械手、鐵鉆工、泥漿防噴盒等自動(dòng)化管具處理設(shè)備。

2.1 動(dòng)力貓道

動(dòng)力貓道用于將DSM頂層堆場(chǎng)中的管具輸送至DES鉆臺(tái)面上。該動(dòng)力貓道坐落在DSM模塊之上，上端連接到鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)上，可跟隨DES模塊在不同的井位移動(dòng)，如圖8a所示。自動(dòng)化動(dòng)力貓道(如圖8b所示)采用電控液的方式，具有司鉆房?jī)?nèi)集成控制、無線遙控和本地控制等3種控制方式，并對(duì)每種操作方式設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)和操作權(quán)限，保證只有獲得操作權(quán)限的終端才能對(duì)貓道進(jìn)行操作控制。

圖8 海上模塊鉆機(jī)動(dòng)力貓道技術(shù)方案

2.2 二層臺(tái)排管機(jī)

二層臺(tái)排管機(jī)安裝在井架二層臺(tái)的舌臺(tái)下方，替代傳統(tǒng)鉆機(jī)中的井架工，采用推扶式設(shè)計(jì)，用于抓取/排放管具立根，如圖9所示。二層臺(tái)排管機(jī)由輔司鉆在司鉆集成座椅上進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，通過顯示屏獲得排管機(jī)和動(dòng)力指梁的實(shí)時(shí)狀態(tài)和位置，并通過安裝在排管機(jī)鉗頭和指梁上方的攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)確認(rèn)，可實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)區(qū)域的無人化作業(yè)，不再需要人員在二層臺(tái)進(jìn)行高空作業(yè)，極大改善了作業(yè)環(huán)境。

另外，二層臺(tái)排管機(jī)設(shè)置多種一鍵式操作，可按照設(shè)定的流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排管、自動(dòng)取管作業(yè)，操作人員只需對(duì)流程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)即可，作業(yè)效率高。目前該類型的二層臺(tái)排管機(jī)在陸地鉆機(jī)上已實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。

圖9 蘭石研發(fā)的海上模塊鉆機(jī)二層臺(tái)排管機(jī)技術(shù)方案

2.3 鉆臺(tái)機(jī)械手

鉆臺(tái)機(jī)械手安裝在鉆臺(tái)上，用于扶持管具下端至立根盒或井口處，替代鉆臺(tái)工的手動(dòng)推扶管具作業(yè)，如圖10所示。鉆臺(tái)機(jī)械手采用電控液的方式，具有司鉆房?jī)?nèi)集成控制、無線遙控和本地控制等3種控制方式，代替人工將管具扶持到位。

圖10 蘭石研發(fā)的海上模塊鉆機(jī)鉆臺(tái)機(jī)械手技術(shù)方案

2.4 鐵鉆工

采用基座伸縮臂式鐵鉆工，鐵鉆工可到達(dá)鼠洞和井口位置，實(shí)現(xiàn)鉆具的自動(dòng)化上卸扣作業(yè)，替代傳統(tǒng)液氣大鉗作業(yè)，如圖11所示。鐵鉆工采用電控液的方式，具有司鉆房?jī)?nèi)集成控制、無線遙控和本地控制等3種控制方式，配套一鍵操作功能，可實(shí)現(xiàn)一鍵上扣(到達(dá)目標(biāo)作業(yè)位置、旋扣、緊扣、返回待命)、一鍵卸扣(到達(dá)目標(biāo)作業(yè)位置、卸扣、旋扣、反饋待命)等自動(dòng)化流程操作，與液氣大鉗相比，上卸扣操作時(shí)鉆臺(tái)無需有人員操作，現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低，作業(yè)更安全。

圖11 蘭石研發(fā)的海上模塊鉆機(jī)鐵鉆工方案

2.5 緩沖機(jī)械手

緩沖機(jī)械手安裝在井架背部結(jié)構(gòu)上，用于對(duì)從貓道移運(yùn)上鉆臺(tái)的管具進(jìn)行緩沖，可推扶管具至鼠洞位置、井口位置，如圖12。緩沖機(jī)械手采用電控液的方式，在司鉆房?jī)?nèi)進(jìn)行集成控制。

圖12 海上模塊鉆機(jī)緩沖機(jī)械手技術(shù)方案

2.6 泥漿防噴盒

泥漿防噴盒用于在起鉆過程中對(duì)鉆柱內(nèi)的泥漿進(jìn)行收集，避免泥漿在鉆臺(tái)上噴灑，使鉆臺(tái)面保持清潔的環(huán)境。泥漿防噴盒可獨(dú)立安裝在鉆臺(tái)面上，也可與鐵鉆工進(jìn)行集成。圖13為蘭石開發(fā)的2種形式的泥漿防噴盒。

圖13 蘭石開發(fā)的2種泥漿防噴盒

2.7 動(dòng)力鼠洞

動(dòng)力鼠洞主要用于預(yù)存單根或者作為鉆機(jī)在接立根，或者甩單根時(shí)的中轉(zhuǎn)站，具有管具對(duì)中、夾持和高度調(diào)整功能，采用該裝置能夠使鐵鉆工在鼠洞處實(shí)現(xiàn)管具上卸扣，效率較高，是在模塊鉆機(jī)上推薦配套的設(shè)備。

3 鉆井液處理自動(dòng)化方案

鉆井液處理主要包括罐裝散料處理、鉆井液混合及輸送2部分，如圖14所示。罐裝散料處理主要流程是從平臺(tái)兩側(cè)的加載站輸送散料至灰罐、各灰罐之間的材料傳輸、灰罐到緩沖罐之間傳輸?shù)取．?dāng)前模塊鉆機(jī)上的鉆井液處理流程中主要配套的是手動(dòng)閥，需要工人去現(xiàn)場(chǎng)打開或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)的閥門。在最近幾年新建造的海洋深水鉆井平臺(tái)中，已將該部分的閥升級(jí)為遠(yuǎn)程遙控操作，可以在遠(yuǎn)端HMI操作界面上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)閥當(dāng)前的狀態(tài)，在界面上遠(yuǎn)程操作閥門的打開和關(guān)閉。

圖14 散料輸送及鉆井液混合遠(yuǎn)程HMI操作界面

采用上述方案，將手動(dòng)閥改為遠(yuǎn)程電控閥，將混合泵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，同時(shí)可設(shè)定常用的自動(dòng)操作模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)混合設(shè)定的泥漿密度、自動(dòng)添加設(shè)定的散料質(zhì)量流量等。人員不需要再去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，作業(yè)效率大幅提高。進(jìn)行升級(jí)時(shí)不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)流程進(jìn)行改動(dòng)，只需要將相關(guān)的閥和泵升級(jí)為遠(yuǎn)程操控方式，同時(shí)設(shè)計(jì)相關(guān)的控制程序。

4 關(guān)井自動(dòng)化方案

目前，中海油在用的海洋模塊鉆機(jī)的防噴器系統(tǒng)在實(shí)施溢流和井噴時(shí)，一般都需要工人進(jìn)行每一步的操作和確認(rèn)，按照?qǐng)D15中的流程一步步手動(dòng)操作完成[10-11]。

圖15 關(guān)井作業(yè)流程圖

這種操作模式流程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且緊急情況下容易出現(xiàn)誤操作，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都可能給安全生產(chǎn)帶來隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

自動(dòng)化關(guān)井是在原有井控系統(tǒng)的PLC程序上進(jìn)行改進(jìn)，把圖15中虛線框內(nèi)的4個(gè)動(dòng)作整合起來，當(dāng)司鉆操作上提鉆具至防噴器合適位置后，直接實(shí)施一鍵式操作，系統(tǒng)按照設(shè)定的步驟自動(dòng)完成，整個(gè)過程由PLC控制，實(shí)現(xiàn)一鍵關(guān)井。

這種一鍵式自動(dòng)關(guān)井在模塊鉆機(jī)上主要涉及泥漿泵、頂驅(qū)、節(jié)流壓井管匯等不同的設(shè)備配套廠家，在設(shè)計(jì)時(shí)需要防噴器控制系統(tǒng)配套廠家統(tǒng)一整合相關(guān)設(shè)備的接口信號(hào)，做好接口界面，在現(xiàn)有的井控系統(tǒng)PLC程序中完善相關(guān)設(shè)計(jì)即可投入應(yīng)用。建議在模塊鉆機(jī)上考慮配套一鍵關(guān)井的功能，減少人工手動(dòng)關(guān)井操作的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1) 自動(dòng)化、智能化是海上模塊鉆機(jī)今后重點(diǎn)的研發(fā)配套方向。本文研究了現(xiàn)有海上模塊鉆機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)的可行性實(shí)施方案。

2) 司鉆控制系統(tǒng)升級(jí)，配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)集成一體化儀表、防碰互鎖、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等模塊，操作人員可在2臺(tái)集成座椅上實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)設(shè)備的操作控制，操作方便安全，并可實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程對(duì)鉆機(jī)設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌控鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

3) 管具處理自動(dòng)化升級(jí)，配套動(dòng)力貓道、二層臺(tái)排管機(jī)、鉆臺(tái)面機(jī)械手、鐵鉆工等自動(dòng)化處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)區(qū)域、鉆臺(tái)區(qū)域的無人化作業(yè)，減少人員在危險(xiǎn)區(qū)域的工作，提高鉆機(jī)自動(dòng)化作業(yè)程度、作業(yè)效率以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全性。

4) 鉆井液處理自動(dòng)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門及混合泵的遠(yuǎn)控操作，實(shí)現(xiàn)泥漿密度調(diào)整、散料添加的自動(dòng)化。

5) 關(guān)井自動(dòng)化升級(jí)，將多種分步驟操作合為一鍵式操作，降低緊急關(guān)井情況下人為誤操作的可能性。