初建樹

（中遠船務集團工程有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

由于全球經(jīng)濟對于原油的依賴度不斷增加，陸上石油資源已經(jīng)不能滿足日益增長的石油消費，海洋石油資源成為石油開采的新的增長極。特別是近十年來油價不斷攀升，深水開采技術日益成熟，邁向藍海尋求石油成為許多國家的解決石油困境的唯一途徑。而進行深海石油開采所需要的平臺不僅建造成本高，科技含量高，且信息化集成度非常高，鉆井模塊的控制系統(tǒng)更是重要組成部分。當進行海上作業(yè)時，鉆井控制系統(tǒng)（DCS）的對海況及海底鉆探過程的實時監(jiān)控和響應保障了鉆井過程平穩(wěn)運行，更是通過與中央控制系統(tǒng)（IAS）和動力定位系統(tǒng)（DPS）等控制系統(tǒng)相互通信配合，確保整個平臺的安全性。

1 深水鉆井控制系統(tǒng)基本結構

目前世界上工作的最先進的第六代深水鉆井平臺，在鉆井效率、自動化程度、可靠性方面都有著其它平臺無可比擬的先進性，鉆井控制系統(tǒng)作為平臺集控系統(tǒng)的重要組成部分，對整個鉆井施工的過程監(jiān)控與信息管理具有十分重要的作用，不可忽視。通過對已交付的超深水鉆井平臺的鉆井控制系統(tǒng)以及目前在建的國內(nèi)鉆井船項目的鉆井控制系統(tǒng)進行研究，深水鉆井控制系統(tǒng)基本結構如圖1所示。從圖中可以看出，鉆井控制系統(tǒng)是一套相對獨立的控制系統(tǒng)，有兩個主服務器，并配有主副兩個操作站供平臺主副司鉆員使用，操作站有專門的監(jiān)控面板，鉆井系統(tǒng)各子系統(tǒng)狀態(tài)均可由面板上面的組態(tài)軟件呈現(xiàn)，司鉆員可通過搖桿、觸屏和鍵盤等多種方式對系統(tǒng)進行控制。對于鉆井系統(tǒng)中各分支系統(tǒng)也有相應的控制子系統(tǒng)進行控制，并將數(shù)據(jù)反饋到主服務器然后通過監(jiān)視器反饋狀態(tài)，這其中包括鉆探設備的控制、鉆管提升設備的控制、泥漿處理設備的控制、絞車的控制、液壓和補償設備的控制，以及套管張緊設備的控制等多個子系統(tǒng)。整個系統(tǒng)通過分布式結構將子控制系統(tǒng)所控制的設備信息處理并傳輸給主服務器統(tǒng)一管理，增強了系統(tǒng)的魯棒性。同時兩個主服務器亦可以在特殊情況下分別對子系統(tǒng)進行控制，滿足系統(tǒng)冗余性，為平臺的安全提供了有力保障[1-3]。

圖1 鉆井控制系統(tǒng)基本結構圖

2 重要組成部分和接口

作為整個深水鉆井控制系統(tǒng)的核心部分，鉆井中央控制系統(tǒng)是整個鉆井設備運作的中樞神經(jīng)，各部分設備通過分控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制使鉆井過程穩(wěn)定的、平衡的、安全的運行。其中主要包括鉆井視窗系統(tǒng)、提升控制系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)控等。下面將對各部分做簡要介紹。

1）視窗系統(tǒng)是整個鉆井控制系統(tǒng)的眼睛。通過視窗系統(tǒng)，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以以組態(tài)軟件的形式在視窗中反映出來，讓操作人員對可以直觀的了解到系統(tǒng)中各部分的參數(shù)變化，目前幾家主流的井控設備提供商的視窗系統(tǒng)均與司鉆工作站集成在一起，這樣的好處是可以在控制的同時監(jiān)控各系統(tǒng)實際參數(shù)指標的變化，提高了操作的安全性。同時視窗系統(tǒng)軟件中設置了相應的報警限制，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動觸及報警，操作人員可以第一時間了解相關情況。視窗系統(tǒng)相關硬件及工作站如圖2所示。工作站配備控制組件，視窗硬件主要是顯示器，集成在工作站上，方便監(jiān)控。從圖中可以看出，除了控制和監(jiān)視設備外，一般還配有通訊裝置，方便內(nèi)外部操作人員溝通[4]。

圖2 吊裝框架結構設計形式

2）提升控制系統(tǒng)是鉆井控制系統(tǒng)的重要組成部分，其中包括了絞車控制子系統(tǒng)，行車控制系統(tǒng)等。絞車系統(tǒng)雖然算是提升系統(tǒng)的范疇，但近年來由于技術不斷發(fā)展已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Κ毩⒌囊惶紫到y(tǒng)。深水平臺的主流產(chǎn)品中絞車控制主要包含如下幾個方面。

（1）剎車控制主要包含反饋制動，渦流制動以及剎車片制動三種形式。

其中反饋制動即在自動操作模式下將主馬達和輔助馬達制動時反饋的電能貯存起來或反饋到電網(wǎng)中，以減少操作時電能的消耗。

渦流制動為一種動態(tài)剎車控制，通過渦流剎車控制系統(tǒng)從輪轂主軸反饋的信息，通過渦流電磁影響為主軸施加反相作用力，從而降低主軸轉(zhuǎn)速，達到剎車效果。

剎車片剎車系統(tǒng)原理最為簡單，通過液壓裝置驅(qū)動剎車片對剎車輪片進行抱死，一般多用于緊急情況及絞車鎖定。

（2）區(qū)域定位系統(tǒng)主要通過PLC控制器對絞車實際參數(shù)進行不間斷計算以確保絞車可靠性及停止在安全操作范圍內(nèi)。其主要的數(shù)據(jù)采集通過load sensor、encoder和接近開關等。

（3）自動伺鉆系統(tǒng)由幾個相對獨立的自動控制馬達及變頻裝置組成。為了達到自動控制的目的，變頻器需要提供一個變頻頻段用以讓馬達轉(zhuǎn)速達到數(shù)百到數(shù)千RPM（根據(jù)不同項目及設備而不同），通過調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速用來輔助主馬達對絞車進行調(diào)節(jié)控制。

行車系統(tǒng)的控制主要由行車控制臺通過操作桿，運用液壓動力進行操作。此處不再贅述[5-6]。

3）泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要動力源是高壓泥漿泵，一般是三缸曲軸高壓泵，由一到兩個直流或者交流電機經(jīng)皮帶或鏈條驅(qū)動，其作用是將調(diào)配好的泥漿注入井口。

而作為泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要部分——泥漿，主要是通過散料系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)等將固態(tài)和液態(tài)原料按比例進行調(diào)配，根據(jù)不同海域及海底巖質(zhì)等調(diào)配成不同的泥漿液用于鉆井過程。注入的泥漿還要經(jīng)過合理配比及定量計算，用以確保等量泥漿注入并能返回，這一過程中需要通過trip tank以及流量計等進行精確的測量和控制。

上述泥漿循環(huán)系統(tǒng)中所提到的三個小系統(tǒng)一般統(tǒng)稱低壓泥漿系統(tǒng)，可根據(jù)項目實際情況進行分散控制或集成控制。作為相對獨立的小系統(tǒng)，此系統(tǒng)也和 DCS系統(tǒng)有直接接口用于上位機監(jiān)控設備實際運作狀況。主要以報警及物料存量等相關參數(shù)為主。

4）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要包括頂驅(qū)及轉(zhuǎn)盤。在老式的鉆井平臺上，轉(zhuǎn)盤有驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)的作用，但是在新式的平臺上，鉆桿的轉(zhuǎn)動大多是由頂驅(qū)上的變頻馬達驅(qū)動完成的。

5）數(shù)據(jù)監(jiān)控由諸多傳感器采集完成，整個鉆井儀表系統(tǒng)中主要的傳感器包含如下：

（1）泥漿泵沖程計數(shù)：采集泥漿泵的沖程數(shù)，用于了解泥漿泵的輸出壓力。

（2）絞車編碼器：通過編碼器來確定作業(yè)時輪轂的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，可以判斷作業(yè)井深及噸公里數(shù)等。

（3）頂驅(qū)扭矩傳感器：通過扭矩傳感器反饋的數(shù)據(jù)可以判斷頂驅(qū)轉(zhuǎn)動的速度是否合理以及鉆桿承受的橫向扭力。同時為了更好的輔助頂驅(qū)工作一般在頂驅(qū)馬達控制程序中還要加入soft torque程序，可以通過 PLC計算采集數(shù)據(jù)直接對馬達輸出扭力進行更為精確的控制，防止出現(xiàn)因扭力過大折損鉆桿的事故。

（4）立管壓力傳感器：立管壓力值基本上就是泥漿進入注入井口的壓力值，可通過與高壓泥漿泵沖程值對比進行大致的檢查。

（5）泥漿罐液位傳感器：此類傳感器一般為雷達式，用聲波測量泥漿液位的高度，精度要遠高于一般傳感器，用來輔助泥漿系統(tǒng)。

還有很多諸如流量傳感器，壓力傳感器等用于不同系統(tǒng)中也都對整個 DCS監(jiān)控提供了必要的幫助。

6）主要接口包括防井噴(BOP)控制系統(tǒng)，動態(tài)定位(DP)控制系統(tǒng)，集成動化(IAS)控制系統(tǒng)，節(jié)流壓井(C&K)控制系統(tǒng)等，如圖3所示。

圖3 鉆井系統(tǒng)主要接口

BOP控制系統(tǒng)與鉆井控制系統(tǒng)的主要接口為Riser Recoil接口，此接口的主要作用通過數(shù)據(jù)傳輸將LMRP的狀態(tài)信息傳輸?shù)姐@井控制系統(tǒng)，以通過riser tension系統(tǒng)及時補償因riser與BOP脫離所產(chǎn)生的瞬時反沖力，保護整個平臺的安全。

另一個主要接口為鉆井系統(tǒng)與 DP系統(tǒng)的接口。此接口通過Riser Management System(RMS)將鉆井系統(tǒng)中張緊器的相關數(shù)據(jù)發(fā)送到DP控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，通過對張緊器參數(shù)的分析得到水下部分特別是隔水套管對平臺的實際拉力，據(jù)此來調(diào)整平臺姿態(tài)以保持平臺保持在一個相對穩(wěn)定且安全的姿態(tài)。

第三個主要的接口為鉆井控制系統(tǒng)與平臺自動化系統(tǒng)的通訊。此部分通訊分為三部分，分別是對鉆井系統(tǒng)儀器儀表信號的通訊，低壓鉆井輔助設備馬達狀態(tài)的通訊以及大型鉆井設備變頻馬達的通訊。因數(shù)據(jù)種類繁多，此處不一一贅述。需要注意的一點是變頻控制因工況和設計十分復雜實驗時需要做預調(diào)檢查，以免對設備引起不必要的傷害。

節(jié)流壓井控制系統(tǒng)與鉆井系統(tǒng)的接口相對簡單。主要是節(jié)流壓井管匯的儀表系統(tǒng)等數(shù)據(jù)傳輸及反饋到鉆井控制系統(tǒng)，為司鉆員操作水下控制提供數(shù)據(jù)支持。如下圖4所示[7]。

圖4 節(jié)流壓井控制系統(tǒng)系統(tǒng)圖

3 結語

通過對鉆井控制單元的簡單分析和接口研究，可以對深水平臺鉆井設備的電氣控制系統(tǒng)有一個大致的了解，對其設計安裝接口有一個清晰的把握。本文僅對相關主要組成部分及接口進行描述和分析，很多細節(jié)上的接口需要在工作中注意分析和分類，在對同類型平臺產(chǎn)品進行設計時可以進行對比參考。

[1]陳磊, 郭昭學, 孫凱, 等.海洋深水鉆井技術研究[J].天然氣技術, 2009, 3(6): 37-39.

[2]廖謨圣.世界超深水平臺發(fā)展綜述[J].中國海洋平臺,2008, 23(4): 1-7.

[3]王立文.深水和超深水區(qū)油氣勘探難點技術及發(fā)展趨勢[J].中國石油勘探, 2010, 15(4): 71-75.

[4]Aker MH AS.Drillview Function Description.

[5]侯福祥, 王輝, 任榮權, 胡志堅.海洋深水鉆井關鍵技術及設備 [J].石油礦場機械, 2009, 38(12): 1-4.

[6]張勇.海洋鉆機井架技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油機械, 2009, 37(8): 92-95.

[7]Thierry Botrel.Off setting kill and choke lines friction losses, a new method for deep water well control[R].SPE 67813, 2001.