魏培靜，于興軍，劉向軍，楊雙業(yè)，梁衛(wèi)斌，林 康，王 飛

(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(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

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idriller石油鉆機集成控制系統(tǒng)研制概要

魏培靜1，2，于興軍1，2，劉向軍1，楊雙業(yè)1，2，梁衛(wèi)斌1，2，林 康1，2，王 飛1，2

(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(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

隨著石油鉆機自動化控制技術(shù)的發(fā)展，司鉆需要操作和監(jiān)視的設備越來越多?，F(xiàn)有常規(guī)鉆機中將各個設備操作按鈕、手柄以及控制箱在司鉆房內(nèi)進行“堆積木式”拼裝的模式，存在著安全性差，布局混亂等缺點，已經(jīng)無法滿足未來鉆機的操作要求，成為制約國產(chǎn)鉆機整體技術(shù)水平提升的瓶頸。國外為解決此類問題已開發(fā)出多種石油鉆機集成控制系統(tǒng)，并進行商業(yè)化應用。國內(nèi)目前尚處于起步階段。該文從系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)、多級急停機制、司鉆操作終端理念、防碰撞機制與軌跡規(guī)劃、人機界面程序以及歷史記錄功能開發(fā)等方面介紹了國內(nèi)研制的首套鉆機集成控制系統(tǒng)——“idriller”。該系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了在多套鉆機中的工業(yè)化應用，提升了國產(chǎn)鉆機自動化、智能化、信息化水平。

鉆機；集成控制；司鉆；網(wǎng)絡；操作

近年來，隨著鉆井提速和現(xiàn)場HSE要求的呼聲漸高，鉆井作業(yè)中常規(guī)依靠人工“拖、拉、抗、拽”的體力勞動逐漸被機械化裝備所替代，尤其是操作也由現(xiàn)場逐漸改為司鉆遠程操控。國內(nèi)目前常規(guī)做法是，各設備均配有各自獨立的控制系統(tǒng)，同時在司鉆房內(nèi)又有各自獨立的操作終端，彼此系統(tǒng)之間很少有控制信號和狀態(tài)信息的傳遞，即缺少統(tǒng)一的“司令部”指揮協(xié)調(diào)。

這種常規(guī)鉆機控制系統(tǒng)“堆積木式”拼裝模式存在諸多的弊端，包括：司鉆房內(nèi)操作元件過多，風格各異，布局混亂，無法實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃，不具備人性化操作要求；安全性差，各個設備(子系統(tǒng))之間彼此缺少信息傳送渠道，在邏輯互鎖、設備運動防碰撞等功能方面不夠完善；針對配套有全套管柱自動化處理系統(tǒng)的鉆機而言，由于設備多，現(xiàn)有模式已經(jīng)無法實現(xiàn)對各個設備的操控要求；擴展不方便，用戶在后期增加設備或子系統(tǒng)時比較困難，故開發(fā)一種全新控制模式的“鉆機集成控制系統(tǒng)”迫在眉睫。為此，寶雞石油機械有限責任公司自主開發(fā)了idriller石油鉆機集成控制系統(tǒng)，并進行了商標注冊。

1 鉆機集成控制技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著自動化控制技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)鉆機已經(jīng)廣泛采用了PLC數(shù)字控制技術(shù)、變頻(VFD)及晶閘管(SCR)傳動控制技術(shù)、管柱自動化處理技術(shù)等，已解決了鉆機原有依賴于人力現(xiàn)場體力勞作的方式，其操作方式也逐步由室外現(xiàn)場作業(yè)變更為司鉆房內(nèi)操作[1]。

限于國內(nèi)鉆機各個系統(tǒng)的細化分工配套模式，鉆機中的頂驅(qū)、管柱自動化處理工具、VFD/SCR電傳動系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、盤剎系統(tǒng)、視屏監(jiān)控系統(tǒng)等均來自不同的配套商，其各個系統(tǒng)又分別配有各自控制單元和司鉆操作顯示終端。雖然，通過遠程化控制技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了上述各個設備的司鉆房內(nèi)集中操作，但由于缺少后臺集成控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理，所以各個單元設備(系統(tǒng))的控制邏輯相對獨立，屬于“堆積木式”組合方式，安全性較差；同時，由于不同配套商之間的操作終端設計風格不同，所以很難實現(xiàn)人性化的統(tǒng)一操作模式和顯示風格，甚至多個設備還設置有獨立操作箱(柜)，造成了司鉆房布局混亂[2]，如圖1～2所示。

圖1 常規(guī)鉆機司鉆房布局

圖2 常規(guī)鉆機頂驅(qū)操作箱

1.2 國外現(xiàn)狀

針對上述問題，國外相關企業(yè)在數(shù)年前開始研制“鉆機集成控制系統(tǒng)”，即：建立各個系統(tǒng)間信號傳輸渠道、形成后臺統(tǒng)一指令和信號管理系統(tǒng)、完成司鉆操作終端統(tǒng)一整合。歷經(jīng)數(shù)次的技術(shù)升級，其產(chǎn)品已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，首先應用于海洋平臺鉆井系統(tǒng)中，近兩年已經(jīng)逐步向陸地鉆機推廣應用，相對于國內(nèi)鉆機在此方面的起步晚、技術(shù)基礎薄弱等現(xiàn)實狀態(tài)，該產(chǎn)品已成為其鉆機進軍國際高端鉆井裝備市場的必備利器。

目前，以挪威AKER MH公司“drill view”系列和美國NOV公司“cyber base” 系列為代表的“鉆機集成控制系統(tǒng)”產(chǎn)品，占據(jù)了此類產(chǎn)品市場的絕大部分份額[3]，其售價均在數(shù)百萬元美元；另外，由于該產(chǎn)品在研制過程中需要定制開發(fā)鉆機各個設備的接口程序，處于工作量和技術(shù)保密等因素考慮，外方的此類產(chǎn)品往往與鉆井包捆綁銷售，一直以來該技術(shù)成為國產(chǎn)鉆機進入國際高端鉆井市場的瓶頸[4]。圖3～4為國外“鉆機集成控制系統(tǒng)”一體化司鉆操作終端圖片。

圖3 drill view 集成化司鉆控制系統(tǒng)

圖4 cyber base集成化司鉆控制系統(tǒng)

2 idriller石油鉆機集成控制系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)設計

集成化控制首先需要解決原本各自獨立的控制器設備之間狀態(tài)信號和控制指令的傳輸問題，idriller鉆機集成控制系統(tǒng)結(jié)合鉆機工作特點，開發(fā)了基于環(huán)網(wǎng)通訊技術(shù)的3級網(wǎng)絡，如圖5所示。

圖5 idriller石油鉆機集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)方案

現(xiàn)場級主要為各個單元設備控制器，負責完成獨立設備的基本控制功能和設備信息狀態(tài)的檢測；中間級為“環(huán)形”網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，負責將上位級和現(xiàn)場級之間的數(shù)據(jù)傳遞工作，通過環(huán)形主干網(wǎng)以及冗余服務器結(jié)構(gòu)，當某個節(jié)點出線故障時利用“遇阻自動反向傳輸”機制確保了該故障點不影響單元設備控制站與上位機的信息傳輸，同時后臺核心服務器實現(xiàn)了各個單元設備的控制指令間協(xié)調(diào)和動作管理；上位機根據(jù)用戶需要可配置一套或兩套一體化座椅，實現(xiàn)鉆機全套設備的集成化操作和信息顯示。

2.2 全新操作理念的一體化司鉆終端開發(fā)

常規(guī)鉆機司鉆控制均采用“一對一”的物理開關控制模式，即：每一個設備均通過一個唯一手柄、開關或按鈕來實現(xiàn)操作。idriller鉆機集成控制系統(tǒng)開發(fā)過程中為解決司鉆操作臺布局混亂，風格不統(tǒng)一的問題，創(chuàng)新性的提出了“一鍵多能，多鍵協(xié)作”操作理念，開發(fā)了全型式的一體化司鉆終端，如圖6～7所示。

圖6 idriller一體化司鉆操作座椅模型

圖7 idriller一體化司鉆操作座椅樣機

借助于后臺軟件系統(tǒng)，通過該一體化座椅實現(xiàn)了頂驅(qū)、絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、鐵鉆工等所有鉆機設備的操控；同時將儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、VFD電傳動系統(tǒng)等常規(guī)機械式顯示表盤/屏幕等信息全部集成顯示在一體化化座椅前端顯示屏內(nèi)，真正實現(xiàn)了所有鉆機子系統(tǒng)操作終端的統(tǒng)一化、集成化、人性化設計，簡化效果非常明顯?？梢哉f，該種司鉆終端操作理念對鉆機而言是一次革命性的變革。

同時，當鉆機配備的遠控設備較多時，為提供作業(yè)效率，上位機也可以進行雙司鉆的配置方案，即：通過兩套完全相同的一體化座椅進行任務分工，兩名司鉆人員并行操控，完成鉆機的操作。

2.3 多級急停安全機制設置

安全性是控制系統(tǒng)最關鍵的考核指標，集成控制模式下的鉆機，司鉆需操控的設備大幅增加，如何針對作業(yè)過程中出現(xiàn)意外情況的緊急程度，既保證安全又不影響其他設備作業(yè)的情況下干預各個設備的運行是集成控制系統(tǒng)最為關鍵的技術(shù)問題，為此idriller鉆機集成控制系統(tǒng)開發(fā)過程中規(guī)劃設計了3級急停機制：

第1級。單元設備本體急停，即各個單元設備本體上有各自的急停按鈕，此急停按鈕觸發(fā)時可將本設備停止在當前狀態(tài)。

第2級。所有設備動作總急停，即在司鉆房以及鉆臺面設有該級別急停按鈕，用于集成控制系統(tǒng)下所有設備停止保持在當前工作狀態(tài)，此時司鉆所有操作均無效。

第3級。鉆機系統(tǒng)動力急停，即控制整個鉆機動力關閉，所有設備均無法操作，用于“井噴”等特別緊急情況下人員撤離前的最后操作。

為了實現(xiàn)上述功能，開發(fā)了專用的集成控制硬件急停電路，通過三者之間“與”、“或”、“非”的邏輯搭配實現(xiàn)鉆機各個設備的急停管理；同時由于該急停系統(tǒng)完全靠硬線連接的方式實現(xiàn)，避免了由于PLC控制器出現(xiàn)故障而導致設備無法停機的情況發(fā)生，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 并行運動防碰及軌跡規(guī)劃功能開發(fā)

隨著多個管柱自動化處理裝備(貓道、鐵鉆工、動力鼠洞、緩沖機械手、泥漿盒、自動井架工、氣動指梁)的增加，鉆臺及井架的內(nèi)部空間將更加緊湊；另外，根據(jù)鉆井提速增效的需求，這些設備許多都是并行同步作業(yè)，加之上述設備均在司鉆房遠程操作，視線無法達到常規(guī)鉆機中人員在室外現(xiàn)場作業(yè)那樣良好，故存在著“碰撞”的隱患，包括動態(tài)設備之間的碰撞(例如頂驅(qū)與鐵鉆工)和動態(tài)設備與靜態(tài)結(jié)構(gòu)之間的碰撞(例如機械手與井架)等[5]。

為此，idriller鉆機集成控制系統(tǒng)在后臺軟件系統(tǒng)中專門開發(fā)了“智能防碰管理”功能，在運動設備相關執(zhí)行元件上增加位置檢測傳感器(位移傳感器、編碼器)；通過臺程序?qū)崟r解算各個設備位置信息，以井口中心為坐標原點，經(jīng)過軟件編程實時計算各設備可能存在的碰撞關鍵輪廓點，通過比較關鍵點的距離判斷是否處于防碰狀態(tài)，然后進行自動減速或軟件緊急制動方式實現(xiàn)即將碰撞設備的停車；另外通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對動態(tài)設備的運動范圍進行限制，并對其運動路線軌跡進行規(guī)劃，在保證安全的情況下提高作業(yè)效率。

2.5 人性化操作界面程序以及歷史數(shù)據(jù)記錄功能開發(fā)

伴隨著該集成控制司鉆操作模式的徹底改變，一體化座椅顯示屏人機界面程序較常規(guī)鉆機也做了徹底的革新[6]，每個界面均采用分區(qū)域動態(tài)顯示的方式進行設計，總體規(guī)劃如圖8所示。

圖8 司鉆人機界面程序區(qū)域規(guī)劃示意

此外，本系統(tǒng)還開發(fā)專用數(shù)據(jù)庫服務器程序，實現(xiàn)了設備狀態(tài)及工藝信息采集、存儲；同時將司鉆歷史操作記錄和報警信息記錄進行自動歸檔，通過數(shù)據(jù)回放可用于對事故分析和設備故障診斷。

2.6 第三方設備接口設置

鉆機交付用戶后，有時根據(jù)需要會增配其他電氣設備和自動化工具，“idriller鉆機集成控制系統(tǒng)”在頂層設計時即為用戶考慮了這一需求。當用戶增加其他第三方設備時，本系統(tǒng)為其預留了通用的標準信號接口(支持Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS等)，可方便實現(xiàn)新增設備與集成控制系統(tǒng)的對接，尤其是在司鉆房一體化座椅終端無需增加任何硬件開關、手柄，只需升級軟件程序即可實現(xiàn)對該設備的集成操作，為用戶提供了良好的兼容性、擴展性。

3 產(chǎn)品應用情況

idriller鉆機集成控制系統(tǒng)是我國首套鉆機集成控制系統(tǒng)產(chǎn)品，一經(jīng)推出便獲得了國內(nèi)用戶的廣泛關注。寶雞石油機械有限責任公司以工程項目合同鉆機為依托，截止目前，本產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了10余套鉆機的商業(yè)化配套應用；其中有3套鉆機已在國內(nèi)油田進行作業(yè)近1 a，累計完成進尺超萬米，具體如下。

1) 自2015-03始，大慶鉆探工程公司在徐深7-平1井7 000 m鉆機進行了配套應用，該產(chǎn)品為單司鉆idriller鉆機集成控制系統(tǒng)，控制對象包含了DM4.5/10.5-L1型號動力貓道、TZ 9 3/4-140S型號鐵鉆工、MBM203-24/29二層臺機械手等單元設備，截止目前已經(jīng)完成該井全部作業(yè)。

2) 自2015-04始，川慶鉆探工程公司在四川磨溪109井7 000 m鉆機投入使用，該產(chǎn)品為雙司鉆idriller鉆機集成控制系統(tǒng)，控制對象除絞車、泥漿泵、頂驅(qū)等常規(guī)作業(yè)設備外，還包含了DM4.5/10.5-L1型號動力貓道、TZ 9 3/4-140S型號鐵鉆工、HS375-500液壓卡瓦、TJG9 3/4-10S1自動井架工、CDZH-500液壓吊卡及緩沖機械手、泥漿盒、鼠洞等單元設備，截止目前已完成首口井(鉆深5 300 m)作業(yè)。

3) 自2015-04始，由川慶鉆探工程公司在內(nèi)蒙古巴彥烏素噶查蘇14-15-34H2井5 000 m鉆機投入使用，該產(chǎn)品為單司鉆idriller鉆機集成控制系統(tǒng)，控制對象包含了DM4.5/9-J舉升式動力貓道、MBM203-20/28二層臺機械手、TZG 9 3/4-140S鐵鉆工、YDDZ5-18°-350液壓吊卡等單元設備，截止目前完成兩口井作業(yè)(第一口鉆深近4 700 m，第二口鉆深3 700余米)，正進行第三口井作業(yè)。

經(jīng)過多套鉆機1 a多的工業(yè)化應用，idriller鉆機集成控制系統(tǒng)使司鉆人員實現(xiàn)了除常規(guī)頂驅(qū)、絞車、泥漿泵等設備的集中化控制外；還完成了包括動力貓道、鐵鉆工、扶正手、吊卡、卡瓦、泥漿盒、動力鼠洞、自動井架工(二層臺機械手)等在內(nèi)的所有管柱處理單元設備在司鉆房內(nèi)的集中操控和設備狀態(tài)監(jiān)視，避免作業(yè)人員與鉆桿的直接接觸，在減員增效的同時大幅降低了人身安全風險，獲得了油田用戶的歡迎。

4 結(jié)語

寶雞石油機械有限責任公司研制的idriller鉆機集成控制系統(tǒng)采用可編程控制技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡通訊技術(shù)、計算機技術(shù)等，將石油鉆機變頻系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管柱自動化處理系統(tǒng)等組成集成化、智能化、信息化的一體化平臺。該系統(tǒng)完成了鉆機各個智能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，提高了鉆機安全性，實現(xiàn)了作業(yè)人員數(shù)量的減少，攻克了國產(chǎn)鉆機技術(shù)水平提升的關鍵難題。

[1] 于興軍，宋志剛，魏培靜，等.國內(nèi)石油鉆機自動化技術(shù)現(xiàn)狀與建議[J].石油機械，2014，42(11)：25-29.

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[3] 牟順泉，徐力，董懷榮，等.國外自動化鉆機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].西部探礦工程，2012(6)：125-127.

[4] 丁青山，董平，李治鋒，等.電驅(qū)動鉆機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與分析[J].石油礦場機械，2012，41(2)：84-89.

[5] 石美之，楊國家，李富平，等.海洋鉆機鉆桿自動排放系統(tǒng)控制方案設計[J].石油礦場機械，2011，40(12)：41-44.

[6] 姜鳴，何世聰，李遠程，等.石油鉆機司鉆控制房的設計[J].石油機械，2005，33(6)：29-32.

Development Summary of idriller Integration Control System of Oil Drilling Rig

WEI Peijing1,2，YU Xingjun1,2，LIU Xiangjun1，YANG Shuangye1,2，LIANG Weibing1,2，LIN Kang1,2，WANG Fei1,2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOilandGasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

With the development of automatic control technology of oil drilling rig，more and more equipments controlled by driller.However，the existing model called building block which all buttons，Handles and the control boxes of equipments are fixed in the driller control room directly exists some disadvantages，such as the poor safety and the disordered distribution.The existing model hasn't satisfied requirement for operation of drilling rig in the future.It has restricted the development of technical level of domestic drilling rig.In order to resolve the problem，the foreign competitors have developed many drilling rig integration control systems.The competitors’ systems have already produced commercially. This production is still in its starting stage in china.The paper discussed the first set of domestic drilling rig integration control system called “idriller” include the network architecture，the multistage mechanism of E-stop，the new idea of operating for driller，the mechanisms of anti-collision&path planning，HMI software history register.At present，the “idriller” rig integration control system have already used in many rigs.The system raise the productive technical level of oil drilling rig in the following flowing aspects：automation，intellectualization，informatization.

drilling rig；integration control；driller；network；operation

2016-06-01

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術(shù)研究”課題項目資助(2012AA09A203)；中國石油集團公司項目“鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)的研究與應用”(2011B-4301)

魏培靜(1980-)，女，陜西寶雞人，工程師，現(xiàn)從事石油機械研究與標準化工作，E-mail：weipj123456@163.com。

1001-3482(2016)11-0088-06

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.019