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(dāng)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(guān)閉/旋轉(zhuǎn)、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(fēng)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(fēng)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(dāng)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(dǎo)致上述問題的機具及產(chǎn)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(wù)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(qū)

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(guān)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(shè)備間的協(xié)同作業(yè)存在設(shè)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(jù)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(chǔ)，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(guān)聯(lián)絡(luò)，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(guān)鍵過程需手動確認(rèn)），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(nèi)容如下：

（1）控制畫面：增加新的控制畫面，根據(jù)屏幕布局和左右屏控制習(xí)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(yīng)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(jù)PLC 程序邏輯內(nèi)容，對絞車和鐵鉆工間連鎖狀態(tài)在調(diào)試設(shè)備上進行動態(tài)監(jiān)測，邏輯結(jié)果與機具動態(tài)過程響應(yīng)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(yù)設(shè)高度，停止絞車動作并拍下盤剎，然后操作鐵鉆工自動旋轉(zhuǎn)至井口待命，驗證結(jié)果正常；在大鉤提升到滿足鐵鉆工允許動作的預(yù)設(shè)高度，停止絞車動作并拍下盤剎，然后操作鐵鉆工自動旋轉(zhuǎn)至井口待命，驗證結(jié)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(zhuǎn)至井口待命，驗證結(jié)果在大鉤位置低于預(yù)設(shè)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(yīng)，在大鉤位置高于預(yù)設(shè)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(jié)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(yù)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(yù)設(shè)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(shè)備碰撞隱患，故將鐵鉆工允許動作的預(yù)設(shè)高度由固定值更改為屏幕手動輸入，當(dāng)出線大鉤位置存在未正常較零情況時可手動將預(yù)設(shè)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(jié)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(yù)期功能仍舊無法正常實現(xiàn)。

3 結(jié)論

隨著鉆井設(shè)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(chǎn)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(shè)備的應(yīng)用提高鉆井時效、縮短作業(yè)周期、降低生產(chǎn)成本，從根本上提高了石油鉆井隊伍的競爭實力。