孔永超 夏輝 羅磊 樊勇利 楊斌 王議 張瀟瀟

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司；國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心)

0 引 言

近年來(lái)，交流變頻鉆機(jī)在油田大量應(yīng)用，帶動(dòng)了自動(dòng)化鉆井裝備的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備代替了以前靠體力勞動(dòng)的大部分活動(dòng)，這樣不僅減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了作業(yè)安全性，如二層臺(tái)機(jī)械手的應(yīng)用徹底解放了井架工這種高風(fēng)險(xiǎn)工種。但油田自動(dòng)化設(shè)備的大量投入帶來(lái)了一系列新的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①每個(gè)設(shè)備通過(guò)自帶操作臺(tái)或遙控器進(jìn)行操作，操作風(fēng)險(xiǎn)大且區(qū)域受限；②各設(shè)備之間相互獨(dú)立，當(dāng)多設(shè)備交叉作業(yè)時(shí)存在安全隱患；③設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息不明確，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)不易排查；④各設(shè)備操作方式不一，增大了司鉆操作難度；⑤操作數(shù)據(jù)及鉆井過(guò)程數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)記錄與共享，追溯困難。

2018年中油油服提出“四化”概念，即推進(jìn)工程技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍“標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機(jī)械化、信息化”建設(shè)，旨在采用技術(shù)驅(qū)動(dòng)的方式改善一線員工生產(chǎn)生活環(huán)境，實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效。

鑒于上述狀況，為了解決油田工人自動(dòng)化設(shè)備操作難度大、操作風(fēng)險(xiǎn)高及設(shè)備運(yùn)行效率低等問(wèn)題，眾多鉆機(jī)研發(fā)制造商研制了自己專有的鉆機(jī)集成化控制系統(tǒng)，以滿足自動(dòng)化鉆機(jī)的使用要求[1-5]。

1 國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 Amphion鉆機(jī)控制系統(tǒng)

Amphion是NOV新一代鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)[6]，目前最新版本為2.0。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，是一款全集成、網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，通過(guò)嵌入的軟件工具包可進(jìn)行鉆臺(tái)設(shè)備的管理、控制和監(jiān)控，并保證設(shè)備安全、高效、有序運(yùn)行。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Amphion系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure of Amphion system

1.1.1 司鉆座椅

Amphion司鉆座椅如圖2所示。座椅由2個(gè)多功能手柄、4個(gè)觸摸屏、急停按鈕、對(duì)講模塊、CCTV(閉路電視)及座椅本體等組成。座椅具有7擋電動(dòng)調(diào)節(jié)功能，包括底座升降、旋轉(zhuǎn)、平移、靠背俯仰、腰部支撐等調(diào)節(jié)。觸摸屏可根據(jù)用戶使用習(xí)慣進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，界面采用多語(yǔ)言和多計(jì)量單位設(shè)計(jì)可滿足不同用戶使用要求，報(bào)警和診斷功能可協(xié)助操作人員快速排查故障。

圖2 Amphion司鉆座椅實(shí)物圖Fig.2 Physical picture of Amphion driller’s seat

1.1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)可集成普通或帶有視覺(jué)功能的CCTV，并可在任一HMI上進(jìn)行顯示。

(2)過(guò)程狀態(tài)可視化器為司鉆提供鉆井作業(yè)過(guò)程中當(dāng)前和后續(xù)步驟相關(guān)的提示信息，能夠有效地輔助司鉆進(jìn)行鉆井監(jiān)督和控制鉆井活動(dòng)。

(3)圖形用戶界面(GUI)具有較高的配置靈活性，它允許用戶根據(jù)需要自定義過(guò)程變量或重新排列畫面布局，GUI以導(dǎo)航方式引導(dǎo)用戶流程式操作設(shè)備，來(lái)減輕操作難度。

(4)硬件拓?fù)浒?個(gè)輔助千兆網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)應(yīng)用服務(wù)器，可對(duì)后加的輔助設(shè)備和服務(wù)進(jìn)行集成，它還包括1個(gè)系統(tǒng)拓?fù)淦?，可?duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行故障診斷和系統(tǒng)性能評(píng)估。

1.1.3 NOVOS平臺(tái)

NOVOS是NOV的過(guò)程鉆井自動(dòng)化平臺(tái)，顯示界面如圖3所示。NOVOS可部署在Amphion或Cyberbase控制系統(tǒng)中，通過(guò)優(yōu)化鉆井方案來(lái)快速改善鉆進(jìn)性能，將重復(fù)的鉆井活動(dòng)自動(dòng)化，使鉆井工人能夠更專注于持續(xù)、安全的作業(yè)流程。該平臺(tái)為用戶提供了一系列用于解決鉆井過(guò)程中可能發(fā)生的各類問(wèn)題的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可根據(jù)用戶需求支持定制開(kāi)發(fā)。

圖3 NOVOS界面Fig.3 NOVOS interface

2012年，中油海16平臺(tái)采用Amphion系統(tǒng)集成了頂驅(qū)、排管機(jī)及折臂吊等設(shè)備，司鉆房配備3臺(tái)19 in LCD顯示屏和一個(gè)CCTV監(jiān)控屏，通過(guò)NOVOS司鉆實(shí)時(shí)掌握各設(shè)備的運(yùn)行情況，配備的ZMS(區(qū)域管理系統(tǒng))會(huì)主動(dòng)阻止設(shè)備危險(xiǎn)運(yùn)行，安全性能達(dá)到了2級(jí)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，有效解決了以往鉆井設(shè)備多、操作風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。

1.2 OnTrack鉆機(jī)控制系統(tǒng)

OnTrack是斯倫貝謝公司的鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)[7]。OnTrack將各種類型鉆井設(shè)備和工藝集成在了1個(gè)系統(tǒng)中，它是一款集監(jiān)控、控制以及關(guān)鍵信息決策于一體的自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)。

1.2.1 OnTrack系統(tǒng)組成

OnTrack系統(tǒng)由控制網(wǎng)和信息網(wǎng)組成，二者之間以高速吞吐量數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中控制網(wǎng)(C-NET)采用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)中的工藝過(guò)程和設(shè)備的控制管理，該網(wǎng)絡(luò)主要由隨鉆分析軟件(AWD)、絞車控制系統(tǒng)、頂驅(qū)控制系統(tǒng)、鉆井泵控制系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、鐵鉆工控制系統(tǒng)及設(shè)備接口(MI)系統(tǒng)等組成。其中AWD由多個(gè)實(shí)時(shí)算法組成，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算隨鉆參數(shù)(如 WOB、ROP、井深、鉆井液體積、鉆井液流量等)來(lái)協(xié)助指導(dǎo)司鉆作業(yè)；MI系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)第三方設(shè)備的無(wú)縫集成。信息網(wǎng)(I-NET)面向管理層為操作人員和管理人員提供數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，其主要由司鉆操作椅(X-COM)、OnTrack服務(wù)器、資源管理工作站、CCTV系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、管柱互鎖系統(tǒng)、區(qū)域管理系統(tǒng)等組成。資源管理工作站用來(lái)訪問(wèn)OnTrack服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。管柱互鎖系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控管柱設(shè)備運(yùn)行情況來(lái)防止管柱意外掉落，進(jìn)而提高人員安全性并節(jié)省作業(yè)時(shí)間。區(qū)域管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間的相對(duì)安全距離避免發(fā)生碰撞。DMS即鉆井管理系統(tǒng)，能夠使鉆機(jī)產(chǎn)生的鉆井?dāng)?shù)據(jù)隨時(shí)隨地可用并最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程鉆井。

1.2.2 OnTrack系統(tǒng)特點(diǎn)

OnTrack網(wǎng)絡(luò)操作椅如圖5所示。操作椅上安裝有觸摸屏、操作開(kāi)關(guān)、操作手柄以及對(duì)講系統(tǒng)。其中觸摸屏數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要靈活配置，司鉆通過(guò)單司鉆操作臺(tái)借助遠(yuǎn)程I/O模塊可實(shí)現(xiàn)絞車、鉆井泵、鉆臺(tái)工具等鉆井設(shè)備的訪問(wèn)和控制。OnTrack系統(tǒng)將所有控制元件安裝在集成控制柜里，使用特定功能的專用PLC和遠(yuǎn)程通信模塊，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)遠(yuǎn)程技術(shù)支持和數(shù)據(jù)查詢。

圖5 OnTrack網(wǎng)絡(luò)操作椅實(shí)物圖Fig.5 Physical picture for seat of OnTrack network

OnTrack系統(tǒng)已經(jīng)被眾多企業(yè)和項(xiàng)目成功應(yīng)用，其中包括全球各地的石油和天然氣勘探公司、油田開(kāi)發(fā)企業(yè)、供應(yīng)商和承包商等。通過(guò)OnTrack系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，這些企業(yè)可以提高生產(chǎn)效率，并且在生產(chǎn)過(guò)程中降低成本、減少風(fēng)險(xiǎn)和事故發(fā)生的可能性，提升企業(yè)的盈利能力和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1.2.3 DrillOps技術(shù)

DrillOps是斯倫貝謝數(shù)字化和智能化鉆井技術(shù)，它包括4部分：自動(dòng)化、智能專家、流程協(xié)同及實(shí)時(shí)連接。自動(dòng)化以目標(biāo)為導(dǎo)向，使用AI/ML算法來(lái)協(xié)助和優(yōu)化自動(dòng)鉆井的序列任務(wù)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用數(shù)據(jù)分析和計(jì)算模型，將指定目標(biāo)計(jì)劃進(jìn)行共享。智能專家通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)視并捕獲操作產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，為操作員在鉆井過(guò)程中提供指導(dǎo)建議，以改善決策并降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。為提高施工協(xié)作能力，流程協(xié)同系統(tǒng)通過(guò)讀取實(shí)施數(shù)字鉆井設(shè)計(jì)，在適當(dāng)時(shí)間將相關(guān)信息和措施推送給對(duì)應(yīng)人員。實(shí)時(shí)連接功能通過(guò)將井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與地上測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、共享，使所有鉆井作業(yè)人員能夠?qū)崟r(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

DrillOps已在全球多個(gè)地區(qū)開(kāi)展了試用及商業(yè)應(yīng)用。其中2017年墨西哥一座油田應(yīng)用情況表明，該軟件使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析鉆井操作中的數(shù)據(jù)，為司鉆提供決策和優(yōu)化建議，在提升鉆井效率和安全性方面效果顯著。

1.3 DrillView鉆機(jī)控制系統(tǒng)

MHWirth公司在2015年開(kāi)始研發(fā)DrillView系統(tǒng)[8]，如圖6所示。該系統(tǒng)具有電視監(jiān)控、可配置自動(dòng)鉆井系統(tǒng)、軟扭矩、司鉆助手、操作終端、第三方接口、設(shè)備控制、報(bào)警處理、報(bào)警管理、個(gè)性化視圖、趨勢(shì)分析、電子記錄本、故障診斷、配置、報(bào)告、錄井、遠(yuǎn)程支持與連接等功能模塊。目前DrillView有2種不同版本的應(yīng)用程序，一種用于操作控制，另一種用于鉆機(jī)維保，可根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行配置。

圖6 DrillView系統(tǒng)功能示意圖Fig.6 Schematic diagram for functions of DrillView system

DrillView系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①由眾多C/S架構(gòu)的工作站組成，采用光纖冗余通信網(wǎng)能夠抵御外部惡意入侵。②DrillView是鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分發(fā)、顯示以及參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程控制的數(shù)據(jù)共享中心，通過(guò)Web服務(wù)器可隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)和控制。系統(tǒng)采用SQL實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)的回放和再分析，并可離線打印報(bào)告。③DrillView系統(tǒng)通過(guò)一套健全的接口實(shí)現(xiàn)不同類型鉆井設(shè)備的集成與控制。④DrillView系統(tǒng)通過(guò)PLC來(lái)統(tǒng)一管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。例如：將傳感器、執(zhí)行器以及其他自動(dòng)化系統(tǒng)都連接到PLC，通過(guò)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和命令分發(fā)，通信接口通常使用Profibus。

DrillView自推向市場(chǎng)以來(lái)，在美國(guó)、澳大利亞、挪威及加拿大等地的油氣勘探和開(kāi)采項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。2017年越洋公司首次將DrillView在推動(dòng)號(hào)上進(jìn)行了試點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)，在該系統(tǒng)的作用下鉆井整體效率相比之前具有顯著提升，系統(tǒng)可在更少的人為干擾下運(yùn)行，在提高鉆井作業(yè)穩(wěn)定性和消除風(fēng)險(xiǎn)方面效果明顯。在越洋推動(dòng)號(hào)試點(diǎn)成功后，2019年越洋公司為斯匹次卑爾根號(hào)、鼓勵(lì)號(hào)、春分號(hào)和耐力號(hào)都進(jìn)行了同樣的升級(jí)改造。

1.4 IDEC系統(tǒng)

IDEC(Integrated Drilling Equipment Control)系統(tǒng)[9]是ACS公司的鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，如圖7所示。系統(tǒng)由1個(gè)座椅、2個(gè)控制柜及觸摸屏等組成?？刂乒裰邪惭b了控制系統(tǒng)所需的PLC和網(wǎng)絡(luò)組件，司鉆使用觸摸屏和開(kāi)關(guān)旋鈕進(jìn)行操作，觸摸屏用于查看鉆井參數(shù)和操作數(shù)據(jù)。IDEC使用基于西門子PLC的Profibus、Profinet以及以太網(wǎng)通信協(xié)議，將第三方設(shè)備集成進(jìn)同一網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的集中監(jiān)控、控制、報(bào)警、診斷?？刂破魍ǔ０惭b在司鉆房控制柜或VFD房控制柜中，使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議可以在本地或遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

圖7 IDEC控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Physical picture of IDEC control system

IDEC系統(tǒng)在2009年首次推出，在此之后陸續(xù)有多個(gè)版本發(fā)布。該自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在美國(guó)、加拿大、墨西哥等地的油氣勘探公司進(jìn)行廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性、檢測(cè)井筒中氣體含量、自動(dòng)調(diào)整鉆頭角度等，有助于提高鉆井效率和安全性。根據(jù)艾默生公司介紹，應(yīng)用IDEC系統(tǒng)后可以將鉆井效率提高10%以上，同時(shí)可以降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本。

2 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 idriller?集成控制系統(tǒng)

為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)石油市場(chǎng)自動(dòng)化鉆機(jī)的發(fā)展需求，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱寶石機(jī)械)于2014年率先研制了國(guó)內(nèi)首套集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化集成控制系統(tǒng)，命名為idriller?[10]。該控制系統(tǒng)摒棄了以往“堆積木”式集成理念，而是采用“兩把座椅控全程”的思路，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井場(chǎng)所有設(shè)備的監(jiān)控、操作、報(bào)警功能。

idriller?控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D8所示，采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)將各鉆井設(shè)備、儀表、中心控制站、一體化座椅、第三方設(shè)備等各子系統(tǒng)連接到了一體，方便過(guò)程管理與自動(dòng)控制。該系統(tǒng)還集成了電視監(jiān)控和對(duì)講功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控單個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)講功能保證了司鉆房?jī)?nèi)外的信息溝通順暢。

圖8 idriller?控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.8 Network topology diagram of idriller? control system

2.1.1 一體化座椅

idriller?控制系統(tǒng)通過(guò)司鉆房2個(gè)一體化座椅來(lái)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控，2個(gè)座椅具有互換功能，座椅模式可由用戶自定義配置。一體化座椅具有人體工程學(xué)特征，可根據(jù)司鉆個(gè)人喜好自由調(diào)節(jié)，以最大限度提高操作人員舒適度，減緩疲勞。目前idriller?一體化座椅具有按鍵式和觸摸式2個(gè)版本，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行選配。

2.1.2 可靠的急停機(jī)制

為了保證idriller?控制系統(tǒng)的絕對(duì)安全，采用分級(jí)分布模式搭建了急停控制電路，電路包括單體設(shè)備急停、總設(shè)備急停和動(dòng)力急停，急停權(quán)限依次升高，在鉆井過(guò)程中如果出現(xiàn)緊急情況，作業(yè)人員可就近按下急停按鈕，立即停止設(shè)備運(yùn)行，避免發(fā)生危險(xiǎn)造成事故。

2.1.3 防碰互鎖

鉆井作業(yè)是多設(shè)備相互協(xié)作的過(guò)程，應(yīng)當(dāng)避免設(shè)備之間發(fā)生碰撞或產(chǎn)生交接風(fēng)險(xiǎn)，為解決這一問(wèn)題，idriller?控制系統(tǒng)在嚴(yán)格考慮了鉆井工況中可能發(fā)生的各種碰撞、交接風(fēng)險(xiǎn)后，開(kāi)發(fā)了防碰互鎖軟件。該軟件通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算設(shè)備之間距離，在超出安全閾值時(shí)，主動(dòng)阻止設(shè)備向危險(xiǎn)方向運(yùn)行避免發(fā)生碰撞，從而保證設(shè)備安全運(yùn)行。

2.1.4 “一鍵式”操控

為了提高鉆井作業(yè)效率，寶石機(jī)械開(kāi)發(fā)了“一鍵式”軟件。該軟件在保證安全的前提下控制多個(gè)鉆井設(shè)備復(fù)合聯(lián)動(dòng)、交叉運(yùn)行、工序銜接，大幅度降低了司鉆操作難度，縮短了輔助作業(yè)時(shí)間，提高了鉆井效率[11]。

2.1.5 友好的人機(jī)界面

idriller?人機(jī)界面規(guī)劃如圖9所示，直觀可靠的人機(jī)界面為鉆井過(guò)程產(chǎn)生的鉆井?dāng)?shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等提供可視化，人機(jī)界面根據(jù)操作需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合規(guī)劃，控件統(tǒng)一布局，色彩協(xié)調(diào)搭配，避免個(gè)性化設(shè)計(jì)，整體呈現(xiàn)直觀、整潔、舒適的風(fēng)格。系統(tǒng)菜單采用導(dǎo)航方式布置，便于用戶快速訪問(wèn)和減少重復(fù)操作次數(shù)。

圖9 idriller?人機(jī)界面Fig.9 idriller?man-machine interface

idriller?集成控制系統(tǒng)已批量化應(yīng)用于配有管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的各型號(hào)鉆機(jī)上，涉及國(guó)內(nèi)、外陸地和海洋鉆井平臺(tái)。其中具有代表性的“一鍵式”人機(jī)交互7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)配備的集成控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的人機(jī)交互和多設(shè)備復(fù)合聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行，并具備安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用該系統(tǒng)后每口井可縮短輔助作業(yè)時(shí)間2～3 d，井隊(duì)人員配備相比標(biāo)準(zhǔn)配置減少，鉆井工人體力勞動(dòng)與常規(guī)鉆機(jī)相比減輕90%。數(shù)10年的應(yīng)用表明，idriller?控制系統(tǒng)能夠有效提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全性，提高鉆井效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 TSC集成控制系統(tǒng)

青島天時(shí)TSC集成控制系統(tǒng)[12]由控制臺(tái)座椅和功能軟件構(gòu)成，是一個(gè)集成的數(shù)字控制和監(jiān)控系統(tǒng)，主要功能包括頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、絞車、動(dòng)力管理、鉆井液監(jiān)測(cè)、鉆井泵控制和輔助機(jī)械操作。司鉆控制臺(tái)座椅如圖10所示。座椅兩側(cè)扶手箱上布置有開(kāi)關(guān)、按鈕、手柄、觸摸屏和數(shù)字鍵盤，并且配備了2臺(tái)工控機(jī)和2臺(tái)顯示觸摸屏。TSC集成控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)司鉆控制臺(tái)座椅和井場(chǎng)所有設(shè)備的通信。

圖10 TSC司鉆座椅Fig.10 TSC driller’s seat

TSC控制系統(tǒng)已在全球近300臺(tái)海洋平臺(tái)和陸地鉆機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用，遍布全球20多個(gè)國(guó)家的主要油氣產(chǎn)區(qū)，控制系統(tǒng)常年運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2.3 Unison集成控制系統(tǒng)

Unison集成控制系統(tǒng)[13]是宏華集團(tuán)研發(fā)的陸地變頻交流電動(dòng)鉆機(jī)的集成控制系統(tǒng)，配置了4個(gè)具有冗余功能的顯示屏，人機(jī)界面設(shè)計(jì)有單設(shè)備操作和綜合起下鉆操作畫面。該系統(tǒng)還可選配自動(dòng)送鉆、抗黏滑振動(dòng)等功能插件，另外Unison還可集成宏華視頻系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)。目前Unison系統(tǒng)在油服50LDB改造鉆機(jī)、ADC鉆機(jī)、海隆鉆機(jī)、烏克蘭鉆機(jī)等項(xiàng)目上有所應(yīng)用，其不僅可監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和獲取維護(hù)信息以及排查故障，而且還可提升生產(chǎn)效率，減少風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生。

2.4 蘭石集成控制系統(tǒng)

蘭石集團(tuán)于2021年研制了一套集成控制系統(tǒng)應(yīng)用于ZJ90DB自動(dòng)化鉆機(jī)上[14]。該系統(tǒng)在操控模式方面采用雙司鉆結(jié)構(gòu)，通過(guò)觸摸屏操作，并且具有“一鍵聯(lián)動(dòng)”系統(tǒng)和ZMS，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)具控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。新研制的ZJ90DB自動(dòng)化集成鉆機(jī)將使蘭石石油鉆探設(shè)備躋身國(guó)際同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平。

3 發(fā)展方向預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)據(jù)共享

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)勢(shì)必向一個(gè)開(kāi)放共享的方向發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，需各方齊心協(xié)力打破數(shù)據(jù)孤立、相互隔絕的現(xiàn)狀，加強(qiáng)不同專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，規(guī)范化數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸、轉(zhuǎn)換、匯聚和應(yīng)用的每個(gè)環(huán)節(jié)，確保數(shù)據(jù)一致性和可靠性，為設(shè)備生產(chǎn)廠商、鉆探企業(yè)、油服企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、第三方廠商提供一個(gè)可擴(kuò)展的開(kāi)放式數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各自軟件的無(wú)障礙接入。

3.2 自動(dòng)化鉆井

人工智能的快速發(fā)展，促使鉆井作業(yè)將向少人化甚至無(wú)人化發(fā)展，自動(dòng)化鉆井將井下數(shù)據(jù)、地表數(shù)據(jù)、歷史鉆井?dāng)?shù)據(jù)相融合，通過(guò)智能化分析平臺(tái)對(duì)各類井底工程參數(shù)和地層巖性參數(shù)進(jìn)行分析，快速做出優(yōu)化鉆速、鉆壓、扭矩等鉆井參數(shù)的決策[15]，隨后向集成控制系統(tǒng)發(fā)出建議或指令，實(shí)現(xiàn)高效、安全的自動(dòng)化鉆井作業(yè)。

3.3 故障檢測(cè)及診斷

在鉆井作業(yè)中由于設(shè)備維護(hù)不及時(shí)造成故障從而引發(fā)經(jīng)濟(jì)損失，并且因事后維修造成時(shí)間、人力、物資浪費(fèi)，進(jìn)而影響鉆井效率。因此，需基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)，建立工業(yè)大數(shù)據(jù)分析和智能算法的設(shè)備健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)和故障診斷模型，通過(guò)系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)軟件對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、故障庫(kù)等決策手段提前向管理人員發(fā)出預(yù)警信號(hào)，降低因設(shè)備異常或故障所造成的經(jīng)濟(jì)損失以及維修增加的成本，保障生產(chǎn)流程的持續(xù)安全運(yùn)行。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

近年來(lái)，隨著自動(dòng)化鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)各大油田的推廣使用，國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)也在經(jīng)歷著不斷地優(yōu)化與提升，其在減輕勞動(dòng)力、提升鉆井安全性、提高操作效率等方面成效顯著，得到了用戶廣泛認(rèn)可。但現(xiàn)階段我國(guó)石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)與國(guó)外相比仍有一定差距，尤其是自動(dòng)化鉆井和智能化服務(wù)方面差距較大。因此，不斷加強(qiáng)我國(guó)石油鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)的研發(fā)與人才隊(duì)伍培養(yǎng)，加快人機(jī)協(xié)同、自動(dòng)化鉆井、智能診斷等重點(diǎn)方向的技術(shù)攻關(guān)，促進(jìn)集成控制系統(tǒng)形成以質(zhì)量、技術(shù)、服務(wù)為核心，向國(guó)際高端競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的邁進(jìn)，從而提高我國(guó)石油鉆機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)的影響力。