深水平臺鉆井控制系統淺析

初建樹

（中遠船務集團工程有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

由于全球經濟對于原油的依賴度不斷增加，陸上石油資源已經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更是重要組成部分。當進行海上作業時，鉆井控制系統（DCS）的對海況及海底鉆探過程的實時監控和響應保障了鉆井過程平穩運行，更是通過與中央控制系統（IAS）和動力定位系統（DPS）等控制系統相互通信配合，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，鉆井控制系統作為平臺集控系統的重要組成部分，對整個鉆井施工的過程監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以及目前在建的國內鉆井船項目的鉆井控制系統進行研究，深水鉆井控制系統基本結構如圖1所示。從圖中可以看出，鉆井控制系統是一套相對獨立的控制系統，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，操作站有專門的監控面板，鉆井系統各子系統狀態均可由面板上面的組態軟件呈現，司鉆員可通過搖桿、觸屏和鍵盤等多種方式對系統進行控制。對于鉆井系統中各分支系統也有相應的控制子系統進行控制，并將數據反饋到主服務器然后通過監視器反饋狀態，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。整個系統通過分布式結構將子控制系統所控制的設備信息處理并傳輸給主服務器統一管理，增強了系統的魯棒性。同時兩個主服務器亦可以在特殊情況下分別對子系統進行控制，滿足系統冗余性，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的核心部分，鉆井中央控制系統是整個鉆井設備運作的中樞神經，各部分設備通過分控制系統協調控制使鉆井過程穩定的、平衡的、安全的運行。其中主要包括鉆井視窗系統、提升控制系統、泥漿循環系統、旋轉控制系統及數據監控等。下面將對各部分做簡要介紹。

1）視窗系統是整個鉆井控制系統的眼睛。通過視窗系統，各系統數據可以以組態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中各部分的參數變化，目前幾家主流的井控設備提供商的視窗系統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控各系統實際參數指標的變化，提高了操作的安全性。同時視窗系統軟件中設置了相應的報警限制，一旦數據出現波動觸及報警，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，方便監控。從圖中可以看出，除了控制和監視設備外，一般還配有通訊裝置，方便內外部操作人員溝通[4]。

圖2 吊裝框架結構設計形式

2）提升控制系統是鉆井控制系統的重要組成部分，其中包括了絞車控制子系統，行車控制系統等。絞車系統雖然算是提升系統的范疇，但近年來由于技術不斷發展已經轉變為相對獨立的一套系統。深水平臺的主流產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中，以減少操作時電能的消耗。

渦流制動為一種動態剎車控制，通過渦流剎車控制系統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，從而降低主軸轉速，達到剎車效果。

剎車片剎車系統原理最為簡單，通過液壓裝置驅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）區域定位系統主要通過PLC控制器對絞車實際參數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。其主要的數據采集通過load sensor、encoder和接近開關等。

（3）自動伺鉆系統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速達到數百到數千RPM（根據不同項目及設備而不同），通過調節馬達轉速用來輔助主馬達對絞車進行調節控制。

行車系統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）泥漿循環系統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皮帶或鏈條驅動，其作用是將調配好的泥漿注入井口。

而作為泥漿循環系統的主要部分——泥漿，主要是通過散料系統、混合系統、攪拌系統等將固態和液態原料按比例進行調配，根據不同海域及海底巖質等調配成不同的泥漿液用于鉆井過程。注入的泥漿還要經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。

上述泥漿循環系統中所提到的三個小系統一般統稱低壓泥漿系統，可根據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，此系統也和 DCS系統有直接接口用于上位機監控設備實際運作狀況。主要以報警及物料存量等相關參數為主。

4）旋轉系統主要包括頂驅及轉盤。在老式的鉆井平臺上，轉盤有驅動鉆桿旋轉的作用，但是在新式的平臺上，鉆桿的轉動大多是由頂驅上的變頻馬達驅動完成的。

5）數據監控由諸多傳感器采集完成，整個鉆井儀表系統中主要的傳感器包含如下：

（1）泥漿泵沖程計數：采集泥漿泵的沖程數，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時輪轂的轉動圈數，可以判斷作業井深及噸公里數等。

（3）頂驅扭矩傳感器：通過扭矩傳感器反饋的數據可以判斷頂驅轉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工作一般在頂驅馬達控制程序中還要加入soft torque程序，可以通過 PLC計算采集數據直接對馬達輸出扭力進行更為精確的控制，防止出現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。

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

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

圖3 鉆井系統主要接口

BOP控制系統與鉆井控制系統的主要接口為Riser Recoil接口，此接口的主要作用通過數據傳輸將LMRP的狀態信息傳輸到鉆井控制系統，以通過riser tension系統及時補償因riser與BOP脫離所產生的瞬時反沖力，保護整個平臺的安全。

另一個主要接口為鉆井系統與 DP系統的接口。此接口通過Riser Management System(RMS)將鉆井系統中張緊器的相關數據發送到DP控制系統進行數據分析，通過對張緊器參數的分析得到水下部分特別是隔水套管對平臺的實際拉力，據此來調整平臺姿態以保持平臺保持在一個相對穩定且安全的姿態。

第三個主要的接口為鉆井控制系統與平臺自動化系統的通訊。此部分通訊分為三部分，分別是對鉆井系統儀器儀表信號的通訊，低壓鉆井輔助設備馬達狀態的通訊以及大型鉆井設備變頻馬達的通訊。因數據種類繁多，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檢查，以免對設備引起不必要的傷害。

節流壓井控制系統與鉆井系統的接口相對簡單。主要是節流壓井管匯的儀表系統等數據傳輸及反饋到鉆井控制系統，為司鉆員操作水下控制提供數據支持。如下圖4所示[7]。

圖4 節流壓井控制系統系統圖

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.深水和超深水區油氣勘探難點技術及發展趨勢[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狀及發展趨勢[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.