液壓勘察船鉆機電液復合集成控制系統研制與應用

，， ， ，，，周海

(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研究中心，陜西 寶雞 721002)

隨著石油需求日益增加，迫切需要加大國內油氣資源的開發力度，而陸上增產潛力相對較小。我國南海具有豐富的石油和天然氣資源，占我國油氣總資源量的1/3左右。為打破國外技術壟斷，實現海洋油氣資源的自主勘探開發，近年來國內能源裝備制造企業設計和研制了一大批海洋油氣勘探裝備。

勘察船鉆機就是一種海洋油氣勘探關鍵裝備，其主要功能是對海洋油氣資源進行勘探和鉆探；對局部海域的海底地形地貌、地質特征、水文參數等進行全面精細的探測調查。由于勘察船鉆機對鉆井設備的質量、外形尺寸等要求十非苛刻，常規鉆井設備不能滿足勘察船的要求，小型勘察船鉆機通常采用液壓驅動為主。我國在用的小型勘察船主要通過進口，并且使用的年限較長，設備陳舊，處于更換期，急需研制新的勘察船鉆機，實現產品的更新換代[1-10]。

1 液壓勘察船鉆機配套方案

液壓勘察船是將海洋鉆探、海底淺表層取樣、地震探測、單波束及多波束探測、深拖探測等調查手段集于一身的綜合地質調查船。而地質鉆探系統是最主要的船載勘探裝備，用于對海底地層的巖心采集、測井、原位靜力觸探以及搭載水下調查設備等，是獲得地層原位樣品及土層特性所必不可少的裝備。如圖1所示。

圖1 液壓勘察船鉆機

1.1 勘探系統

綜合地質調查船地質鉆探系統用于海上地質勘探、取樣作業、CPT作業、測井作業等。全液壓勘察船鉆機主要由提升系統、液壓系統、補償系統、管子處理系統、基盤絞車和取樣絞車系統、泥漿泵組等子系統組成，各子系統布置在船體甲板上或船體艙內。如圖2所示。

圖2 液壓勘察船鉆機布置示意

提升系統的上、下行是通過液壓油缸來完成，實現鉆探系統起下鉆作業，取消了傳統鉆探系統配套的絞車、游車和天車等設備。一臺綜合液壓站為提升油缸、基盤絞車、取樣絞車、液壓頂驅、液壓絞車、月池蓋、液壓貓頭、液氣大鉗、水平動力貓道等液壓設備提供動力，確保鉆探系統各功能的實現。頂驅主傳動采用液壓驅動主軸旋轉，泥漿主循環管道通徑為120.65 mm(4英寸)，并向上貫通；其液壓控制系統具有無級調速功能，頂驅端最大載荷600 kN。自動化管子處理系統配有抓管機、鉆桿盒、水平動力貓道、液氣大鉗、動力卡瓦、液壓吊卡等機械化工具，可實現管柱從鉆桿盒至井口頂驅連接的自動化作業。所有設備均采用液壓或氣壓驅動，通過司鉆房內的操控終端實現遠程控制。司鉆控制系統采用主副司鉆分區控制，協同配合，實現各個工藝過程的流暢作業。

該鉆探系統配有2臺由交流變頻電機驅動的160 kW鉆井泵，通過無級調速和變化缸套可實現鉆井泵不同的輸出壓力和排量。

鉆探系統配有散料系統，由混合漏斗、混合泵和破袋加料機等組成，構成半自動散料加料系統。

1.2 主要技術參數

水深+鉆深 600 m

最大地層鉆深 400 m

鉆柱中心通徑 121 mm

頂驅端最大載荷 600 kN

最大鉆柱重力 400 kN

升沉補償位移 ±1.5 m

提升方式 油缸舉升

2 液壓勘察船鉆機控制對象分析

全液壓勘察船鉆機電液復合集成控制系統主要實現對液壓舉升裝置、液壓頂驅、鐵鉆工、水平貓道、抓管機、取樣絞車等鉆探設備的遠程控制，并對綜合液壓站的壓力、溫度、液位和各單元設備狀態參數、工藝參數等運行情況進行監測。根據各單元設備的作業任務特點、執行機構的驅動方式和數據傳輸模式，單元設備控制系統可分為本地控制、司鉆集成控制、應急控制3種模式。根據液壓設備的需要，液壓系統又分為閥控、泵控。本鉆機配套的各設備根據自身特點和工作特性的不同而采取不同的控制方式。

2.1 提升系統

提升系統采用雙液缸直接驅動，完成頂驅的提升/下放作業。簡化了機械傳動流程，降低了機械設備故障率，并減輕了整機質量。如圖3所示。

1) 提升/下放功能。通過操作司鉆房多功能手柄，完成頂驅的提升與下放作業，在提升與下放的過程中，速度可調，運行平穩。

2) 安全功能。當系統出現斷電、管線爆裂、液壓泵故障等意外情況時，液壓提升系統給出信號至PLC，PLC實現自動鎖住并報警。

3) 應急功能。當系統出現意外停電或控制閥組故障時，可實現應急操作。

2.2 頂驅裝置

頂驅裝置由液壓馬達驅動，與背鉗、液壓吊卡配合使用。在鵝頸管上配有電動泥漿關斷閥，實現泥漿關閉；中心管頂部配電動球閥，當下取樣工具時，打開球閥，正常鉆井時關閉該閥。如圖4所示。

圖3 提升系統

圖4 頂驅裝置

2.3 升沉補償

升沉補償采取被動補償的方式。上端通過鉆井鋼絲與滑輪組連接，下端與頂驅相連，在井架內側的導軌上下運行。升沉補償裝置主要由鎖緊油缸、導向輪、上下導向架、鋼絲滑輪總成、補償油缸等構成，如圖5所示。通過氣瓶組、活塞式蓄能器、補償油缸構成一類似于彈簧的執行機構，實現船體上下升沉位移補償。

圖5 升沉補償裝置

2.4 管子處理系統

管子處理系統主要由抓管機、鉆桿盒、動力貓道、氣動卡瓦、鉆桿動力鉗、液壓吊卡等組成。其主要功能是將鉆桿從鉆桿盒中取出輸送給頂驅，或在起鉆時將鉆桿從頂驅輸送到鉆桿盒。如圖6所示。

圖6 管子處理系統

2.4.1抓管機

抓管機采用液壓控制，能夠覆蓋貓道兩側鉆桿盒中鉆桿的抓取，完成鉆桿盒與水平動力貓道之間的鉆桿傳遞。

2.4.2水平動力貓道

動力貓道為移動可拆式設計，主要由貓道本體、液壓系統、電氣控制系統等組成。與頂驅吊卡配合完成鉆桿轉移，可現場遙控和在司鉆房控制。

2.4.3鉆桿動力大鉗

鉆桿動力大鉗主要由鉗體和升降架2部份組成，主要用于鉆桿和鉆鋌的上卸扣作業，動力大鉗在司鉆控制房中由主司鉆集中控制操作。

2.5 海底基盤收放系統

海底基盤收放系統的主要功能是控制基盤的起升、下放和取樣絞車的取樣作業。如圖7所示。

綜合地質調查船進行深海作業時，由于受海浪作用，母船會隨著波浪產生升沉運動(垂蕩)，安裝在母船上的作業裝置也會產生升沉運動，影響到深水作業的基盤的正常工作。在基盤絞車上安裝波浪補償裝置，以跟蹤船舶升沉運動，減小波浪對深水勘察作業影響，特別是惡劣海況的影響。

圖7 海底基盤收放系統

2.6 泥漿泵

泥漿泵(如圖8)組分為泵組1和泵組2，為臥式三缸單作用活塞泵。根據泥漿泵在船艙內的擺放位置不同，泵組1與泵組2的吸入管線和排出管線的布局不同。

2.7 綜合液壓站

液壓站是鉆井系統的主要動力單元，為提升系統、頂驅、基盤/取樣系統、月池門和管柱處理系統提供動力。液壓站配套水冷裝置一套，液壓站回油、卸荷回油及加油濾油回油均可經水冷裝置或直接回油箱。

液壓站具有油溫、油位、油污報警裝置。各濾油器帶24 V堵塞電發訊器和目視發訊裝置，具有堵塞旁通功能,可給司鉆房預留報警信號。液壓站為整體結構，電機、泵、油箱及電控箱整體成撬放在船上一個船艙內。如圖9所示。

圖8 泥漿泵

圖9 綜合液壓站

3 集成控制系統設計

3.1 控制和檢測設備(如表1)

表1 控制和監視設備

3.2 液壓系統

電液復合控制系統主要負責液壓執行器的控制，包括高壓、中高壓和回油3組壓力等級的液壓回路。高壓回路用于舉升系統、頂驅系統的控制；中高壓回路用于機具液控閥組的驅動；回油回路在閉式系統中用于液壓介質的回收。

為了保證液壓系統動力輸入的可靠性，液壓系統動力由2臺主電機帶動泵站供給，液壓站2臺主電機均支持一用一備的工作方式，液壓站液壓源通過控制閥后進入各設備控制系統液壓回路。為克服液壓源壓力波動可能引起液壓系統不穩定，同時滿足在液壓供油回路出現故障時，確保系統保持足夠壓力，配置了一組液壓蓄能器；為確保勘察船鉆探系統安全，關鍵閥組具有液壓自鎖和失壓關斷功能。為實現舉升油缸快、慢速提放以及自動送鉆，專門設計了差動功能，確保舉升系統滿足所有作業工況需求。

3.3 集成控制系統

集成控制系統包含了對整套鉆井包的控制，集機械、視頻采集、電控、儀表于一體，是鉆機的核心控制系統，是對成套鉆井包的高度集成。

通過主副雙司鉆集成操控座椅，實現所有設備的集中控制和監視。如圖10所示。

圖10 雙司鉆集成操控座椅

系統采用可編程控制技術、工業網絡通訊技術，將石油鉆機變頻系統、儀表系統、頂驅系統、視頻監控系統等組成集成控制系統。完成了鉆機各控制單元的有效整合，克服了常規鉆機配套的各子系統相互獨立、配置重復的缺點，搭建了勘察船鉆機自動化、智能化控制平臺，引領了今后勘察船鉆機集成控制的發展方向。

3.4 PLC程序設計

系統設計選定的是西門子S7系列PLC，每個單元設備配套一套PLC控制站，針對每一套控制站開發專用PLC程序，實現對被控設備的信號采集和控制輸出，并實現設備內部的控制邏輯、限位和保護等。為了實現對各二級子站的管理，還需要開發對應設備間的交接、互鎖、防碰等控制程序，實現多個被控設備的集中管理。在PLC控制站的軟件程序開發過程中，首先以各設備工作工藝要求為依據，進行各功能模塊分解，最后通過分塊協作編寫程序代碼方式完成。例如圖11為動力鉗程序界面。

圖11 動力鉗程序界面

3.5 人機界面軟件開發

人機界面是操作人員和被控設備之間傳遞、交換信息的媒介和窗口。本系統人機界面的軟件基于西門子winCC 7.3版本軟件而開發，為實現對操作人員權限的管理，專門設計開發了登錄界面；根據主副司鉆的分工分別設計了主副司鉆人機界面程序；根據勘探船鉆機的作業工藝過程，設計開發了鉆井、起下鉆等工藝操作人機界面；根據配套設備分別設計了各單元設備的人機界面畫面。如圖12所示。

圖12 鉆井人機界面

4 應用

該勘察船已通過項目組的正式驗收，交付給用戶，被命名為“海洋地質十號船”，該船的成功建造彌補了我國在小噸位、大深度海洋地質鉆探領域的不足，擴展了我國海洋地質調查的技術能力。提升了我國重點海域油氣和天然氣水合物的勘探能力，為下一步自主設計建造更大噸位的天然氣水合物鉆采船(大洋鉆探船)提供了有力的技術和經驗支撐。

截止目前，海洋地質十號船已完成了多次海試，并進行了項目的驗收，當前正在南海進行取樣作業。

5 結語

隨著未來人工智能技術的發展，油田鉆井裝備的自動化、智能化終將實現。開發出性能優異、穩定可靠、智能化程度高的石油勘探設備已成為未來發展的主要方向。

1) 向“電液復合集成控制”方向發展。傳統的地質勘探系統均采用滾筒絞車、頂驅、泥漿泵等設備實現。隨著科技的發展，傳統的由電機帶動變速箱驅動滾筒的絞車、頂驅等設備將被油缸、齒輪齒條、全液壓頂驅等電液復合控制設備所替代。電液復合設備的質量輕、占用空間小，成本低，方便維護和管理，對勘探船有著顯著的優勢，必將逐步取代傳統的、笨重的設備，成為下一步的發展方向。

2) 向智能機器人方向發展。目前，很多勘探作業仍然需要由人工完成，工人勞動強度大、作業風險高。為了減少人員和作業風險，相應的智能化機器人不斷涌現，代替傳統的人工作業，通過遠程操控或自動控制實現野外的勘探作業。為此，2017年國家科技部啟動實施了“智能機器人”重點專項，重點攻克人機自然交互與協作共融等重大基礎前沿技術，未來機器人作業代替人工作業將成為必然的發展趨勢。

3) 向“一鍵式人機交互”方向發展。當前部分勘探裝備已實現了司鉆房集中控制，但對部分設備的操控還離不開人工的干預和配合，這不僅增加了操作的繁瑣性，還會造成各個作業過程的交接出現等待，不順暢，影響效率。為了改變現狀，需要對當前的鉆探工藝進行重新梳理和優化，按照新的鉆探工藝開發出一鍵式人機交互操控系統。實現自動連續人機協同作業將成為下一步發展的目標和方向。