海洋鉆井集成司鉆控制系統的設計與應用

王世棟，廖天保，代爽玲，李 浪，張會寅，吳銳鋒

（廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760）

0 引 言

司鉆房是石油鉆機控制與顯示系統的核心部件，其性能直接關系到整部鉆機的生產效率。針對國內的司鉆控制系統越來越無法滿足鉆機現代化發展需求的現狀，國內相關各方一直致力于實現該系統的國產化，力求打破國外技術封鎖。“海洋地質十號”鉆探船是我國自主設計、建造的集海洋地質、地球物理和水文環境等多功能調查手段于一體的綜合地質調查船，其司鉆控制系統的設計充分考量了國內海洋鉆井平臺用戶的特殊需求，實現了鉆機各主要鉆井設備的集成操作和遠程監視，為司鉆操作人員提供了集成化的操作終端，在實際應用中達到了預期效果。

1 集成司鉆控制系統總體描述

“海洋地質十號”鉆探船是為滿足在1000m 作業水深下高效地進行鉆井勘探、靜力觸探（Cone Penetration Testing, CPT）作業和測井的要求設計的。圖1 為“海洋地質十號”鉆探船集成司鉆房。司鉆控制房是為鉆機設計的，采用雙司鉆系統。主司鉆和副司鉆均采用一體化司鉆座椅操作，其中：主司鉆通過安裝在司鉆座椅上的開關、按鈕、手柄和觸摸屏等，控制提升系統、泥漿泵、液壓貓頭、液壓動力鉗和液壓吊卡等設備；副司鉆通過操作司鉆座椅左右扶手上的多功能手柄、鍵盤、開關和觸摸屏等，控制抓管機、動力貓道和取樣絞車等設備。主司鉆和副司鉆可同時通過觸摸屏和工業監視顯示屏了解相關的鉆井參數和設備的工作狀態，當控制開關出現故障時，可通過觸摸屏進行應急操作的司鉆控制房布置有一個綜合操作臺，用于控制海底基盤、基盤絞車、取樣絞車、地質絞車和臍帶絞車等設備。

司鉆控制房是由控制系統、鉆井參數顯示控制系統和監視系統組成的整體，其中：

1) 控制系統包括管柱處理控制系統、提升控制系統、基盤控制系統、取樣絞車及基盤絞車控制系統、升沉補償系統、頂驅控制系統、機具控制系統、室內配電系統、正壓送風系統和可燃氣體探測系統等；

2) 鉆井參數顯示控制系統機械表頭實時顯示懸重、鉆壓、立管壓力和吊鉗扭矩等參數；

3) 監視系統對取樣絞車、動力貓道、抓管機、甲板上井口、鉆桿盒、頂驅吊卡、基盤臍帶纜絞車、CPT 絞車、抓管機鉗頭、井架頂部滑輪、液壓大鉗、公共液壓站、泥漿泵、散料處理區、井架和電控間等處設備的運轉狀態進行實時監視，實現司鉆對被監視位置情況的實時掌握，根據情況合理操作和通信。

集成控制系統集中安裝在司鉆房內，主要包含主司鉆一體化座椅、副司鉆一體化座椅、集成控制柜、數顯式儀表臺、頂驅操控臺和其他輔助系統。根據被控設備和鉆井工藝的需要，系統配套有主、副2 套一體化集成司鉆座椅，對應控制不同的鉆井設備，主司鉆和副司鉆分工見圖2。

圖1 “海洋地質十號”鉆探船集成司鉆房

圖2 主司鉆和副司鉆分工

主、副2 套集成司鉆座椅的硬件配置完全相同，下面以司鉆座椅為例進行介紹。司鉆座椅由左多功能手柄、右多功能手柄、電控觸摸屏、麥克風、閉路電視操作鍵盤和急停按鈕等組成。每套座椅都配置觸摸一體機，作為人機界面軟件的運行平臺，同時用于對相關鉆井設備進行控制操作和參數設定，并可進行設備運行狀態顯示和手柄功能提示等。

2 集成司鉆控制系統設計

2.1 正壓送風系統

正壓送風系統由2 套獨立的正壓送風空調系統組成，正常使用時一套運行，另一套備用。每套正壓送風空調系統都由新風空調、控制箱、差壓開關、溫度探頭和可燃氣體探頭等部分組成。

正壓送風系統設置新風口、排風口和回風口。正壓送風系統啟動之后，主機新風口風閘打開，向司鉆控制房送入經過處理的新風；當司鉆控制房內的壓力達到100±5Pa 時，新風口風閘關閉，司鉆控制房內的空氣經過回風口進入主機，經降溫或加熱處理之后送入房間；當司鉆控制房內的壓力低于30±5Pa 時，新風口風閘打開，向司鉆控制房送入新風；當司鉆控制房內的壓力達到100±5Pa 左右時，新風口風閘關閉，周而復始。

正壓送風系統的新風口設置有探頭，當HS 和可燃氣體檢測單元檢測到新風口有HS 或可燃氣體時，系統自動關閉新風口風閘；司鉆控制房內的控制箱上設置有復位按鈕，只有當報警信號消失、司鉆按下復位按鈕和室內正壓力低于30±5Pa 時，新風口風閘才能打開。

2.2 室內配氣系統

司鉆控制房的室內配氣系統見圖3，其功能是將鉆井系統供給司鉆控制房的壓縮空氣分配給氣喇叭、氣動卡瓦、氣動刮雨器和噴淋裝置等用氣設備。

2.3 室內配電系統

室內配電系統為司鉆控制房內的照明燈具、電暖氣、工業監視系統、基盤絞車控制系統、取樣絞車控制系統、動力貓道控制系統、有線通信系統、氣體檢測系統、升沉補償控制系統和喊話器等設備供電。

圖3 司鉆控制房的室內配氣系統

3 司鉆功能操作

3.1 軟件激活與登錄

圖4 用戶登錄對話框

以司鉆人機界面為例，進入登錄界面之后單擊“登錄”按鈕，彈出用戶登錄對話框（見圖 4），在此輸入正確的用戶名和密碼，即可進入操作主界面，單擊“取消”仍會回到登錄界面。單擊“English”按鈕可實現中文界面到英文界面的切換。副司鉆的用戶登錄流程與司鉆相同。

3.2 主畫面和分區

用戶成功登錄之后進入默認主畫面。以司鉆為例，默認為“鉆井”畫面，人機界面的功能區域劃分見圖5。

由圖5可知，主界面的布局按功能和作用分為6個區域，具體功能如下。

1) 系統總覽區：顯示當前報警，確認當前報警按鈕、清屏按鈕、當前登錄的用戶名、系統時間和退出系統按鈕。

2) 狀態顯示區：以數字表盤、柱狀圖和數值控件等方式顯示設備當前的狀態、參數等信息，同時通過輸入窗口實現設備參數設置。

3) 左手柄功能指示區：指示當前左手柄的方向和按鈕對應的操作功能。

4) 右手柄功能指示區：指示當前右手柄的方向和按鈕對應的操作功能。

5) 操作功能區：設備的操作按鈕，按下按鈕，完成相應的控制動作。

6) 功能導航區：操作員可通過單擊相應的按鈕切換當前的操作設備畫面，其中單擊“菜單”按鈕會出現系統所有畫面的選擇按鈕。

圖5 人機界面功能區域劃分

3.3 鉆井功能操作

鉆井畫面是常用畫面，涵蓋鉆井過程中與鉆井相關聯的舉升系統、吊卡和卡瓦設備的集成司鉆操作，該集成司鉆關于鉆井工藝的操作與監視功能見表1。

表1 鉆井工藝的操作與監視功能

鉆井人機界面主要分為狀態顯示、參數設置、手柄當前功能提示和操作按鈕等4 個功能區域。

3.4 報警與故障診斷

單擊“歷史報警”進入歷史報警畫面，通過該畫面查詢所有設備一段時間內（30d）的報警信息清單。單擊“導出報警記錄”按鈕，可將報警記錄導出到Excel表格中。

以司鉆為例，增加“診斷列表”功能界面（見圖6），左側的樹形列表顯示設備的故障類型，單擊相應的故障類型節點，右側會出現引發該故障的可能原因與處理方式列表。

例如，選中綜合液壓站故障子節點“電機無法啟動”復選框，右側列表會顯示不同的原因分析和對應的解決方案。

圖6 “診斷列表”功能界面

4 結 語

目前該集成司鉆控制系統已應用到“海洋地質十號”鉆探船的鉆探系統中，在海洋地質鉆探中發揮了重要作用，達到了預期的效果。隨著技術的不斷進步，司鉆控制系統的功能會不斷完善，司鉆控制系統會更加人性化、智能化，更加安全、高效。液、電、氣一體化和人機界面控制的司鉆控制系統將是未來鉆機的發展趨勢。