在役海上模塊鉆機自動化升級方案設計

朱本溫 ，劉雅靜，魏雙會，陳 波，李悅江

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，蘭州730300)

近年來，隨著石油工業(yè)科技的不斷發(fā)展，鉆機的自動化、智能化水平不斷提高，大量新設備新技術在鉆機上得到實際應用，作業(yè)效率得到大幅提升，并且現場作業(yè)環(huán)境也得到明顯改善[1-5]。模塊鉆機安裝在海上固定平臺上，由鉆井設備模塊(簡稱DES)、鉆井支持模塊(簡稱DSM)、散裝罐模塊、固井模塊、錄井模塊等組成[6-7]。從1981年埕北油田的第1套模塊鉆機開始，模塊鉆機在我國已走過40多a的發(fā)展歷程，在近海的渤海灣地區(qū)、東海區(qū)域、南海區(qū)域等得到了大量應用[8]。但是，當前模塊鉆機自動化程度非常低，在建立根、起下鉆、甩鉆具等作業(yè)工況中，需要操作人員長期處于鉆臺井口、二層臺區(qū)域，井口區(qū)域的鉆臺工需要上提/下放卡瓦、打開/關閉吊卡、搬運液氣大鉗進行管具上卸扣，勞動強度大。井架工在高空露天作業(yè)，環(huán)境更為惡劣，并且作業(yè)效率低下，容易發(fā)生安全事故。

國內中海油等鉆井作業(yè)公司對海上模塊鉆機的自動化技術應用需求迫切。本文從司鉆操作控制系統(tǒng)、管具處理自動化、鉆井液處理自動化、關井自動化等多個方面對模塊鉆機自動化技術應用進行了研究。

1 司鉆操作控制系統(tǒng)方案

目前，模塊鉆機仍舊以傳統(tǒng)的司鉆操作臺為主，各設備的操作臺一般相互獨立，通過搭積木的方式布置在司鉆房內各個位置，司鉆房內布置較為繁雜，后期升級困難，如圖1所示。集成操作控制系統(tǒng)目前在國內已經實現技術突破，在多套陸地鉆機上得到實際應用[9]，在功能上已經具備國外同類產品的使用性能。

圖1 傳統(tǒng)模塊鉆機的司鉆房內景

在模塊鉆機上配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)，控制終端采用2臺完全相同的一體化座椅，每臺座椅上集成了操作顯示屏、操作面板、操作手柄、急停按鈕以及CCTV操作面板等，可實現對設備的動作控制、狀態(tài)監(jiān)控、報警提示等，如圖2～3所示。

圖2 蘭石的自動化鉆機一體化控制座椅

圖3 自動化鉆機的HMI操作顯示界面

集成控制系統(tǒng)按照功能可劃分為集成控制總模塊、一體化儀表模塊、防碰互鎖模塊、遠程監(jiān)測與運維等4個部分。

1.1 集成控制總模塊

集成控制總模塊是鉆機的核心控制模塊，該系統(tǒng)基于模塊鉆機的現有布局，將DSM模塊區(qū)域的設備控制統(tǒng)一接入DSM模塊的PLC中，將DES布置的絞車、轉盤、自動化設備等設備的控制就近接入鉆臺電控房的PLC中，同時將鉆井儀表根據布置區(qū)域，就近接入DSM或DES模塊的PLC中，系統(tǒng)為防碰互鎖模塊、一體化儀表、遠程監(jiān)測等提供數據交互接口。

整套系統(tǒng)采用基于以太網的環(huán)形通訊網絡架構，將PLC控制站(DSM模塊的PLC控制站、DES模塊的PLC控制站)、頂驅PLC控制站、雙司鉆椅控制站等連接到環(huán)形通訊網絡中，當局部單體設備發(fā)生故障時，不影響整套集成控制系統(tǒng)的正常運行，具有較高的運行可靠性和穩(wěn)定性，集成控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 模塊鉆機雙司鉆集成控制系統(tǒng)原理

1.2 一體化儀表模塊

該模塊是將鉆機現場的鉆井儀表(絞車編碼器、泥漿池液位傳感器、懸重傳感器等)信號直接接入PLC中，通過PLC將儀表的4～20 mA信號轉換為對應的數字信號，實現在HMI操作界面上的參數顯示及存儲，界面如圖5所示，并實現儀表參數的共享。

圖5 鉆井儀表HMI參數顯示界面

該模塊采用一體化的形式，省去了傳統(tǒng)的鉆井儀表臺和數據采集處理模塊DAQ，使用方只需采購相應的現場儀表硬件，通過程序處理接入到控制系統(tǒng)中，降低了鉆井儀表模塊的采購成本。

1.3 防碰互鎖模塊

為保障鉆井設備作業(yè)安全，系統(tǒng)集成了防碰互鎖管理模塊，通過實時采集各設備的PLC運行參數，通過內置安全保護邏輯算法，實現碰撞可能性和安全互鎖預測，防止各設備之間運行軌跡重疊而發(fā)生碰撞、管具交接出現掉落、設備在工藝流程中不允許同時運行而造成設備損壞等，確保鉆機在使用過程中的安全性。主要的防碰互鎖安全保護邏輯包括以下幾點：

1) 防碰天車及下砸鉆臺互鎖控制。通過對絞車上安裝的編碼器獲取游車的實時位置信息和速度，通過設置上碰下砸保護邏輯程序，實現游車在高位、低位的減速控制及停車。

2) 提升系統(tǒng)與防噴器互鎖控制。當防噴器處于關閉狀態(tài)時，禁止提升系統(tǒng)進行升降操作，否則會造成防噴器的損壞。

3) 提升系統(tǒng)與二層臺排管機防碰控制。提升系統(tǒng)處于二層臺排管機下方位置時，禁止二層臺排管機伸出至井口中心位置。相反，當二層臺排管機伸出至井口中心位置時，禁止提升系統(tǒng)下放至二層臺排管機以下位置，防止這2臺設備發(fā)生碰撞。

4) 液壓吊卡與動力卡瓦互鎖控制。在游車低位，液壓吊卡處于打開狀態(tài)時禁止打開動力卡瓦，防止管具發(fā)生掉落。

5) 液壓吊卡與二層臺排管機管具交接互鎖控制。排管至指梁交接時，二層臺排管機鉗頭未關閉時禁止打開液壓吊卡。相反，送管至井口交接時，液壓吊卡未關閉時禁止打開二層臺排管機鉗頭，防止交接管具發(fā)生掉落。

6) 泥漿泵與頂驅內防噴器互鎖控制。泥漿泵處于工作狀態(tài)時，禁止頂驅內防噴器關閉。相反，頂驅內防噴器處于關閉狀態(tài)時，禁止泥漿泵啟動工作，防止泥漿泵憋壓造成安全事故。

7) 旋轉設備(頂驅、轉盤)與防噴器互鎖控制。防噴器處于關閉狀態(tài)時，禁止旋轉設備(頂驅、轉盤)轉動，防止鉆具的旋轉運動導致防噴器膠芯的破壞。

8) 頂驅吊環(huán)高位防碰控制。頂驅高于鉆臺面一定高度時，禁止吊環(huán)向外伸出，防止吊環(huán)碰撞井架。

考慮到現場作業(yè)的特殊工況需要，設置2種防碰互鎖“屏蔽”功能。一種是有相應權限的操作人員在HMI操作顯示界面上取消單獨的保護邏輯，這種調整方式用于一段時間內的取消防碰互鎖。另外一種是在司鉆椅終端的操作手柄上設置固定的快捷按鈕，用于臨時取消防碰互鎖，滿足現場操作使用的靈活性。

1.4 遠程監(jiān)測模塊

遠程監(jiān)測模塊主要是在遠離鉆機現場的服務中心實現對鉆機各設備的作業(yè)狀態(tài)、參數進行實時監(jiān)控。該模塊主要包含現場服務器、防火墻、網關、云平臺、遠程監(jiān)測中心等。集成控制PLC具有鉆機現場完整的各設備傳感器數據信息，遠程監(jiān)測服務器與集成控制PLC連接，獲取各設備運行數據并形成數據包，經過網關無線遠程傳輸至遠程監(jiān)測服務中心，如圖6所示。

2 管具處理自動化方案

模塊鉆機目前已形成標準化體系，在設計及建造過程中先后執(zhí)行中海油企業(yè)標準Q/HS 9002-2009《海洋石油模塊鉆機》、國家標準GB/T 29549-2013《海上石油固定平臺模塊鉆機》規(guī)范的要求，各模塊鉆機的布置方案基本類似。本文根據現有模塊鉆機的主流布置現狀，進行自動化技術應用研究，具體設備配套方案如圖7所示。

圖6 遠程監(jiān)測系統(tǒng)模塊

1-動力貓道；2-鉆臺機械手；3-鐵鉆工；4-泥漿防噴盒；5-絞車；6-雙司鉆集成控制系統(tǒng)；7-二層臺排管機；8-緩沖機械手。圖7 海上模塊鉆機自動化技術應用方案

在模塊鉆機上配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)，同時配套動力貓道、緩沖機械手、二層臺排管機、鉆臺機械手、鐵鉆工、泥漿防噴盒等自動化管具處理設備。

2.1 動力貓道

動力貓道用于將DSM頂層堆場中的管具輸送至DES鉆臺面上。該動力貓道坐落在DSM模塊之上，上端連接到鉆臺結構上，可跟隨DES模塊在不同的井位移動，如圖8a所示。自動化動力貓道(如圖8b所示)采用電控液的方式，具有司鉆房內集成控制、無線遙控和本地控制等3種控制方式，并對每種操作方式設定不同的優(yōu)先級和操作權限，保證只有獲得操作權限的終端才能對貓道進行操作控制。

圖8 海上模塊鉆機動力貓道技術方案

2.2 二層臺排管機

二層臺排管機安裝在井架二層臺的舌臺下方，替代傳統(tǒng)鉆機中的井架工，采用推扶式設計，用于抓取/排放管具立根，如圖9所示。二層臺排管機由輔司鉆在司鉆集成座椅上進行遠程操作控制，通過顯示屏獲得排管機和動力指梁的實時狀態(tài)和位置，并通過安裝在排管機鉗頭和指梁上方的攝像頭進行實時確認，可實現二層臺區(qū)域的無人化作業(yè)，不再需要人員在二層臺進行高空作業(yè)，極大改善了作業(yè)環(huán)境。

另外，二層臺排管機設置多種一鍵式操作，可按照設定的流程實現自動排管、自動取管作業(yè)，操作人員只需對流程的關鍵節(jié)點進行確認即可，作業(yè)效率高。目前該類型的二層臺排管機在陸地鉆機上已實現成熟應用。

圖9 蘭石研發(fā)的海上模塊鉆機二層臺排管機技術方案

2.3 鉆臺機械手

鉆臺機械手安裝在鉆臺上，用于扶持管具下端至立根盒或井口處，替代鉆臺工的手動推扶管具作業(yè)，如圖10所示。鉆臺機械手采用電控液的方式，具有司鉆房內集成控制、無線遙控和本地控制等3種控制方式，代替人工將管具扶持到位。

圖10 蘭石研發(fā)的海上模塊鉆機鉆臺機械手技術方案

2.4 鐵鉆工

采用基座伸縮臂式鐵鉆工，鐵鉆工可到達鼠洞和井口位置，實現鉆具的自動化上卸扣作業(yè)，替代傳統(tǒng)液氣大鉗作業(yè)，如圖11所示。鐵鉆工采用電控液的方式，具有司鉆房內集成控制、無線遙控和本地控制等3種控制方式，配套一鍵操作功能，可實現一鍵上扣(到達目標作業(yè)位置、旋扣、緊扣、返回待命)、一鍵卸扣(到達目標作業(yè)位置、卸扣、旋扣、反饋待命)等自動化流程操作，與液氣大鉗相比，上卸扣操作時鉆臺無需有人員操作，現場的勞動強度大為降低，作業(yè)更安全。

圖11 蘭石研發(fā)的海上模塊鉆機鐵鉆工方案

2.5 緩沖機械手

緩沖機械手安裝在井架背部結構上，用于對從貓道移運上鉆臺的管具進行緩沖，可推扶管具至鼠洞位置、井口位置，如圖12。緩沖機械手采用電控液的方式，在司鉆房內進行集成控制。

圖12 海上模塊鉆機緩沖機械手技術方案

2.6 泥漿防噴盒

泥漿防噴盒用于在起鉆過程中對鉆柱內的泥漿進行收集，避免泥漿在鉆臺上噴灑，使鉆臺面保持清潔的環(huán)境。泥漿防噴盒可獨立安裝在鉆臺面上，也可與鐵鉆工進行集成。圖13為蘭石開發(fā)的2種形式的泥漿防噴盒。

圖13 蘭石開發(fā)的2種泥漿防噴盒

2.7 動力鼠洞

動力鼠洞主要用于預存單根或者作為鉆機在接立根，或者甩單根時的中轉站，具有管具對中、夾持和高度調整功能，采用該裝置能夠使鐵鉆工在鼠洞處實現管具上卸扣，效率較高，是在模塊鉆機上推薦配套的設備。

3 鉆井液處理自動化方案

鉆井液處理主要包括罐裝散料處理、鉆井液混合及輸送2部分，如圖14所示。罐裝散料處理主要流程是從平臺兩側的加載站輸送散料至灰罐、各灰罐之間的材料傳輸、灰罐到緩沖罐之間傳輸等。當前模塊鉆機上的鉆井液處理流程中主要配套的是手動閥，需要工人去現場打開或者關閉對應的閥門。在最近幾年新建造的海洋深水鉆井平臺中，已將該部分的閥升級為遠程遙控操作，可以在遠端HMI操作界面上實時顯示各個閥當前的狀態(tài)，在界面上遠程操作閥門的打開和關閉。

圖14 散料輸送及鉆井液混合遠程HMI操作界面

采用上述方案，將手動閥改為遠程電控閥，將混合泵實現遠程操作，同時可設定常用的自動操作模式，實現系統(tǒng)自動混合設定的泥漿密度、自動添加設定的散料質量流量等。人員不需要再去現場進行手動操作，勞動強度降低，作業(yè)效率大幅提高。進行升級時不需要對現有設計流程進行改動，只需要將相關的閥和泵升級為遠程操控方式，同時設計相關的控制程序。

4 關井自動化方案

目前，中海油在用的海洋模塊鉆機的防噴器系統(tǒng)在實施溢流和井噴時，一般都需要工人進行每一步的操作和確認，按照圖15中的流程一步步手動操作完成[10-11]。

圖15 關井作業(yè)流程圖

這種操作模式流程復雜，耗時較長，并且緊急情況下容易出現誤操作，任何一個環(huán)節(jié)出錯都可能給安全生產帶來隱患和風險。

自動化關井是在原有井控系統(tǒng)的PLC程序上進行改進，把圖15中虛線框內的4個動作整合起來，當司鉆操作上提鉆具至防噴器合適位置后，直接實施一鍵式操作，系統(tǒng)按照設定的步驟自動完成，整個過程由PLC控制，實現一鍵關井。

這種一鍵式自動關井在模塊鉆機上主要涉及泥漿泵、頂驅、節(jié)流壓井管匯等不同的設備配套廠家，在設計時需要防噴器控制系統(tǒng)配套廠家統(tǒng)一整合相關設備的接口信號，做好接口界面，在現有的井控系統(tǒng)PLC程序中完善相關設計即可投入應用。建議在模塊鉆機上考慮配套一鍵關井的功能，減少人工手動關井操作的風險。

5 結論

1) 自動化、智能化是海上模塊鉆機今后重點的研發(fā)配套方向。本文研究了現有海上模塊鉆機進行自動化升級的可行性實施方案。

2) 司鉆控制系統(tǒng)升級，配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內集成一體化儀表、防碰互鎖、遠程監(jiān)測等模塊，操作人員可在2臺集成座椅上實現對鉆機設備的操作控制，操作方便安全，并可實現在遠程對鉆機設備參數、狀態(tài)的實時監(jiān)控，掌控鉆機運行狀態(tài)。

3) 管具處理自動化升級，配套動力貓道、二層臺排管機、鉆臺面機械手、鐵鉆工等自動化處理設備，實現二層臺區(qū)域、鉆臺區(qū)域的無人化作業(yè)，減少人員在危險區(qū)域的工作，提高鉆機自動化作業(yè)程度、作業(yè)效率以及現場作業(yè)安全性。

4) 鉆井液處理自動化升級，實現對閥門及混合泵的遠控操作，實現泥漿密度調整、散料添加的自動化。

5) 關井自動化升級，將多種分步驟操作合為一鍵式操作，降低緊急關井情況下人為誤操作的可能性。