石油鉆機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王施權(quán)，劉軍，田陽，張博，蒲江涌，黨柏燾，楊雙業(yè)，3

（1.中國石油西部鉆探工程有限公司，烏魯木齊 830011；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

司鉆控制房作為全鉆機(jī)的人機(jī)交互中心，可執(zhí)行鉆井、管柱處理、下套管等作業(yè)，一般由操控臺、顯示單元、電氣單元、HVAC、房體等組成。操控臺用于鉆機(jī)設(shè)備操作指令的下發(fā)，顯示單元用于對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、錄井參數(shù)、隨鉆參數(shù)、工業(yè)電視監(jiān)控畫面等信息的展示，電氣單元負(fù)責(zé)完成對操作臺、顯示單元、照明、空調(diào)等系統(tǒng)的供配電與繼電保護(hù)，HVAC為司鉆房提供恒溫工作環(huán)境，房體用于安裝上述所有電氣元件，為司鉆人員提供安全、舒適的操作環(huán)境，保證一體化運(yùn)輸，鉆機(jī)搬遷、安裝時無需拆除內(nèi)部元件。

近年來，隨著動力貓道、鐵鉆工、排管機(jī)械手、頂驅(qū)等自動化設(shè)備的推廣應(yīng)用[1-5]，越來越多的作業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動化，人力勞動轉(zhuǎn)變?yōu)槿藛T操作，司鉆與設(shè)備之間需要交互的信息也逐步增多，通過狀態(tài)反饋信息能夠準(zhǔn)確獲取設(shè)備的工作狀態(tài)與鉆井作業(yè)實(shí)況，通過下發(fā)操作指令來確保裝備按要求運(yùn)行。另一方面，隨著現(xiàn)場作業(yè)對安全性的要求不斷提升，以及對環(huán)境友好型工作要求的提升，早期常規(guī)操作臺逐步被HVAC司鉆房所替代，人機(jī)工程學(xué)水平也不斷提升。未來還將會有數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用。

1 HMHW人機(jī)交互系統(tǒng)

1.1 MH300操作座椅

HMHW的MH300司鉆操作座椅外骨架采用鑄鋁材料，與人體接觸部分采用復(fù)合材料，安裝有2套多功能手柄、觸摸屏、操作按鈕，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)主要設(shè)備的集成化操作與狀態(tài)顯示，如圖1所示。在該座椅設(shè)計階段深入研究了用戶操作習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)了最佳操作環(huán)境、人體工程學(xué)和功能[6]。

圖1 MH300操作座椅

1.2 人機(jī)交互系統(tǒng)核心功能

該系列人機(jī)交互系統(tǒng)由PLC實(shí)現(xiàn)對設(shè)備控制，包含主要功能[7]如下。

1.2.1 流程自動化控制（CADS）

人機(jī)交互系統(tǒng)的CADS是一種鉆機(jī)作業(yè)流程自動化控制功能，主要包括起下鉆、建立根和甩鉆。應(yīng)用該功能有助于提高設(shè)備性能和作業(yè)的一致性，減少重復(fù)性作業(yè)時人為因素的影響。系統(tǒng)自動運(yùn)行過程中顯示屏?xí)掷m(xù)更新監(jiān)測參數(shù)，使司鉆及時獲取設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)，確保作業(yè)安全性。

1.2.2 司鉆輔助功能（DA）

DA用于在人機(jī)交互系統(tǒng)中實(shí)時顯示井下作業(yè)狀況，基于鉆井儀表、工藝、裝備等實(shí)時數(shù)據(jù)，通過計算模型給出鉆井參數(shù)優(yōu)化建議，減少司鉆手動調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的頻次，避免因人員經(jīng)驗不足而造成的井下事故。

1.2.3 漏失檢測（EKD）

EKD模塊可以在鉆井作業(yè)中自動檢測溢流或漏失。EKD模塊通過自適應(yīng)檢測算法，實(shí)時計算溢流或損失的鉆井液體積，并在超出預(yù)定義限制時向司鉆發(fā)出警告。該模塊無需額外增加傳感器，通過鉆機(jī)已有儀表即可完成計算，通過總線通信方式在人機(jī)界面顯示計算結(jié)果。

1.2.4 軟轉(zhuǎn)矩

在鉆井作業(yè)中，頂部驅(qū)動裝置為鉆柱提供連續(xù)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由于地質(zhì)條件和鉆頭摩擦的變化，來自頂部驅(qū)動的恒定輸入不能穩(wěn)定施加于鉆柱和鉆頭，導(dǎo)致鉆具組合的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大波動，即出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動或黏滑效應(yīng)，對鉆井性能和設(shè)備性能產(chǎn)生負(fù)面影響。通過軟轉(zhuǎn)矩技術(shù)，可連續(xù)測量管柱的扭轉(zhuǎn)振動，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度限值進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，減輕鉆頭振動、扭轉(zhuǎn)波動和黏滑效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)、更快的鉆進(jìn)速度。

2 NOV人機(jī)交互系統(tǒng)

2.1 RISE操作座椅

NOV的RISE工作站[8]依據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計原理，最大限度地減少司鉆長期操作疲勞程度，并為其提供了更好的工作姿勢和更有利于專注的工作環(huán)境，如圖2所示。該工作站具有姿態(tài)電動調(diào)節(jié)和自動感知功能，可捕捉司鉆的作業(yè)特征數(shù)據(jù)（如視線、高度、手柄握持狀態(tài)等），通過調(diào)整監(jiān)視器的角度、靠背傾斜、腰椎支撐、肘部高度和寬度支撐、膝蓋支撐和座椅高度等，來滿足不同司鉆人員的坐姿習(xí)慣和體態(tài)特征，提升舒適度。信息記錄功能可根據(jù)特定司鉆自動調(diào)整至以往設(shè)置過的形態(tài)。操作元件的觸覺反饋功能提升了系統(tǒng)人機(jī)交互性能，確保作業(yè)安全。

圖2 RISE操作座椅

2.2 NOV人機(jī)交互系統(tǒng)核心功能

NOVOS系統(tǒng)具有自動鉆井輔助決策、鉆井安全保護(hù)、井下風(fēng)險預(yù)測等功能[9]。

2.2.1 鉆井功能優(yōu)化模塊

1）計劃鉆井。通過在系統(tǒng)中加載鉆井工藝文件，系統(tǒng)自動給出裝備運(yùn)行參數(shù)調(diào)整方案，指導(dǎo)司鉆作業(yè)。2）轉(zhuǎn)速控制。設(shè)置鉆頭觸底和離底轉(zhuǎn)速，當(dāng)檢測到鉆頭離底時自動降低頂驅(qū)轉(zhuǎn)速。3）循環(huán)控制。設(shè)置鉆頭觸底和離底鉆井液排量，當(dāng)檢測到鉆頭離底時自動降低鉆井泵排量。4）觸底判斷。設(shè)定鉆頭觸底后自動控制鉆壓，可設(shè)置絞車速度、ROP等參數(shù)。5）參數(shù)設(shè)置。包括泵沖加減速、絞車加速度、過載等裝備控制參數(shù)，以及控制設(shè)備運(yùn)行過程中的閾值。6）設(shè)備控制。手動或自動控制設(shè)備，如絞車、鉆井泵、BOP、頂驅(qū)、管柱自動化設(shè)備等。7）數(shù)據(jù)交互。司鉆座椅屏幕顯示井下工具的隨鉆參數(shù)。

2.2.2 輔助鉆井系統(tǒng)（KAIZEN）

KAIZEN鉆井優(yōu)化功能利用人工智能技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前井眼狀況持續(xù)評估鉆井性能，并將其與井眼數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，識別環(huán)境變化。能夠優(yōu)化機(jī)械鉆速和機(jī)械比能。

2.2.3 減震系統(tǒng)（DrillShark）

DrillShark根據(jù)設(shè)定的鉆壓和轉(zhuǎn)速來優(yōu)化機(jī)械鉆速，并通過主動調(diào)整將鉆具組合的振動降至最低。

3 SLB人機(jī)交互系統(tǒng)

3.1 司鉆控制房

SLB在陸地鉆機(jī)上使用了“戰(zhàn)斗機(jī)飛行員”的座位配置，將兩名司鉆排成一行，后置司鉆座椅被抬高，以便雙司鉆均能無障礙地觀看鉆井作業(yè)。使司鉆控制房在保持小體積的同時，滿足雙司鉆共同作業(yè)的空間和視線要求。

3.2 SLB人機(jī)交互系統(tǒng)核心功能

其核心軟件包括自適應(yīng)鉆井、井下信息交互、防卡鉆、定向井優(yōu)化等功能[10]。

3.2.1 自適應(yīng)鉆井

通過對隨鉆數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，根據(jù)鉆井工藝要求，應(yīng)用特定的計算模型，自動計算最優(yōu)鉆井參數(shù)，包括鉆壓、轉(zhuǎn)矩、壓差等，從而優(yōu)化機(jī)械鉆速。

3.2.2 井下信息交互

通過調(diào)整轉(zhuǎn)速或流量，實(shí)現(xiàn)地面與井下之間的通信，從而控制鉆具組合工作參數(shù)。所發(fā)送的指令通過鉆具組合中控制器進(jìn)行自動解碼，有效減少信息反饋用時，提高工作效率，目前已有超過80種預(yù)定義脈沖命令可供選擇。

3.2.3 防卡鉆

防卡鉆功能模塊能夠與司鉆進(jìn)行交互，包括輸入設(shè)定值和限制、監(jiān)控狀態(tài)及聲光報警通知。控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)檢測鉤載變化值，控制系統(tǒng)自動控制絞車速度和加速度，以防止卡鉆、鉆柱松脫或脫落，以及鉆桿損壞。

3.2.4 定向井優(yōu)化

可實(shí)現(xiàn)基于角度、轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速的控制，用于定向和擺動井下馬達(dá)，以改善傳遞到工具面的鉆壓，并定向改變井下工具面，按設(shè)定方向鉆進(jìn)。

3.2.5 裝備監(jiān)測分析

可以通過人機(jī)界面顯示屏幕監(jiān)控鉆井設(shè)備狀態(tài)和鉆井隊作業(yè)情況。利用數(shù)據(jù)分析功能分析井隊作業(yè)KPI，為每次起鉆、下鉆和接單根作業(yè)提供時效性分析；對作業(yè)人員遵守程序的情況進(jìn)行分析和評分；通過提高鉆井過程和參數(shù)的一致性，優(yōu)化鉆機(jī)性能。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 自動鉆井

目前行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管柱處理作業(yè)、高低壓循環(huán)系統(tǒng)作業(yè)等的自動化和部分智能化。未來應(yīng)用人工智能算法，結(jié)合臨井?dāng)?shù)據(jù)、鉆井工藝、隨鉆數(shù)據(jù)、前探數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗知識庫等實(shí)時計算最優(yōu)鉆井工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鉆井過程的智能識別、主動介入，自主控制，達(dá)到無人或少人干預(yù)的最優(yōu)井眼軌跡。

4.2 疲勞監(jiān)測技術(shù)

司鉆作業(yè)過程中疲勞對鉆井安全影響較大，甚至?xí)斐删畤姟⒖ㄣ@、鉆具脫落等嚴(yán)重事故。尤其在應(yīng)用大量的自動化工具及自動送鉆以后，司鉆直接干預(yù)的頻次減少，容易造成注意力不集中、瞌睡等情況出現(xiàn)。通過采集人員操作設(shè)備的移動頻次應(yīng)用人工智能算法及面部肌肉識別技術(shù)等綜合分析人員是否出現(xiàn)疲勞等特征，及時提醒司鉆注意力集中，減少鉆井事故發(fā)生的概率。

4.3 主動降噪

一般規(guī)定司鉆控制房內(nèi)的最大噪聲不高于65 dB（A）。連續(xù)8 h以上位于超過80 dB（A）噪聲環(huán)境中可能會對人體造成損害。研發(fā)主動降噪系統(tǒng)，通過產(chǎn)生與噪聲源振幅相同但相位相反的聲波來降低感知噪聲，改善司鉆工作環(huán)境，緩解工作壓力，減少出現(xiàn)失誤的概率。另外，由于個人工作習(xí)慣的原因，部分操作人員習(xí)慣聽到絞車等關(guān)鍵設(shè)備工作的聲音，因此需要具有自主調(diào)整降噪等級的功能，更有利于司鉆安全操作設(shè)備。

4.4 抬頭顯示

應(yīng)用抬頭顯示技術(shù)將重要信息投射到司鉆前方的玻璃上，這使得操作人員能夠在作業(yè)過程中直接看到設(shè)備隨時監(jiān)視顯示的信息。確保實(shí)現(xiàn)不離開移動設(shè)備，觀測到狀態(tài)參數(shù)，提升操作安全性和設(shè)備執(zhí)行效率。

5 結(jié)語

分析了HMHW、NOV、SLB等國外公司鉆機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，論述了各自的優(yōu)勢功能和特點(diǎn)，其在人機(jī)交互的科學(xué)性、功能設(shè)置的合理性、能力規(guī)劃的完善性等方面發(fā)展較為全面。另外，基于行業(yè)現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)場對安全優(yōu)快鉆井的生產(chǎn)應(yīng)用需求，預(yù)測了人機(jī)交互系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，即自動鉆井疲勞監(jiān)測、主動降噪和抬頭顯示。