深水石油平臺鉆井設備自動化控制技術應用研究

齊賦寧

（中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300280）

1 基于AMPHION 鉆井控制網絡的ZMS 系統應用背景

當前深水石油平臺采用了當今世界上主流的鉆井設備，深水石油鉆井平臺鉆井設備自動化程度高，集成了大量的國際先進設備和技術。與傳統自升式鉆井平臺相比，先進的鉆井設備和高度的自動化集成化的控制技術是其一大特點，自升式平臺一般沒有排管機、鐵鉆工、貓道機、動力卡瓦、維修吊籃等鉆井設備，而這些設備會與絞車、頂驅、防噴盒子等設備一起完成鉆井生產任務。

在工作時這些設備不可避免地會產生重疊工作區域，如何使它們同時工作而不發生碰撞，是一個需要解決的問題，也是自動化控制的關鍵技術。為此，NOV（National Oilwell Varco，美國國民油井華高公司）設計了ZMS（Zone Management System，區域管理系統）來解決這一問題。由于使用維護的相關資料很少，NOV 的技術保密和售后服務的維護費用較高，所以研究分析ZMS 系統的構成、電氣控制并掌握利用其特性為實際工作提供便捷顯得尤為重要。同時，研究其控制防碰構建原理及控制邏輯對于現場設備管理與維護具有重要意義。

2 基于AMPHION 鉆井控制網絡的ZMS 系統設計介紹

2.1 深水石油平臺鉆井設備ZMS 系統介紹

為解決深水平臺多個鉆井設備在重疊活動區工作時而不相互碰撞的關鍵技術問題，設計了一種ZMS 系統。它是NOV 開發的AMPHION 鉆井控制系統的一個子系統，專門用于監控設備運行狀態，將與其他設備的運行狀態進行分析計算，從而在發生碰撞前停止該設備的運動或在啟動前禁止該設備動作，并在操作界面上及時將信息反饋給操作者。

2.2 ZMS 系統在AMPHION 鉆井控制網絡中的位置及通信原理

目前主流配置的AMPHION 控制系統與以往鉆井控制系統最大的亮點是增加了ZMS 系統。ZMS 系統是基于一個掛在AMPHION 鉆井控制系統TCP/IP 通信網絡上的裝載控制程序的SBC（Single-Board Controller，單板控制器），通過與其他多個裝載設備屬性程序的SBC 來進行數據通信，實現實時檢測每個設備的使用狀態、運行軌跡和設備執行動作的狀態。

ZMS 防碰系統是AMPHION 鉆井控制系統的一個子系統，與其他設備的SBC 一起構成了AMPHION 鉆井控制系統主要構建，但ZMS 系統是需要與在鉆井環網上的每個設備都要進行通訊的，它的這個系統像是集控調度中心，監測并協調設備間的運行動作，必要時給予操作者提醒，對進入緩沖區和停止區的設備給予不同級別的運行指令，以便設備間進行有效防碰保護。

2.3 ZMS 系統監控的主要設備

實際上ZMS 系統是一個二級安全保護系統，它能提供監控的鉆臺設備的操作和互鎖信息，并且不是一個用于現場設備的操作系統，而是一個備用的安全保護系統。ZMS 系統監控的設備主要有排管機（Racker）、主鐵鉆工（Roughneck Main）、輔鐵鉆工（Roughneck Aux）、貓道機（Catwalk）、頂驅（Topdrive）、絞車（ADS）、泥漿盒子（Mud Bucket）、動力卡瓦（Powerslips）和液壓維修吊籃（Service &Access Basket，SAB）。

2.4 深水平臺ZMS 系統控制顯示界面安全設計介紹

ZMS 系統AMPHION 顯示界面分為3 個，分別是Status、Override 和Lock Out 界面。

（1）圖1 為Status 界面，這個界面可以看到設備的ZMS 狀態信息，從圖2 可以看到3 個狀態燈為紅色，分別為指示Racker、SAB、Catwalk 互鎖（Interlock）。同時3 個互鎖的設備會提示狀態信息：

圖1 ZMS 系統Status 界面

Racker 提示信息：Racker entered SAB；

SAB 提示信息：SAB entered Racker；

Catwalk 提示信息：ZMS Stopping move extend to Roughneck Main。

需注意的是，當排管機夾住鉆桿在井口位時，鐵鉆工不能進行旋扣鉗和扭力鉗操作，會打開這兩個鉗子（非ZMS 功能，但是會顯示Interlock信息）。

（2）Override 界面能顯示操作權限并能進行Override的權限的操作（圖2），綠色的指示（Available）可選擇權限的狀態，橘黃色指示已經獲得Owener ship 權限和獲取權限的工作站名稱（AD）。Override 界面僅用于 AD 和 Driller兩個工作站，MTC柜的HMI 是沒有操作權限的，這也是一種出于安全的設計考慮。

圖2 ZMS 系統Override 界面

需要注意的是，為了進一步對ZMS 互鎖下進行操作，必須使ZMS系統激活Override功能，獲得Owner Ship 權限。要激活Override 功能，必須在另一臺工作站上的HMI（Human Machine Interface，人機界面）進行操作，使其減速操作。這也是出于安全角度考慮設計的。

（3）圖3 為Lock Out 界面，此界面操作用是將以下某個設備解除ZMS 保護系統，用于當ZMS 保護功能失效，這個設備不再由ZMS 連鎖其他設備進行保護時使用，此時Lock Out 紅燈亮。綠燈說明已由ZMS 進行保護。

圖3 ZMS 系統Override 界面

2.5 ZMS 系統Lock Out 安全設計使用原則

ZMS 系統提供單個設備的Lock Out，當這個設備Lock Out時，將不會被ZMS 系統保護。ZMS 系統有一個Lock Out key switch，位于鉆臺LER 房MTC 柜上，將開關旋轉至ON 時，將會使整個ZMS 系統失效，所有的設備將會忽略任何ZMS 限制，這個開關僅用于ZMS 系統的SBC 故障后使得鉆井設備不能正常工作的情況。

3 深水石油平臺ZMS 系統控制技術研究分析

3.1 深水平臺ZMS 系統防碰矩陣構建原理

參與ZMS 系統的每個設備會向ZMS 系統發送自己的實際位置，由ZMS 進行收集后，通過ZMS 控制器的程序算法構建每個設備運行的三維矩陣并通過每個設備的操作命令，進行防碰計算，當接近其防碰三維矩陣時觸發程序設定ZMS 設備互鎖保護功能（圖4）。ZMS 對于參與的設備（排管機、絞車、主鐵鉆工、頂驅伸縮臂、貓道機）設置了兩個緩沖區，即外部緩沖區、內部緩沖區。當其中一個設備進入ZMS 控制的另一個設備外部緩沖區時，系統允許這個設備繼續沿著坐標運行，但是會使其減速運行直到這個設備到的另一設備的內部緩沖區時，系統會互鎖這個設備運行操作、互鎖功能激活，自動停止這個設備動作，并將ZMS 互鎖信息顯示在相關HMI。

圖4 ZMS 主控器SBC 程序算法構建設備運行的三維矩陣

需要注意的是，ZMS 系統在設計時充分考慮了以人為本的理念，其連鎖也應用于SAB（維修工作籃），當SAB 離開Park 位置時，除了絞車保持慢速操作外其余設備均被停止，如果此時按下ZMS 系統的Override 按鈕，絞車的速度仍會受限。

3.2 深水石油平臺ZMS 系統電氣控制分析

為了實現鉆井設備區域防碰的電氣控制，ZMS 系統必須要實現構建防碰矩陣的過程，否則將無法計算外部和內部的緩沖區，更不能實現對重疊區域正在作業的多個設備進行提示減速或停止操作的電氣控制。研究分析ZMS 系統電氣控制流程，對于深入掌握ZMS 系統特性和系統維護有著重要意義。

構建設備防碰矩陣是ZMS 系統通過采集設備運行參數信息建立的運行矩陣模型，需要采集的設備運行信息是根據鉆井設備屬性和用途不同，采集不同設備的所需運行信息，通過矩陣模型建立就能模擬防碰區域。通過對深水石油平臺ZMS 系統防碰矩陣構建的分析，將ZMS 系統監控的鉆井設備主要被采集的防碰矩陣模型構建的主要參數信息來源進行匯總（表1）。

表1 鉆井設備防碰矩陣模型主要參數信息表

除了將上述采集的信息傳送到ZMS 系統控制器進行計算外，鉆井設備的控制器還會集中將ZMS 所需的其他運行狀態信息傳送ZMS 系統用于構建更為精準的防碰矩陣模型。

3.3 基于JAVA 編程的AMPHION 系統程序進行研究

ZMS 系統是AMPHION 系統的一個子系統，因此對其程序進行研究、分析其控制邏輯，不僅對ZMS 系統的維護很有幫助，對整個鉆井設備和系統的良好運行及設備正常工作也有重要意義，當ZMS 系統或某個設備出現比較復雜故障問題，原因查找困難、不清楚其控制邏輯時，就會限制解決問題的思路。

如果能對ZMS 系統程序或AMPHION 系統程序進行解讀、了解其控制邏輯，就能追查到問題產生的根本原因，找到解決問題或故障的辦法、思路。另外，隨著對系統維護的進一步提升，如果研究明白系統程序和控制邏輯，就能知其然知其所以然，這樣才能更加熟練地掌握AMPHION 系統的特性，對于系統和設備后期的主動預防性維護起到重要作用，依靠自己就能獨立完成一些系統維護工作，降低鉆井關鍵設備因故障時間過長造成井下復雜程度，減少對NOV 服務的依賴，從而為海洋石油設備管理的降本增效貢獻力量，實現海洋石油鉆井關鍵設備管理與維護高水平的目標。