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，隨著石油工業科技的不斷發展，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，作業效率得到大幅提升，并且現場作業環境也得到明顯改善[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的發展歷程，在近海的渤海灣地區、東海區域、南海區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、甩鉆具等作業工況中，需要操作人員長期處于鉆臺井口、二層臺區域，井口區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，環境更為惡劣，并且作業效率低下，容易發生安全事故。

國內中海油等鉆井作業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、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 司鉆操作控制系統方案

目前，模塊鉆機仍舊以傳統的司鉆操作臺為主，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，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、狀態監控、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，該系統基于模塊鉆機的現有布局，將DSM模塊區域的設備控制統一接入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域，就近接入DSM或DES模塊的PLC中，系統為防碰互鎖模塊、一體化儀表、遠程監測等提供數據交互接口。

整套系統采用基于以太網的環形通訊網絡架構，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形通訊網絡中，當局部單體設備發生故障時，不影響整套集成控制系統的正常運行，具有較高的運行可靠性和穩定性，集成控制系統原理如圖4所示。

圖4 模塊鉆機雙司鉆集成控制系統原理

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安全，系統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) 提升系統與防噴器互鎖控制。當防噴器處于關閉狀態時，禁止提升系統進行升降操作，否則會造成防噴器的損壞。

3) 提升系統與二層臺排管機防碰控制。提升系統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，禁止提升系統下放至二層臺排管機以下位置，防止這2臺設備發生碰撞。

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時禁止打開動力卡瓦，防止管具發生掉落。

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

考慮到現場作業的特殊工況需要，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 遠程監測模塊

遠程監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狀態、參數進行實時監控。該模塊主要包含現場服務器、防火墻、網關、云平臺、遠程監測中心等。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行中海油企業標準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 遠程監測系統模塊

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；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，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，可實現二層臺區域的無人化作業，不再需要人員在二層臺進行高空作業，極大改善了作業環境。

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，操作人員只需對流程的關鍵節點進行確認即可，作業效率高。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，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，替代傳統液氣大鉗作業，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(到達目標作業位置、旋扣、緊扣、返回待命)、一鍵卸扣(到達目標作業位置、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，作業更安全。

圖11 蘭石研發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為蘭石開發的2種形式的泥漿防噴盒。

圖13 蘭石開發的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，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，任何一個環節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配套廠家統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) 司鉆控制系統升級，配套雙司鉆集成控制系統，系統內集成一體化儀表、防碰互鎖、遠程監測等模塊，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、狀態的實時監控，掌控鉆機運行狀態。

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，實現二層臺區域、鉆臺區域的無人化作業，減少人員在危險區域的工作，提高鉆機自動化作業程度、作業效率以及現場作業安全性。

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。