石油鉆機全集成化升級的開發與應用

隨著鉆機自動化技術的普及，新制鉆機的集成化和自動化程度越來越高，然而舊鉆機由于機械、電氣、液壓等接口問題，進行全集成控制系統改造的技術難度大、周期長，目前舊鉆機的全集成化系統改造占比很小。依托某鉆井平臺的升級改造項目，在降低勞動強度，減人增效的理念下，開發了可靠的國產全集成控制系統；融合原有的鉆井裝備，增配管柱自動化設備和井口自動化設備，對鉆機系統進行升級與改造，實現系統雙司鉆集成化控制。現場使用結果表明，該系統實現了所有鉆井裝備及其附屬單元的司鉆房遠程控制，開發的操作界面減少了操作元件數量。雙司鉆操作系統為鉆機提供了冗余操作功能，設備狀態數據集成化處理為系統安全操作提供了保障，系統空間管理提升了設備的空間安全性，自動化裝備減少了井隊人員配置，減輕了勞動強度，提升了操作人員的工作安全性和經濟性。該鉆機系統的改造方法可為老舊鉆機的全集成化升級提供參考和指導方向。

鉆機改造；全集成化；自動化裝備；雙司鉆

中圖分類號：TE928

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.003

基金項目：中國石油天然氣集團有限公司科學研究與技術開發項目“萬米級智能鉆機研發”（2022ZG06-01）。

Development and Application of Fully Integrated Upgrading of Rigs

Yang Bin1，2" Li Boyang1，2" Yang Degang3" Xun Ming1，2" Kong Yongchao1，2" Kang Ning1，2" Hui Xiangche1

（1.CNPC Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.；2.CNPC National Petroleum Drilling Equipment Technology Research Center Company Limited；3.Huanghe Drilling Company，Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation）

As the rig automation technology diffuses，the integration and automation level of new rigs becomes increasingly high.However，due to mechanical，electrical and hydraulic interface issues，the technical difficulties in transforming the fully integrated control system are great，and the transformation cycle is long.Therefore，the proportion of fully integrated system transformation for old rigs is very small.Relying on the upgrading project of a drilling platform，under the philosophy of downsizing for efficiency，a reliable home-made fully integrated control system that supported the original drilling equipment was developed，with pipe string and wellhead automation equipment added to upgrade the rig system，achieving integrated control of dual drillers in the system.The field application results show that the system achieves remote control of all drilling equipment and their ancillary units in driller house，and the development of function shared operating interface reduces the number of executive components.The dual driller operating system provides redundant operating functions for the rig，the integrated processing of equipment status data provides support for safe operation of the system，the system space management improves the spatial safety of the equipment，and the automation equipment reduces the staffing of the drilling crew，reduces labor intensity，and enhances the work safety and economy of the operators.The transformation method of the rig system provides reference and guidance for the fully integrated upgrading of old rigs.

rig transformation；fully integrated；automation equipment；dual drillers

0" 引" 言

2018年中油油服提出“四化”概念，自此后的新制鉆機中，集成化、自動化鉆機的生產比例越來越高，相比NOV、斯倫貝謝、ACS等國外自動化鉆機，國內自動化鉆機在裝備制造和系統控制應用等方面，可基本滿足使用功能，但是在智能化鉆井、大數據共享等方面差距還很大［1-2］。然而無論國外還是國內，在自動化鉆機大面積推廣之前出廠的鉆機，操作依然以手輪、電位計手柄、開關等為主，操作煩瑣；鉆臺面、二層臺和堆場區域以人工作業為主，工人作業強度大、安全性低、作業效率低成為困擾鉆井平臺的難題。在推廣管柱自動化設備改造的進程中，部分老舊鉆機僅增加了管柱處理單元，例如鐵鉆工、貓道等，對原系統沒有統一規劃，依然存在司鉆房操作元件繁雜、司鉆工作強度大、交互安全性差、監控診斷不到位等問題。

楊斌，等：石油鉆機全集成化升級的開發與應用

開發可靠的國產全集成控制系統和自動化設備，與原有的鉆井系統相融合，提升舊鉆機的集成化和自動化水平，是解決上述問題的根本。本文依托某鉆井平臺鉆井系統裝備的集成化升級改造項目，對整個系統進行詳細介紹。

1" 技術分析

1.1" 總體描述

該鉆井平臺設計水深91.44 m（300 ft），鉆井深度9 000 m，如圖1所示。平臺一次就位可以開展30口井作業，于2011年正式下水運行。鉆井包配套了單司鉆司鉆房、電驅動變頻絞車、頂驅、電驅動轉盤、機具液壓站、鉆井泵、貓頭、液氣大鉗、手動卡瓦、手動吊卡等裝備。

絞車、轉盤、鉆井泵、貓頭通過操作臺的觸摸屏和手柄進行操作；頂驅采用頂驅操作臺操作，操作臺安裝固定在司鉆座椅左側地面支架上；卡瓦和吊卡均為手動鉆臺工具，需要鉆井工人進行手動操作；機具液壓站的啟停等功能通過液壓站本體電控柜門開關操作，該液壓站主要包含盤剎、鉆臺工具、移運系統等；盤剎工作鉗通過座椅右手側安裝的電位計手柄操作；儀表的設置和顯示通過安裝在司鉆臺前側的儀表防爆一體機操作和顯示；視頻監控系統包含7點位，通過安裝在操作座椅左側的鍵盤操作；BOP閘板防提斷、IBOP與鉆井泵沖互鎖全靠人工判斷。該平臺鉆井系統配套設備種類多，操作繁雜，故障點多，集成度低，人工工作強度大，安全性差［3-8］。

全集成化升級改造包含新制司鉆房，增加集成控制單元，升級原有電控系統、儀表系統、頂驅系統、盤剎控制系統；增加自動化裝備，配套有電動二層臺排管裝置、鉆臺面扶管機械手、鐵鉆工、動力卡瓦、液壓吊卡、動力貓道；升級改造機具液壓站；升級視頻監控系統和對講系統等。電控系統控制設備、管柱設備、鉆臺面工具設備、儀表、頂驅、盤剎等全部采用集成系統的雙司鉆座椅進行操作。

1.2" 總體方案

1.2.1" 集成控制系統

集成控制系統采用總線控制，各設備間雙向通信，實時采集數據；集成控制處理器對各設備反饋數據進行分析處理后，將輸出信號和數據發送回各個設備，保證了設備動作的統一規劃和綜合管理，實現了整個系統的控制通信管理、急停安全等級處理、空間安全管理等。集成控制系統原理圖如圖2所示。

1.2.2" 管柱自動化裝備

平臺增加管柱自動化裝備包含動力貓道、鉆臺扶管機械手、鐵鉆工以及井口自動化工具等。結合海洋平臺鉆井的工藝需求，通過多個自動化裝備以及控制系統的配合，實現了管柱輸送，建立根、立根排放及井口自動化作業［9］。

（1）管柱輸送系統。管柱輸送系統設計水平動力貓道，完成鉆桿、鉆鋌、套管等管柱設備的自動化輸送，實現高效、安全、低作業強度的管柱輸送。

（2）建立根系統。起下鉆需要頻繁建立根和拆卸立根，鉆臺增加鐵鉆工代替液氣大鉗成為主要的拆裝工具，通過集成控制或者遙控器控制實現設備動作，完成對應功能。

（3）立根排放系統。立根排放系統主要以增加推扶式二層臺排管裝置和鉆臺扶管機械手為主，將原有的機械指梁更換為新的電控氣動指梁，完成鉆桿、鉆鋌在二層臺與井口之間的自動化排放。

2" 關鍵技術

集成控制系統開發包含新制司鉆房和雙司鉆控制系統、電傳動系統改造、頂驅控制系統改造、盤剎控制板改造、儀表系統改造、視頻監控和對講系統改造等。

2.1" 新制司鉆房

單司鉆司鉆房空間狹窄，不足以安裝雙司鉆控制終端和集成控制單元，因此拆除原有的司鉆房，新制司鉆房。新司鉆房配套整體正壓控制送風空調，滿足司鉆房整體防爆要求。司鉆房配電系統實現了包含視頻監控、照明、空調、盤剎控制板等的配電。司鉆房預留與原火氣、消防等系統配套的報警元件和線路，新司鉆房安裝固定之后，根據預留接口對接線纜即可實現相應功能。預留中控DCS控制箱、BOP控制臺、噴淋裝置水箱等設備元件的安裝空間，確保從原司鉆房中拆除后并且需要繼續使用的控制單元在新司鉆房中繼續安裝時，與其他設備元件互不干涉，同時保證人員的操作空間和逃生空間。

2.2" 雙司鉆控制系統

雙司鉆控制系統由司鉆操作終端、管柱操作終端、集成控制單元構成，如圖3所示。司鉆操作終端主要操作絞車、頂驅、轉盤、鉆井泵、盤剎、吊卡、卡瓦等設備。管柱操作終端主要操作電動二層臺排管手、鉆臺扶管機械手、鐵鉆工、鉆井液防噴盒、水平動力貓道、機具液壓站等設備。集成控制單元安裝在司鉆房控制柜內部，由控制器、供電單元、安全管控單元、網絡通信單元等組成，負責系統的功能配電、急停安全管理、區域安全管理、通信管理、設備間的信號邏輯處理等。每個操作終端都配備有獨立的視頻監控控制鍵盤和獨立的視頻監控器，可以根據當前終端的司鉆需求選擇需要觀察的攝像頭單元。

2.3" 電傳動系統

電傳動系統改造以保留設備功能、降低改造成本、提升安全性能、優化操作體驗為目標，進行硬件和軟件改造。

硬件部分改造包括：將原有司鉆房內部電傳動系統的操作元件，例如電位計手柄、開關、按鈕、指示燈及HMI全部拆除（見圖4），將上述元件到VFD遠程控制站的鏈接電纜全部拆除；將VFD遠程控制站通往司鉆房外部的所有電纜拆除并且進行標記。新司鉆房安裝到位之后，將VFD遠程控制站安裝到新司鉆房預留的電控柜中；將標記的由VFD遠程控制站通往司鉆房外部的電纜全部接入新的司鉆房中，按標記圖施工，保證VFD遠程控制站對外的所有輸出功能以及反饋信號不變［10］；根據集成控制系統開發的硬件接口，將VFD遠程控制站通過多芯線接入集成控制系統，實現電傳動系統急停、盤剎駐車、電控PLC切換等功能；從VFD控制房引出通信光纖到司鉆房的集成控制單元，實現了集成控制系統和電傳動系統的總線通信和數據交換。

軟件部分改造包括：根據電傳動系統與集成控制系統約定好的軟件接口，對電傳動統進行軟件升級。電傳動系統的配套設備均采用司鉆操作終端操作：絞車上提下放和盤剎采用手柄操作；絞車其他功能、轉盤、鉆井泵等均通過上位機進行操作。絞車操作界面如圖5所示。

2.4" 頂驅系統

頂驅系統的機械、液壓部分改造主要以增加液壓吊卡的安裝閥組和供油為主，電氣部分以司鉆終端控制頂驅代替原有操作臺為主。具體電氣部分改造如下：

①硬件部分。移除司鉆房內頂驅操作臺；從頂驅控制房增加多芯電纜、光纖連接到集成控制系統。多芯線實現了司鉆終端可以急停頂驅的功能，光纖實現頂驅與集成控制系統的通信，達到了司鉆終端頂驅操作的目的。

②軟件部分。頂驅系統軟件部分改造需要將操作臺的按鈕、滾輪等輸入信號進行升級，通過集成控制系統總線發送通信數據包，包含通信判斷、變頻系統操作、液壓站操作、液壓吊卡操作等，并且在雙向通信的基礎上反饋所有頂驅和吊卡的狀態信息和報警信息，界面如圖6所示。

2.5" 盤剎系統

盤剎系統改造包含盤剎液壓站部分和控制板2部分：

①盤剎液壓站。新司鉆房內部取消盤剎的所有液壓表盤，在盤剎的液壓管路回路增加壓力傳感器，包含盤剎泵系統壓力信號、安全鉗壓力信號、左工作鉗壓力信號、右工作鉗壓力信號，集成控制系統采集相關傳感器信號，經過信號標定后，顯示在上位機。

②盤剎控制板安裝在新司鉆房控制柜內部，以減少司鉆房內部控制柜的數量。由于原盤剎控制板采集的急停和駐車命令都采用常開信號，為了提升系統安全性，集成控制系統向設備端發送的急停和駐車信號均采用常閉信號，所以需要更改盤剎控制板繼電器的邏輯，將原盤剎駐車氣控閥繼電器、急停氣控閥繼電器在盤剎控制板上的繼電器觸點端的常開觸點改為常閉觸點，提升盤剎安全性。原三線制電位計手柄信號改成由集成控制系統的輸出模擬量信號，司鉆人員通過操作集成司鉆終端的多功能手柄，將手柄位的模擬量信號通過集成控制系統的AO模塊輸出0～10 V給盤剎控制板放大器輸入端，放大器將信號放大之后連接到工作鉗的供油電磁閥，實現工作鉗剎車［11-12］。

2.6" 儀表系統

拆除原儀表系統的防爆一體機，增加數據通信網關和通信線，分別連接到儀表的DAQ單元和集成控制系統。儀表系統傳感器采集的信號經過DAQ單元將傳感器的信號處理為儀表系統可以識別的WITS協議的信號［13］，數據通信網關將WITS協議轉為集成控制系統控制器可以讀取的MODBUS TCP/IP協議，控制器讀取的命令和信號在上位機進行顯示，實現儀表系統的參數設置和顯示，其中儀表的部分界面如圖7所示。雙司鉆終端的一體機均可設置儀表參數、顯示儀表數據。

2.7" 視頻監控系統和對講系統

原視頻監控系統攝像頭點位數量無法支持當前配套的眾多管柱自動化設備的安全操作要求，且攝像頭通信協議和新增監控點位的攝像頭協議不一致，因此更換整個鉆井視頻監控系統，包含攝像機、鍵盤、顯示器、主機等。

新制對講系統要求包含司鉆操作臺、管柱操作臺、二層臺、鉆臺面的自由對講，滿足集成控制系統及管柱自動化設備的操作需求。

3" 現場應用

截至2023年12月，該升級改造后的集成化鉆機已經現場應用半年，在渤海灣LD10-1-WHPC平臺完成了2口調整井的套管開窗側鉆作業，現場反饋新系統在套管內起下鉆時效可以達到22 柱/h，如圖8所示。起下鉆作業時鉆臺僅需司鉆1人、管柱操作手1人、鉆工1人。相比于原來的鉆井作業，每個班組可減少2人，與常規鉆機相比勞動強度降低了90%；關鍵作業流程及上卸扣、取出、排放鉆柱立根等井口輔助操作實現全面自動化，大大減少了鉆井成本和人工成本。系統與原有設備兼容性高、故障率低、運行穩定、防碰互鎖可靠、自動化程度高，極大地提高了現場的操作效率和人員操作安全性。

4" 結" 論

（1）作為國內第一套全集成化雙司鉆改造的鉆機系統，改造后的集成控制系統與原有的電傳動系統兼容性好，電控傳動單元的設備運行在保持原有功能的同時，增加了雙司鉆的冗余化操作，提升了操作單元的可靠性。

（2）配套的管柱自動化設備提升了工作效率，減輕了人員工作強度，減少了井隊人員配置，提升了經濟效益；新增的區域管理單元可以根據頂驅、絞車、管柱等設備的數據，進行軌跡和狀態分析計算，避免不同設備在同一空間的干涉和交接失效；配備的數據記錄單元可實時記錄操作命令和設備數據狀態，提升了鉆機系統操作及狀態的可追溯性；報警記錄、單元拓撲分析單元為司鉆操作提供了故障分析導向，提高了司鉆人員的工作效率。

（3）系統的集成化升級和成功應用也為后續的老舊鉆機、修井機、鉆井平臺等鉆井裝備的全集成化升級提供了指導和方向。

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第一楊斌，高級工程師，生于1989年，2014年畢業于長安大學工程機械學院機械電子工程專業，現從事鉆機電氣自動化控制及其相關產品的設計研發工作。地址：（721002）陜西省寶雞市。電話（0917）3462851。email：autok206@163.com。2024-06-21南麗華