，， ， ，，，周海

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

隨著石油需求日益增加，迫切需要加大國(guó)內(nèi)油氣資源的開發(fā)力度，而陸上增產(chǎn)潛力相對(duì)較小。我國(guó)南海具有豐富的石油和天然氣資源，占我國(guó)油氣總資源量的1/3左右。為打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)海洋油氣資源的自主勘探開發(fā)，近年來國(guó)內(nèi)能源裝備制造企業(yè)設(shè)計(jì)和研制了一大批海洋油氣勘探裝備。

勘察船鉆機(jī)就是一種海洋油氣勘探關(guān)鍵裝備，其主要功能是對(duì)海洋油氣資源進(jìn)行勘探和鉆探；對(duì)局部海域的海底地形地貌、地質(zhì)特征、水文參數(shù)等進(jìn)行全面精細(xì)的探測(cè)調(diào)查。由于勘察船鉆機(jī)對(duì)鉆井設(shè)備的質(zhì)量、外形尺寸等要求十非苛刻，常規(guī)鉆井設(shè)備不能滿足勘察船的要求，小型勘察船鉆機(jī)通常采用液壓驅(qū)動(dòng)為主。我國(guó)在用的小型勘察船主要通過進(jìn)口，并且使用的年限較長(zhǎng)，設(shè)備陳舊，處于更換期，急需研制新的勘察船鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代[1-10]。

1 液壓勘察船鉆機(jī)配套方案

液壓勘察船是將海洋鉆探、海底淺表層取樣、地震探測(cè)、單波束及多波束探測(cè)、深拖探測(cè)等調(diào)查手段集于一身的綜合地質(zhì)調(diào)查船。而地質(zhì)鉆探系統(tǒng)是最主要的船載勘探裝備，用于對(duì)海底地層的巖心采集、測(cè)井、原位靜力觸探以及搭載水下調(diào)查設(shè)備等，是獲得地層原位樣品及土層特性所必不可少的裝備。如圖1所示。

圖1 液壓勘察船鉆機(jī)

1.1 勘探系統(tǒng)

綜合地質(zhì)調(diào)查船地質(zhì)鉆探系統(tǒng)用于海上地質(zhì)勘探、取樣作業(yè)、CPT作業(yè)、測(cè)井作業(yè)等。全液壓勘察船鉆機(jī)主要由提升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、補(bǔ)償系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、基盤絞車和取樣絞車系統(tǒng)、泥漿泵組等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)布置在船體甲板上或船體艙內(nèi)。如圖2所示。

圖2 液壓勘察船鉆機(jī)布置示意

提升系統(tǒng)的上、下行是通過液壓油缸來完成，實(shí)現(xiàn)鉆探系統(tǒng)起下鉆作業(yè)，取消了傳統(tǒng)鉆探系統(tǒng)配套的絞車、游車和天車等設(shè)備。一臺(tái)綜合液壓站為提升油缸、基盤絞車、取樣絞車、液壓頂驅(qū)、液壓絞車、月池蓋、液壓貓頭、液氣大鉗、水平動(dòng)力貓道等液壓設(shè)備提供動(dòng)力，確保鉆探系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)。頂驅(qū)主傳動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，泥漿主循環(huán)管道通徑為120.65 mm(4英寸)，并向上貫通；其液壓控制系統(tǒng)具有無(wú)級(jí)調(diào)速功能，頂驅(qū)端最大載荷600 kN。自動(dòng)化管子處理系統(tǒng)配有抓管機(jī)、鉆桿盒、水平動(dòng)力貓道、液氣大鉗、動(dòng)力卡瓦、液壓吊卡等機(jī)械化工具，可實(shí)現(xiàn)管柱從鉆桿盒至井口頂驅(qū)連接的自動(dòng)化作業(yè)。所有設(shè)備均采用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)，通過司鉆房?jī)?nèi)的操控終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。司鉆控制系統(tǒng)采用主副司鉆分區(qū)控制，協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝過程的流暢作業(yè)。

該鉆探系統(tǒng)配有2臺(tái)由交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的160 kW鉆井泵，通過無(wú)級(jí)調(diào)速和變化缸套可實(shí)現(xiàn)鉆井泵不同的輸出壓力和排量。

鉆探系統(tǒng)配有散料系統(tǒng)，由混合漏斗、混合泵和破袋加料機(jī)等組成，構(gòu)成半自動(dòng)散料加料系統(tǒng)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

水深+鉆深 600 m

最大地層鉆深 400 m

鉆柱中心通徑 121 mm

頂驅(qū)端最大載荷 600 kN

最大鉆柱重力 400 kN

升沉補(bǔ)償位移 ±1.5 m

提升方式 油缸舉升

2 液壓勘察船鉆機(jī)控制對(duì)象分析

全液壓勘察船鉆機(jī)電液復(fù)合集成控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓舉升裝置、液壓頂驅(qū)、鐵鉆工、水平貓道、抓管機(jī)、取樣絞車等鉆探設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并對(duì)綜合液壓站的壓力、溫度、液位和各單元設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、工藝參數(shù)等運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)各單元設(shè)備的作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式和數(shù)據(jù)傳輸模式，單元設(shè)備控制系統(tǒng)可分為本地控制、司鉆集成控制、應(yīng)急控制3種模式。根據(jù)液壓設(shè)備的需要，液壓系統(tǒng)又分為閥控、泵控。本鉆機(jī)配套的各設(shè)備根據(jù)自身特點(diǎn)和工作特性的不同而采取不同的控制方式。

2.1 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)采用雙液缸直接驅(qū)動(dòng)，完成頂驅(qū)的提升/下放作業(yè)。簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)流程，降低了機(jī)械設(shè)備故障率，并減輕了整機(jī)質(zhì)量。如圖3所示。

1) 提升/下放功能。通過操作司鉆房多功能手柄，完成頂驅(qū)的提升與下放作業(yè)，在提升與下放的過程中，速度可調(diào)，運(yùn)行平穩(wěn)。

2) 安全功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、管線爆裂、液壓泵故障等意外情況時(shí)，液壓提升系統(tǒng)給出信號(hào)至PLC，PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖住并報(bào)警。

3) 應(yīng)急功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外停電或控制閥組故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急操作。

2.2 頂驅(qū)裝置

頂驅(qū)裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，與背鉗、液壓吊卡配合使用。在鵝頸管上配有電動(dòng)泥漿關(guān)斷閥，實(shí)現(xiàn)泥漿關(guān)閉；中心管頂部配電動(dòng)球閥，當(dāng)下取樣工具時(shí)，打開球閥，正常鉆井時(shí)關(guān)閉該閥。如圖4所示。

圖3 提升系統(tǒng)

圖4 頂驅(qū)裝置

2.3 升沉補(bǔ)償

升沉補(bǔ)償采取被動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞?。上端通過鉆井鋼絲與滑輪組連接，下端與頂驅(qū)相連，在井架內(nèi)側(cè)的導(dǎo)軌上下運(yùn)行。升沉補(bǔ)償裝置主要由鎖緊油缸、導(dǎo)向輪、上下導(dǎo)向架、鋼絲滑輪總成、補(bǔ)償油缸等構(gòu)成，如圖5所示。通過氣瓶組、活塞式蓄能器、補(bǔ)償油缸構(gòu)成一類似于彈簧的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)船體上下升沉位移補(bǔ)償。

圖5 升沉補(bǔ)償裝置

2.4 管子處理系統(tǒng)

管子處理系統(tǒng)主要由抓管機(jī)、鉆桿盒、動(dòng)力貓道、氣動(dòng)卡瓦、鉆桿動(dòng)力鉗、液壓吊卡等組成。其主要功能是將鉆桿從鉆桿盒中取出輸送給頂驅(qū)，或在起鉆時(shí)將鉆桿從頂驅(qū)輸送到鉆桿盒。如圖6所示。

圖6 管子處理系統(tǒng)

2.4.1抓管機(jī)

抓管機(jī)采用液壓控制，能夠覆蓋貓道兩側(cè)鉆桿盒中鉆桿的抓取，完成鉆桿盒與水平動(dòng)力貓道之間的鉆桿傳遞。

2.4.2水平動(dòng)力貓道

動(dòng)力貓道為移動(dòng)可拆式設(shè)計(jì)，主要由貓道本體、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。與頂驅(qū)吊卡配合完成鉆桿轉(zhuǎn)移，可現(xiàn)場(chǎng)遙控和在司鉆房控制。

2.4.3鉆桿動(dòng)力大鉗

鉆桿動(dòng)力大鉗主要由鉗體和升降架2部份組成，主要用于鉆桿和鉆鋌的上卸扣作業(yè)，動(dòng)力大鉗在司鉆控制房中由主司鉆集中控制操作。

2.5 海底基盤收放系統(tǒng)

海底基盤收放系統(tǒng)的主要功能是控制基盤的起升、下放和取樣絞車的取樣作業(yè)。如圖7所示。

綜合地質(zhì)調(diào)查船進(jìn)行深海作業(yè)時(shí)，由于受海浪作用，母船會(huì)隨著波浪產(chǎn)生升沉運(yùn)動(dòng)(垂蕩)，安裝在母船上的作業(yè)裝置也會(huì)產(chǎn)生升沉運(yùn)動(dòng)，影響到深水作業(yè)的基盤的正常工作。在基盤絞車上安裝波浪補(bǔ)償裝置，以跟蹤船舶升沉運(yùn)動(dòng)，減小波浪對(duì)深水勘察作業(yè)影響，特別是惡劣海況的影響。

圖7 海底基盤收放系統(tǒng)

2.6 泥漿泵

泥漿泵(如圖8)組分為泵組1和泵組2，為臥式三缸單作用活塞泵。根據(jù)泥漿泵在船艙內(nèi)的擺放位置不同，泵組1與泵組2的吸入管線和排出管線的布局不同。

2.7 綜合液壓站

液壓站是鉆井系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿卧瑸樘嵘到y(tǒng)、頂驅(qū)、基盤/取樣系統(tǒng)、月池門和管柱處理系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓站配套水冷裝置一套，液壓站回油、卸荷回油及加油濾油回油均可經(jīng)水冷裝置或直接回油箱。

液壓站具有油溫、油位、油污報(bào)警裝置。各濾油器帶24 V堵塞電發(fā)訊器和目視發(fā)訊裝置，具有堵塞旁通功能,可給司鉆房預(yù)留報(bào)警信號(hào)。液壓站為整體結(jié)構(gòu)，電機(jī)、泵、油箱及電控箱整體成撬放在船上一個(gè)船艙內(nèi)。如圖9所示。

圖8 泥漿泵

圖9 綜合液壓站

3 集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制和檢測(cè)設(shè)備(如表1)

表1 控制和監(jiān)視設(shè)備

3.2 液壓系統(tǒng)

電液復(fù)合控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)液壓執(zhí)行器的控制，包括高壓、中高壓和回油3組壓力等級(jí)的液壓回路。高壓回路用于舉升系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)的控制；中高壓回路用于機(jī)具液控閥組的驅(qū)動(dòng)；回油回路在閉式系統(tǒng)中用于液壓介質(zhì)的回收。

為了保證液壓系統(tǒng)動(dòng)力輸入的可靠性，液壓系統(tǒng)動(dòng)力由2臺(tái)主電機(jī)帶動(dòng)泵站供給，液壓站2臺(tái)主電機(jī)均支持一用一備的工作方式，液壓站液壓源通過控制閥后進(jìn)入各設(shè)備控制系統(tǒng)液壓回路。為克服液壓源壓力波動(dòng)可能引起液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)滿足在液壓供油回路出現(xiàn)故障時(shí)，確保系統(tǒng)保持足夠壓力，配置了一組液壓蓄能器；為確?？辈齑@探系統(tǒng)安全，關(guān)鍵閥組具有液壓自鎖和失壓關(guān)斷功能。為實(shí)現(xiàn)舉升油缸快、慢速提放以及自動(dòng)送鉆，專門設(shè)計(jì)了差動(dòng)功能，確保舉升系統(tǒng)滿足所有作業(yè)工況需求。

3.3 集成控制系統(tǒng)

集成控制系統(tǒng)包含了對(duì)整套鉆井包的控制，集機(jī)械、視頻采集、電控、儀表于一體，是鉆機(jī)的核心控制系統(tǒng)，是對(duì)成套鉆井包的高度集成。

通過主副雙司鉆集成操控座椅，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的集中控制和監(jiān)視。如圖10所示。

圖10 雙司鉆集成操控座椅

系統(tǒng)采用可編程控制技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將石油鉆機(jī)變頻系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成集成控制系統(tǒng)。完成了鉆機(jī)各控制單元的有效整合，克服了常規(guī)鉆機(jī)配套的各子系統(tǒng)相互獨(dú)立、配置重復(fù)的缺點(diǎn)，搭建了勘察船鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化控制平臺(tái)，引領(lǐng)了今后勘察船鉆機(jī)集成控制的發(fā)展方向。

3.4 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選定的是西門子S7系列PLC，每個(gè)單元設(shè)備配套一套PLC控制站，針對(duì)每一套控制站開發(fā)專用PLC程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的信號(hào)采集和控制輸出，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的控制邏輯、限位和保護(hù)等。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各二級(jí)子站的管理，還需要開發(fā)對(duì)應(yīng)設(shè)備間的交接、互鎖、防碰等控制程序，實(shí)現(xiàn)多個(gè)被控設(shè)備的集中管理。在PLC控制站的軟件程序開發(fā)過程中，首先以各設(shè)備工作工藝要求為依據(jù)，進(jìn)行各功能模塊分解，最后通過分塊協(xié)作編寫程序代碼方式完成。例如圖11為動(dòng)力鉗程序界面。

圖11 動(dòng)力鉗程序界面

3.5 人機(jī)界面軟件開發(fā)

人機(jī)界面是操作人員和被控設(shè)備之間傳遞、交換信息的媒介和窗口。本系統(tǒng)人機(jī)界面的軟件基于西門子winCC 7.3版本軟件而開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員權(quán)限的管理，專門設(shè)計(jì)開發(fā)了登錄界面；根據(jù)主副司鉆的分工分別設(shè)計(jì)了主副司鉆人機(jī)界面程序；根據(jù)勘探船鉆機(jī)的作業(yè)工藝過程，設(shè)計(jì)開發(fā)了鉆井、起下鉆等工藝操作人機(jī)界面；根據(jù)配套設(shè)備分別設(shè)計(jì)了各單元設(shè)備的人機(jī)界面畫面。如圖12所示。

圖12 鉆井人機(jī)界面

4 應(yīng)用

該勘察船已通過項(xiàng)目組的正式驗(yàn)收，交付給用戶，被命名為“海洋地質(zhì)十號(hào)船”，該船的成功建造彌補(bǔ)了我國(guó)在小噸位、大深度海洋地質(zhì)鉆探領(lǐng)域的不足，擴(kuò)展了我國(guó)海洋地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)能力。提升了我國(guó)重點(diǎn)海域油氣和天然氣水合物的勘探能力，為下一步自主設(shè)計(jì)建造更大噸位的天然氣水合物鉆采船(大洋鉆探船)提供了有力的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)支撐。

截止目前，海洋地質(zhì)十號(hào)船已完成了多次海試，并進(jìn)行了項(xiàng)目的驗(yàn)收，當(dāng)前正在南海進(jìn)行取樣作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著未來人工智能技術(shù)的發(fā)展，油田鉆井裝備的自動(dòng)化、智能化終將實(shí)現(xiàn)。開發(fā)出性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、智能化程度高的石油勘探設(shè)備已成為未來發(fā)展的主要方向。

1) 向“電液復(fù)合集成控制”方向發(fā)展。傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探系統(tǒng)均采用滾筒絞車、頂驅(qū)、泥漿泵等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的由電機(jī)帶動(dòng)變速箱驅(qū)動(dòng)滾筒的絞車、頂驅(qū)等設(shè)備將被油缸、齒輪齒條、全液壓頂驅(qū)等電液復(fù)合控制設(shè)備所替代。電液復(fù)合設(shè)備的質(zhì)量輕、占用空間小，成本低，方便維護(hù)和管理，對(duì)勘探船有著顯著的優(yōu)勢(shì)，必將逐步取代傳統(tǒng)的、笨重的設(shè)備，成為下一步的發(fā)展方向。

2) 向智能機(jī)器人方向發(fā)展。目前，很多勘探作業(yè)仍然需要由人工完成，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。為了減少人員和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，相應(yīng)的智能化機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工作業(yè)，通過遠(yuǎn)程操控或自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)野外的勘探作業(yè)。為此，2017年國(guó)家科技部啟動(dòng)實(shí)施了“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng)，重點(diǎn)攻克人機(jī)自然交互與協(xié)作共融等重大基礎(chǔ)前沿技術(shù)，未來機(jī)器人作業(yè)代替人工作業(yè)將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

3) 向“一鍵式人機(jī)交互”方向發(fā)展。當(dāng)前部分勘探裝備已實(shí)現(xiàn)了司鉆房集中控制，但對(duì)部分設(shè)備的操控還離不開人工的干預(yù)和配合，這不僅增加了操作的繁瑣性，還會(huì)造成各個(gè)作業(yè)過程的交接出現(xiàn)等待，不順暢，影響效率。為了改變現(xiàn)狀，需要對(duì)當(dāng)前的鉆探工藝進(jìn)行重新梳理和優(yōu)化，按照新的鉆探工藝開發(fā)出一鍵式人機(jī)交互操控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)將成為下一步發(fā)展的目標(biāo)和方向。