夏輝， 羅磊， 樊勇利， 唐飛， 肖磊， 于興軍

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

0 引 言

隨著石油鉆機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新型自動(dòng)化鉆機(jī)以其突出的自動(dòng)化、智能化優(yōu)勢正逐步取代老式鉆機(jī)，成為油氣田開發(fā)的主力裝備?，F(xiàn)階段自動(dòng)化鉆機(jī)主要應(yīng)用于7000 m、8000 m等多種大型深井鉆機(jī)，而淺地層油氣田開發(fā)使用的自動(dòng)化鉆機(jī)尚處于起步階段[1-6]。

超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)作為新一代淺地層自動(dòng)化鉆機(jī)，通過使用超長管柱（單根管柱長度可達(dá)13.5 m）減少管柱交接及上、卸扣次數(shù)，縮短管柱交接時(shí)間；減配立根盒，井架結(jié)構(gòu)輕量化緊湊化，提高移運(yùn)能力；簡化管柱交接工藝，提高管柱交接效率與成功率，為淺地層油氣田開發(fā)提供便利條件[7]。而先進(jìn)的控制系統(tǒng)與合理的效率優(yōu)化亦將為充分發(fā)揮超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的設(shè)備性能、提高鉆井效率提供必要的技術(shù)支撐。

1 控制系統(tǒng)研究

依托于中石油科技研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目支撐，寶石機(jī)械有限責(zé)任公司于2018年在國內(nèi)率先進(jìn)行了超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的研制，鉆機(jī)由貓道、機(jī)械手、鐵鉆工、絞車、液壓站、泥漿泵等自動(dòng)化設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。

超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)采用全新的控制系統(tǒng)，在確保各設(shè)備自身獨(dú)立性的前提下實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的統(tǒng)籌規(guī)劃，提高了各設(shè)備的靈活性與聯(lián)動(dòng)性，強(qiáng)化了設(shè)備交接的安全性、可靠性與順暢性[8]。鉆機(jī)控制系統(tǒng)按照功能分為三大模塊，即防碰互鎖安全模塊、集成控制模塊與遠(yuǎn)程診斷模塊，如圖2所示。

1.1 防碰互鎖安全模塊

圖1 超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)現(xiàn)場圖

圖2 控制系統(tǒng)模塊構(gòu)成示意圖

防碰互鎖安全模塊作為鉆機(jī)安全保護(hù)的關(guān)鍵模塊，實(shí)時(shí)獲取各設(shè)備PLC運(yùn)行參數(shù)，通過內(nèi)置的邏輯算法進(jìn)行碰撞可能性及互鎖安全性預(yù)測。若操作過程中存在設(shè)備碰撞、管柱交接異常（吊卡、卡瓦同時(shí)打開）等風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，防碰互鎖安全模塊會(huì)立即發(fā)出相應(yīng)指令，阻止危險(xiǎn)動(dòng)作的執(zhí)行，確保自動(dòng)化鉆機(jī)使用過程中的安全性。

考慮到現(xiàn)場處理非標(biāo)管柱及特殊工況需要，該防碰互鎖安全模塊設(shè)置有“屏蔽”設(shè)置窗口，操作人員可根據(jù)需要輸入密碼授權(quán)后使用相應(yīng)設(shè)備的“屏蔽”功能，確保特殊情況下的鉆機(jī)可動(dòng)作性及靈活性。

1.2 集成控制模塊

集成控制模塊是超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)司鉆人員控制命令下發(fā)、設(shè)備狀態(tài)反饋顯示、設(shè)備動(dòng)作運(yùn)行控制的核心[9]。該模塊自上而下分為3個(gè)層級(jí)，即用戶層、管理層、設(shè)備層，如圖3所示。

圖3 集成控制模塊構(gòu)成示意圖

用戶層由主、副司鉆座椅及HMI一體機(jī)構(gòu)成，用戶操作座椅上的按鈕及手柄完成控制命令的下發(fā)。HMI一體機(jī)設(shè)備狀態(tài)反饋界面可實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備傳感器當(dāng)前數(shù)值，運(yùn)動(dòng)位置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作按鈕狀態(tài)等具體設(shè)備信息，如圖4所示。

管理層由集成控制PLC構(gòu)成，對(duì)用戶層操作命令及設(shè)備層狀態(tài)反饋信息進(jìn)行整合與處理，根據(jù)需要分發(fā)至各子設(shè)備控制器；并為防碰互鎖安全模塊及遠(yuǎn)程診斷模塊提供數(shù)據(jù)交互接口。

設(shè)備層由各設(shè)備PLC、外圍電路、傳感器構(gòu)成；各設(shè)備在軟件與硬件兩個(gè)層面均相互獨(dú)立，確保各設(shè)備的獨(dú)立性，避免設(shè)備間的相互干擾與影響。

1.3 遠(yuǎn)程診斷模塊

遠(yuǎn)程診斷模塊由傳感器、采集器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、防火墻、4G網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。超級(jí)單根自動(dòng)鉆機(jī)關(guān)鍵測量區(qū)域（如轉(zhuǎn)軸、泥漿泵液力端等）均安裝有壓力傳感器、溫度傳感器。采集器采集各傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取集成控制PLC、各子設(shè)備PLC設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及采集器采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包，經(jīng)防火墻過濾后通過路由器及4G網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程無線發(fā)送至監(jiān)控診斷中心整合處理與診斷分析，如圖5所示。

圖4 HMI一體機(jī)設(shè)備狀態(tài)反饋顯示界面

圖5 遠(yuǎn)程診斷模塊構(gòu)成示意圖

2 效率優(yōu)化

傳統(tǒng)作業(yè)過程中管柱交接，上、卸扣均需鉆臺(tái)面工作人員參與。為確保人員安全，各設(shè)備均以單獨(dú)作業(yè)為主，一般不實(shí)行多設(shè)備聯(lián)動(dòng)操作。設(shè)備定位以操作者觀察為主，設(shè)備定位精度差，管柱交接需要多次反復(fù)嘗試方可完成，一定程度上限制了鉆臺(tái)設(shè)備尤其是鉆臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備的效率，令自動(dòng)化設(shè)備的高精度定位優(yōu)勢及多設(shè)備聯(lián)動(dòng)優(yōu)勢無法發(fā)揮[10]。

為充分發(fā)揮超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的設(shè)備性能優(yōu)勢，鉆機(jī)以整個(gè)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以井口空間區(qū)域?yàn)楹诵膮^(qū)域，以管柱為作業(yè)對(duì)象，在確保管柱交接安全性的基礎(chǔ)上遵循設(shè)備防碰準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了鉆臺(tái)面無人自動(dòng)化，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)備效率優(yōu)化。通過采用多設(shè)備聯(lián)動(dòng)交叉作業(yè)、提高設(shè)備運(yùn)行速度及定位精度，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)效率最優(yōu)化。以超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)為例，手動(dòng)操作與效率優(yōu)化后控制系統(tǒng)操作下鉆作業(yè)的實(shí)測時(shí)間對(duì)比，如圖6所示。

圖6 手動(dòng)操作與控制系統(tǒng)操作下鉆作業(yè)實(shí)測時(shí)間對(duì)比圖

以核心設(shè)備機(jī)械手為例，機(jī)械手位于地面時(shí)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度為0°，翻轉(zhuǎn)至井口交接位置時(shí)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度為110°。手動(dòng)操作機(jī)械手與控制系統(tǒng)操作機(jī)械手時(shí)，機(jī)械手速度分布曲線、定位分布曲線如圖7、圖8所示。

根據(jù)圖6～圖8實(shí)測數(shù)據(jù)可得，基于控制系統(tǒng)操作的超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)明顯優(yōu)于手動(dòng)操作，設(shè)備運(yùn)行速度快、定位精度高、交接等待時(shí)間短、管柱一次交接成功率高等優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。以下鉆為例，單根下鉆時(shí)間為150 s，單根管柱長度13.5 m，累計(jì)下鉆速度為324 m/h，與手動(dòng)操作相比效率提高26%。鉆臺(tái)面節(jié)省操作人員3人，實(shí)現(xiàn)了鉆臺(tái)面無人化，極大地提高了現(xiàn)場人員作業(yè)的安全性。

圖7 機(jī)械手手動(dòng)操作與控制系統(tǒng)操作速度分布曲線圖

圖8 機(jī)械手手動(dòng)操作與控制系統(tǒng)操作定位分布曲線圖

3 結(jié) 論

超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)已經(jīng)在大慶油田開始作業(yè)并取得良好的應(yīng)用效果。油田現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)以機(jī)械手為核心，配備貓道、鐵鉆工、液壓吊卡、液壓卡瓦等自動(dòng)化設(shè)備，搭載先進(jìn)的控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)鉆機(jī)具有以下優(yōu)勢：

1）集成控制系統(tǒng)模塊化。根據(jù)鉆機(jī)功能需求將整個(gè)控制系統(tǒng)分為防碰互鎖安全模塊、集成控制模塊、遠(yuǎn)程診斷模塊；各模塊間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互；各模塊獨(dú)立工作，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了任意模塊故障時(shí)不影響其余模塊的正常運(yùn)行。

2）鉆臺(tái)面無人化?？刂葡到y(tǒng)遠(yuǎn)程操作各設(shè)備運(yùn)行并完成管柱交接。設(shè)備作業(yè)過程中無需鉆臺(tái)面人員干預(yù)，提高了作業(yè)人員的安全性。

3）作業(yè)效率高效化。超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)以控制系統(tǒng)為核心，通過提高設(shè)備運(yùn)行速度、設(shè)備定位精度，縮短管柱交接等待時(shí)間，在確保設(shè)備安全的基礎(chǔ)上采用多設(shè)備聯(lián)動(dòng)等方式，充分發(fā)揮超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的設(shè)備性能優(yōu)勢，作業(yè)效率有了明顯的提高。