王世棟，廖天保，代爽玲，李 浪，張會(huì)寅，吳銳鋒

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760）

0 引 言

司鉆房是石油鉆機(jī)控制與顯示系統(tǒng)的核心部件，其性能直接關(guān)系到整部鉆機(jī)的生產(chǎn)效率。針對(duì)國(guó)內(nèi)的司鉆控制系統(tǒng)越來越無法滿足鉆機(jī)現(xiàn)代化發(fā)展需求的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)相關(guān)各方一直致力于實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，力求打破國(guó)外技術(shù)封鎖。“海洋地質(zhì)十號(hào)”鉆探船是我國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造的集海洋地質(zhì)、地球物理和水文環(huán)境等多功能調(diào)查手段于一體的綜合地質(zhì)調(diào)查船，其司鉆控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考量了國(guó)內(nèi)海洋鉆井平臺(tái)用戶的特殊需求，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)各主要鉆井設(shè)備的集成操作和遠(yuǎn)程監(jiān)視，為司鉆操作人員提供了集成化的操作終端，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期效果。

1 集成司鉆控制系統(tǒng)總體描述

“海洋地質(zhì)十號(hào)”鉆探船是為滿足在1000m 作業(yè)水深下高效地進(jìn)行鉆井勘探、靜力觸探（Cone Penetration Testing, CPT）作業(yè)和測(cè)井的要求設(shè)計(jì)的。圖1 為“海洋地質(zhì)十號(hào)”鉆探船集成司鉆房。司鉆控制房是為鉆機(jī)設(shè)計(jì)的，采用雙司鉆系統(tǒng)。主司鉆和副司鉆均采用一體化司鉆座椅操作，其中：主司鉆通過安裝在司鉆座椅上的開關(guān)、按鈕、手柄和觸摸屏等，控制提升系統(tǒng)、泥漿泵、液壓貓頭、液壓動(dòng)力鉗和液壓吊卡等設(shè)備；副司鉆通過操作司鉆座椅左右扶手上的多功能手柄、鍵盤、開關(guān)和觸摸屏等，控制抓管機(jī)、動(dòng)力貓道和取樣絞車等設(shè)備。主司鉆和副司鉆可同時(shí)通過觸摸屏和工業(yè)監(jiān)視顯示屏了解相關(guān)的鉆井參數(shù)和設(shè)備的工作狀態(tài)，當(dāng)控制開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過觸摸屏進(jìn)行應(yīng)急操作的司鉆控制房布置有一個(gè)綜合操作臺(tái)，用于控制海底基盤、基盤絞車、取樣絞車、地質(zhì)絞車和臍帶絞車等設(shè)備。

司鉆控制房是由控制系統(tǒng)、鉆井參數(shù)顯示控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)組成的整體，其中：

1) 控制系統(tǒng)包括管柱處理控制系統(tǒng)、提升控制系統(tǒng)、基盤控制系統(tǒng)、取樣絞車及基盤絞車控制系統(tǒng)、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、頂驅(qū)控制系統(tǒng)、機(jī)具控制系統(tǒng)、室內(nèi)配電系統(tǒng)、正壓送風(fēng)系統(tǒng)和可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)等；

2) 鉆井參數(shù)顯示控制系統(tǒng)機(jī)械表頭實(shí)時(shí)顯示懸重、鉆壓、立管壓力和吊鉗扭矩等參數(shù)；

3) 監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)取樣絞車、動(dòng)力貓道、抓管機(jī)、甲板上井口、鉆桿盒、頂驅(qū)吊卡、基盤臍帶纜絞車、CPT 絞車、抓管機(jī)鉗頭、井架頂部滑輪、液壓大鉗、公共液壓站、泥漿泵、散料處理區(qū)、井架和電控間等處設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)司鉆對(duì)被監(jiān)視位置情況的實(shí)時(shí)掌握，根據(jù)情況合理操作和通信。

集成控制系統(tǒng)集中安裝在司鉆房?jī)?nèi)，主要包含主司鉆一體化座椅、副司鉆一體化座椅、集成控制柜、數(shù)顯式儀表臺(tái)、頂驅(qū)操控臺(tái)和其他輔助系統(tǒng)。根據(jù)被控設(shè)備和鉆井工藝的需要，系統(tǒng)配套有主、副2 套一體化集成司鉆座椅，對(duì)應(yīng)控制不同的鉆井設(shè)備，主司鉆和副司鉆分工見圖2。

圖1 “海洋地質(zhì)十號(hào)”鉆探船集成司鉆房

圖2 主司鉆和副司鉆分工

主、副2 套集成司鉆座椅的硬件配置完全相同，下面以司鉆座椅為例進(jìn)行介紹。司鉆座椅由左多功能手柄、右多功能手柄、電控觸摸屏、麥克風(fēng)、閉路電視操作鍵盤和急停按鈕等組成。每套座椅都配置觸摸一體機(jī)，作為人機(jī)界面軟件的運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)用于對(duì)相關(guān)鉆井設(shè)備進(jìn)行控制操作和參數(shù)設(shè)定，并可進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示和手柄功能提示等。

2 集成司鉆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 正壓送風(fēng)系統(tǒng)

正壓送風(fēng)系統(tǒng)由2 套獨(dú)立的正壓送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成，正常使用時(shí)一套運(yùn)行，另一套備用。每套正壓送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)都由新風(fēng)空調(diào)、控制箱、差壓開關(guān)、溫度探頭和可燃?xì)怏w探頭等部分組成。

正壓送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置新風(fēng)口、排風(fēng)口和回風(fēng)口。正壓送風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)之后，主機(jī)新風(fēng)口風(fēng)閘打開，向司鉆控制房送入經(jīng)過處理的新風(fēng)；當(dāng)司鉆控制房?jī)?nèi)的壓力達(dá)到100±5Pa 時(shí)，新風(fēng)口風(fēng)閘關(guān)閉，司鉆控制房?jī)?nèi)的空氣經(jīng)過回風(fēng)口進(jìn)入主機(jī)，經(jīng)降溫或加熱處理之后送入房間；當(dāng)司鉆控制房?jī)?nèi)的壓力低于30±5Pa 時(shí)，新風(fēng)口風(fēng)閘打開，向司鉆控制房送入新風(fēng)；當(dāng)司鉆控制房?jī)?nèi)的壓力達(dá)到100±5Pa 左右時(shí)，新風(fēng)口風(fēng)閘關(guān)閉，周而復(fù)始。

正壓送風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)口設(shè)置有探頭，當(dāng)HS 和可燃?xì)怏w檢測(cè)單元檢測(cè)到新風(fēng)口有HS 或可燃?xì)怏w時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)口風(fēng)閘；司鉆控制房?jī)?nèi)的控制箱上設(shè)置有復(fù)位按鈕，只有當(dāng)報(bào)警信號(hào)消失、司鉆按下復(fù)位按鈕和室內(nèi)正壓力低于30±5Pa 時(shí)，新風(fēng)口風(fēng)閘才能打開。

2.2 室內(nèi)配氣系統(tǒng)

司鉆控制房的室內(nèi)配氣系統(tǒng)見圖3，其功能是將鉆井系統(tǒng)供給司鉆控制房的壓縮空氣分配給氣喇叭、氣動(dòng)卡瓦、氣動(dòng)刮雨器和噴淋裝置等用氣設(shè)備。

2.3 室內(nèi)配電系統(tǒng)

室內(nèi)配電系統(tǒng)為司鉆控制房?jī)?nèi)的照明燈具、電暖氣、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、基盤絞車控制系統(tǒng)、取樣絞車控制系統(tǒng)、動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)、有線通信系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)、升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)和喊話器等設(shè)備供電。

圖3 司鉆控制房的室內(nèi)配氣系統(tǒng)

3 司鉆功能操作

3.1 軟件激活與登錄

圖4 用戶登錄對(duì)話框

以司鉆人機(jī)界面為例，進(jìn)入登錄界面之后單擊“登錄”按鈕，彈出用戶登錄對(duì)話框（見圖 4），在此輸入正確的用戶名和密碼，即可進(jìn)入操作主界面，單擊“取消”仍會(huì)回到登錄界面。單擊“English”按鈕可實(shí)現(xiàn)中文界面到英文界面的切換。副司鉆的用戶登錄流程與司鉆相同。

3.2 主畫面和分區(qū)

用戶成功登錄之后進(jìn)入默認(rèn)主畫面。以司鉆為例，默認(rèn)為“鉆井”畫面，人機(jī)界面的功能區(qū)域劃分見圖5。

由圖5可知，主界面的布局按功能和作用分為6個(gè)區(qū)域，具體功能如下。

1) 系統(tǒng)總覽區(qū)：顯示當(dāng)前報(bào)警，確認(rèn)當(dāng)前報(bào)警按鈕、清屏按鈕、當(dāng)前登錄的用戶名、系統(tǒng)時(shí)間和退出系統(tǒng)按鈕。

2) 狀態(tài)顯示區(qū)：以數(shù)字表盤、柱狀圖和數(shù)值控件等方式顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)、參數(shù)等信息，同時(shí)通過輸入窗口實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)置。

3) 左手柄功能指示區(qū)：指示當(dāng)前左手柄的方向和按鈕對(duì)應(yīng)的操作功能。

4) 右手柄功能指示區(qū)：指示當(dāng)前右手柄的方向和按鈕對(duì)應(yīng)的操作功能。

5) 操作功能區(qū)：設(shè)備的操作按鈕，按下按鈕，完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。

6) 功能導(dǎo)航區(qū)：操作員可通過單擊相應(yīng)的按鈕切換當(dāng)前的操作設(shè)備畫面，其中單擊“菜單”按鈕會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)所有畫面的選擇按鈕。

圖5 人機(jī)界面功能區(qū)域劃分

3.3 鉆井功能操作

鉆井畫面是常用畫面，涵蓋鉆井過程中與鉆井相關(guān)聯(lián)的舉升系統(tǒng)、吊卡和卡瓦設(shè)備的集成司鉆操作，該集成司鉆關(guān)于鉆井工藝的操作與監(jiān)視功能見表1。

表1 鉆井工藝的操作與監(jiān)視功能

鉆井人機(jī)界面主要分為狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、手柄當(dāng)前功能提示和操作按鈕等4 個(gè)功能區(qū)域。

3.4 報(bào)警與故障診斷

單擊“歷史報(bào)警”進(jìn)入歷史報(bào)警畫面，通過該畫面查詢所有設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)（30d）的報(bào)警信息清單。單擊“導(dǎo)出報(bào)警記錄”按鈕，可將報(bào)警記錄導(dǎo)出到Excel表格中。

以司鉆為例，增加“診斷列表”功能界面（見圖6），左側(cè)的樹形列表顯示設(shè)備的故障類型，單擊相應(yīng)的故障類型節(jié)點(diǎn)，右側(cè)會(huì)出現(xiàn)引發(fā)該故障的可能原因與處理方式列表。

例如，選中綜合液壓站故障子節(jié)點(diǎn)“電機(jī)無法啟動(dòng)”復(fù)選框，右側(cè)列表會(huì)顯示不同的原因分析和對(duì)應(yīng)的解決方案。

圖6 “診斷列表”功能界面

4 結(jié) 語(yǔ)

目前該集成司鉆控制系統(tǒng)已應(yīng)用到“海洋地質(zhì)十號(hào)”鉆探船的鉆探系統(tǒng)中，在海洋地質(zhì)鉆探中發(fā)揮了重要作用，達(dá)到了預(yù)期的效果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，司鉆控制系統(tǒng)的功能會(huì)不斷完善，司鉆控制系統(tǒng)會(huì)更加人性化、智能化，更加安全、高效。液、電、氣一體化和人機(jī)界面控制的司鉆控制系統(tǒng)將是未來鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。