吳枝國，稅理中，盛 益，薛 程

（中石化華東石油工程有限公司，南京 225000）

0 引言

鉆井技術(shù)四大開發(fā)階段分別是經(jīng)驗鉆井、科學鉆井、自動化鉆井以及智能化鉆井。目前我國鉆井技術(shù)正處于自動、智能鉆井技術(shù)同步開發(fā)的初級階段[1]。石油工業(yè)近年來發(fā)展迅速，迫切需要高度自動化的管柱處理系統(tǒng)，以降低鉆井成本，提高鉆井質(zhì)量，減低事故率，縮短鉆井周期。

傳統(tǒng)的陸地鉆機管柱處理依靠地面、鉆臺、二層臺的工人純手工操作，管柱從料場移送到正對鉆臺斜坡的位置，之后沿斜坡拉拽到鉆臺上，進行接立根操作和立根排放。在整個過程中，需要工人進行搬運鉆桿、提卡瓦、拉立根等強度很大的工作，尤其是高空操作者，需要在距離地面三十多米的二層臺進行手工操作，效率低，勞動強度高，更易發(fā)生安全事故[2]。在整個鉆井流程中，有30%以上的時間花費在起下鉆等管柱處理作業(yè)上，特別是深井鉆機在工作過程中需要頻繁的起下鉆所花費時間更多[3]。

要解決該問題，必須改變管柱處理作業(yè)的方式，即把自動控制技術(shù)運用到鉆井裝備上，通過傳感器、控制器及執(zhí)行機構(gòu)控制和完成管柱處理工作，一方面減輕工人勞動強度，另一方面降低由于惡劣環(huán)境和疲勞大意等造成的危險事故的發(fā)生概率，進而保障人員安全。全面實現(xiàn)管柱處理自動化是實現(xiàn)鉆機智能高效工作的必由之路，與之相匹配的自動化、智能化管柱處理系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。

管柱處理自動化的核心是集成控制系統(tǒng)。目前國外集成控制系統(tǒng)主要有NOV 公司的Cyberbase 系統(tǒng)和AMPHION 系統(tǒng)、AXON 公司的RigScope 操作系統(tǒng)及BENTEC 公司的infoDRILL 操作系統(tǒng)等[4]，國內(nèi)主要有四川宏華的鉆機集成司鉆控制系統(tǒng)、青島天時的鉆井控制系統(tǒng)[5-6]，以及江漢四機、南陽二機、天津瑞靈、東方先科等企業(yè)推出的司鉆集成控制系統(tǒng)[7]。但與國外同類產(chǎn)品比較，在使用和功能上還有很大不足，集成控制系統(tǒng)自動化智能化程度不高，還存在一定差距。

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文研制了全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)，采用區(qū)域化管理和雙機雙控方式實現(xiàn)整個通信系統(tǒng)的運行，并采用多重互鎖技術(shù)和AI監(jiān)控確保設(shè)備的平穩(wěn)運行及操作安全。與傳統(tǒng)集成控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)自動化及智能化程度更高，具有鉆機鉆進過程安全、高效、少人化的特點。

1 集成控制系統(tǒng)原理

1.1 總體介紹

集成控制系統(tǒng)主要通過鉆機配套的管柱自動化處理裝置進行集成控制；通過對絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、電控系統(tǒng)等直接驅(qū)動和控制實現(xiàn)鉆進；通過控制二層臺排管裝置、吊卡、鉆臺機械手、泥漿防濺盒、螺栓緊固油噴涂設(shè)備、鐵鉆工、動力卡瓦、液壓動力集成系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)起下鉆；通過控制動力貓道、液壓動力集成系統(tǒng)、緩沖機械手裝置實現(xiàn)下套管等過程中管柱傳送和搬運的智能化，同時實現(xiàn)地面區(qū)、鉆臺區(qū)和二層臺區(qū)所有裝置的區(qū)域化指揮、統(tǒng)籌管理，在系統(tǒng)互不干擾的情況下最大限度地完成并行操作，提升工作效能[8]。該系統(tǒng)通過旋鈕、按鈕和手柄等向各機具發(fā)送控制命令，并采集各機具的實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行分析處理，完成井區(qū)到地面料區(qū)整個鉆井流程的一體化作業(yè)，人員只需承擔部分輔助作業(yè)，減少了工人的數(shù)量和勞動強度，實現(xiàn)了全套管柱自動化“一鍵式操作”，同時采用離散式網(wǎng)絡(luò)集成控制各機具，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)單一裝置進行局部操控。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指用傳輸電纜、無線等傳輸介質(zhì)互聯(lián)的全套管柱自動化設(shè)備物理布局。本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲的方式，以運動控制器為中央節(jié)點，其他節(jié)點都與中央節(jié)點直接相連，構(gòu)建了分類、分層級的多源數(shù)據(jù)設(shè)備點至點的鏈路連接方式，如圖1所示。其中，手柄1和手柄2 以及按鍵面板通過CAN 總線通信技術(shù)與運動控制器之間進行數(shù)據(jù)互通，緩沖臂通過電控液，鐵架工、扶桿臂、液壓站通過交換機1 和運動控制器進行數(shù)據(jù)交換；視頻監(jiān)控系統(tǒng)和運動控制器之間采用RS485總線進行數(shù)據(jù)交換。兩臺工業(yè)計算機與運動控制器之間使用交互式以太網(wǎng)技術(shù)通過交換機2進行數(shù)據(jù)交換。鐵鉆工、動力貓道等管柱處理設(shè)備使用以太網(wǎng)技術(shù)，通過PLC進行互動并通過交換機2實現(xiàn)與兩臺工業(yè)計算機之間的信號傳輸，最終實現(xiàn)采用雙機雙控的方式實時顯示和控制的目的。

圖1 設(shè)備通信方式

控制層打破了以往對各系統(tǒng)獨立進行數(shù)據(jù)采集與控制的傳統(tǒng)方法，采取標準化、通用化、高集成化的控制單元模塊對全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)實施數(shù)據(jù)采集、通信與控制的網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)。

為應(yīng)對井場風暴、風沙侵蝕等惡劣工況對本系統(tǒng)的影響，保障系統(tǒng)正常運行，集成控制系統(tǒng)采用獨立備用通信系統(tǒng)模式，兩套相互獨立的通信系統(tǒng)相互兼容、相互切換、互為備用。在系統(tǒng)中各組成部分之間，采取多源、多渠道、多維的數(shù)據(jù)采集、信號傳遞技術(shù)方法，信號通信、數(shù)據(jù)傳輸均采取雙回路、雙備份等技術(shù)手段，確保控制系統(tǒng)的可靠性。

2 重點組成結(jié)構(gòu)設(shè)計

全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)設(shè)計主要從3個方面著手：視頻監(jiān)控設(shè)計、安全互鎖設(shè)計、鉆臺面AI智能監(jiān)控。

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)以行業(yè)標準《安全防范工程技術(shù)標準》為依據(jù)進行設(shè)計和實施。監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、傳感器及監(jiān)控軟件組成，是整個司鉆集成的“感知”系統(tǒng)，能為司鉆操作者提供不同區(qū)域的監(jiān)控畫面，以及控制各設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.2 鉆臺面AI智能監(jiān)控

鉆臺面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端（攝像頭）、視頻AI 大腦、監(jiān)控管理平臺、IOT 云組成，框架如圖2所示。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)集成到已有的安防監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備智能化升級，實現(xiàn)24 h 監(jiān)測和視頻數(shù)據(jù)采集。針對應(yīng)用場景進行視頻AI 算法調(diào)優(yōu)，最大化地將井場現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行分析，獲得精準數(shù)據(jù)用于管理決策。對井場環(huán)境、人員、物品、行為軌跡進行安全風險識別，主動識別不安全因素，及時為井場人員提供報警、提醒服務(wù)，節(jié)約人力成本的同時真正做到了全天候為每個井隊保駕護航。

圖2 鉆臺面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)框架

3 安全互鎖

安全互鎖設(shè)計主要由設(shè)備控制器和中央控制器對設(shè)備間互鎖、自鎖發(fā)布指令實施。設(shè)備運行前，設(shè)備控制器通過標定的方式，把設(shè)備在實際運動中的空間位置與運動編碼器建立對應(yīng)關(guān)系。設(shè)備運行時，設(shè)備控制器不斷收集設(shè)備運動位置信息，當有其他設(shè)備進入設(shè)備重合運行區(qū)域時，設(shè)備控制器向中央控制器程序發(fā)出排他指令，禁止其他設(shè)備進入此區(qū)域，從而達到防止設(shè)備碰撞的目的。設(shè)備開合狀態(tài)通過設(shè)備控制器發(fā)給中央控制器，中央控制器根據(jù)各設(shè)備的當前狀態(tài)和互鎖清單判定此設(shè)備是否允許開關(guān)，互鎖清單如圖3所示。

圖3 設(shè)備互鎖清單

4 應(yīng)用效果分析

目前全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)已經(jīng)在某石油工程公司8 000 m鉆機現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場未出現(xiàn)硬件故障，硬件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，軟件程序運行良好，各類安全保護機制運行穩(wěn)定可靠。其中，集成控制系統(tǒng)應(yīng)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和鉆臺面AI 智能監(jiān)控已經(jīng)實現(xiàn)對井隊現(xiàn)場的火苗煙霧、安全帽、吸煙、人臉及跟蹤等20多項功能進行實時監(jiān)測，以及對鉆臺面各管柱自動化處理設(shè)備的待機狀態(tài)和運動情況進行實時監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 鉆臺面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)全套應(yīng)用

在該石油工程公司的現(xiàn)場應(yīng)用，充分體現(xiàn)了全套管柱自動化集成控制的優(yōu)勢：（1）安全：通過冗余雙司鉆系統(tǒng)控制、多重互鎖技術(shù)、AI 視頻監(jiān)控等方式，優(yōu)化空間余量管理，減小系統(tǒng)對正常操作的影響，并對人員進入安全紅區(qū)進行預(yù)警識別，全方位保障作業(yè)安全；（2）高效： 通過單機多軸聯(lián)動、人機交互聯(lián)動、多機協(xié)作聯(lián)動，在某些設(shè)備交接處通過設(shè)備并行運動的方式，節(jié)省整體運行使用時間；（3）少人化/減少勞動強度：起下鉆過程司鉆值守，工藝流程化操作替代單一設(shè)備操作，自動化程度高，保障操作工安全的同時，又降低勞動強度。

但是該系統(tǒng)目前在非成套設(shè)備上的控制還有一定的技術(shù)屏障，無法有效集成非成套設(shè)備，后續(xù)將對此技術(shù)進行更進一步的研發(fā)與測試。

5 結(jié)束語

本文研制的全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)具有以下特點。

（1）全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲的方式，以運動控制器為中央節(jié)點，其他節(jié)點都與中央節(jié)點直接相連，構(gòu)建了分類、分層級的多源數(shù)據(jù)設(shè)備點至點的鏈路連接方式，實現(xiàn)兩臺工業(yè)計算機之間信號傳輸。最終實現(xiàn)采用雙機雙控的方式實時顯示和控制的目的，有效提高了整體聯(lián)動的順暢性和同步性。

（2）集成控制系統(tǒng)采用獨立備用通信系統(tǒng)模式，應(yīng)對井場風暴、風沙侵蝕等惡劣工況對本系統(tǒng)的影響，保障系統(tǒng)正常運行。兩套相互獨立的通信系統(tǒng)相互兼容、相互切換、互為備用，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。

（3）具備視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全互鎖系統(tǒng)和鉆臺面AI智能監(jiān)控。為司鉆操作者提供不同區(qū)域的監(jiān)控畫面，以及控制各設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)?？捎行Х乐乖O(shè)備碰撞和對人員進入安全紅區(qū)進行預(yù)警識別，全方位保障作業(yè)安全。

與傳統(tǒng)管柱處理系統(tǒng)相比，本文研制的全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)自動化智能化更高，單部件多軸聯(lián)動、人機交互聯(lián)動及多機協(xié)同聯(lián)動，配合司鉆房一鍵式操作，同時采用離散式網(wǎng)絡(luò)集成控制各機具，對系統(tǒng)內(nèi)單一裝置進行局部操控，實現(xiàn)了全套管柱自動化的高效運行，降低工人勞動強度。

全套管柱自動化集成控制系統(tǒng)的應(yīng)用使起下鉆速率實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，在極大提高效率的同時也大大提高了安全性。后續(xù)將進一步簡化司鉆操作流程，使自動化程序更加簡潔，實現(xiàn)一鍵操作，同時發(fā)展管柱上卸扣算法優(yōu)化工作，以期解決管柱自動化處理系統(tǒng)所存在的問題。