朱本温 ，刘雅静，魏双会，陈 波，李悦江

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，兰州730300)

近年来，随着石油工业科技的不断发展，钻机的自动化、智能化水平不断提高，大量新设备新技术在钻机上得到实际应用，作业效率得到大幅提升，并且现场作业环境也得到明显改善[1-5]。模块钻机安装在海上固定平台上，由钻井设备模块(简称DES)、钻井支持模块(简称DSM)、散装罐模块、固井模块、录井模块等组成[6-7]。从1981年埕北油田的第1套模块钻机开始，模块钻机在我国已走过40多a的发展历程，在近海的渤海湾地区、东海区域、南海区域等得到了大量应用[8]。但是，当前模块钻机自动化程度非常低，在建立根、起下钻、甩钻具等作业工况中，需要操作人员长期处于钻台井口、二层台区域，井口区域的钻台工需要上提/下放卡瓦、打开/关闭吊卡、搬运液气大钳进行管具上卸扣，劳动强度大。井架工在高空露天作业，环境更为恶劣，并且作业效率低下，容易发生安全事故。

国内中海油等钻井作业公司对海上模块钻机的自动化技术应用需求迫切。本文从司钻操作控制系统、管具处理自动化、钻井液处理自动化、关井自动化等多个方面对模块钻机自动化技术应用进行了研究。

1 司钻操作控制系统方案

目前，模块钻机仍旧以传统的司钻操作台为主，各设备的操作台一般相互独立，通过搭积木的方式布置在司钻房内各个位置，司钻房内布置较为繁杂，后期升级困难，如图1所示。集成操作控制系统目前在国内已经实现技术突破，在多套陆地钻机上得到实际应用[9]，在功能上已经具备国外同类产品的使用性能。

图1 传统模块钻机的司钻房内景

在模块钻机上配套双司钻集成控制系统，控制终端采用2台完全相同的一体化座椅，每台座椅上集成了操作显示屏、操作面板、操作手柄、急停按钮以及CCTV操作面板等，可实现对设备的动作控制、状态监控、报警提示等，如图2～3所示。

图2 兰石的自动化钻机一体化控制座椅

图3 自动化钻机的HMI操作显示界面

集成控制系统按照功能可划分为集成控制总模块、一体化仪表模块、防碰互锁模块、远程监测与运维等4个部分。

1.1 集成控制总模块

集成控制总模块是钻机的核心控制模块，该系统基于模块钻机的现有布局，将DSM模块区域的设备控制统一接入DSM模块的PLC中，将DES布置的绞车、转盘、自动化设备等设备的控制就近接入钻台电控房的PLC中，同时将钻井仪表根据布置区域，就近接入DSM或DES模块的PLC中，系统为防碰互锁模块、一体化仪表、远程监测等提供数据交互接口。

整套系统采用基于以太网的环形通讯网络架构，将PLC控制站(DSM模块的PLC控制站、DES模块的PLC控制站)、顶驱PLC控制站、双司钻椅控制站等连接到环形通讯网络中，当局部单体设备发生故障时，不影响整套集成控制系统的正常运行，具有较高的运行可靠性和稳定性，集成控制系统原理如图4所示。

图4 模块钻机双司钻集成控制系统原理

1.2 一体化仪表模块

该模块是将钻机现场的钻井仪表(绞车编码器、泥浆池液位传感器、悬重传感器等)信号直接接入PLC中，通过PLC将仪表的4～20 mA信号转换为对应的数字信号，实现在HMI操作界面上的参数显示及存储，界面如图5所示，并实现仪表参数的共享。

图5 钻井仪表HMI参数显示界面

该模块采用一体化的形式，省去了传统的钻井仪表台和数据采集处理模块DAQ，使用方只需采购相应的现场仪表硬件，通过程序处理接入到控制系统中，降低了钻井仪表模块的采购成本。

1.3 防碰互锁模块

为保障钻井设备作业安全，系统集成了防碰互锁管理模块，通过实时采集各设备的PLC运行参数，通过内置安全保护逻辑算法，实现碰撞可能性和安全互锁预测，防止各设备之间运行轨迹重叠而发生碰撞、管具交接出现掉落、设备在工艺流程中不允许同时运行而造成设备损坏等，确保钻机在使用过程中的安全性。主要的防碰互锁安全保护逻辑包括以下几点：

1) 防碰天车及下砸钻台互锁控制。通过对绞车上安装的编码器获取游车的实时位置信息和速度，通过设置上碰下砸保护逻辑程序，实现游车在高位、低位的减速控制及停车。

2) 提升系统与防喷器互锁控制。当防喷器处于关闭状态时，禁止提升系统进行升降操作，否则会造成防喷器的损坏。

3) 提升系统与二层台排管机防碰控制。提升系统处于二层台排管机下方位置时，禁止二层台排管机伸出至井口中心位置。相反，当二层台排管机伸出至井口中心位置时，禁止提升系统下放至二层台排管机以下位置，防止这2台设备发生碰撞。

4) 液压吊卡与动力卡瓦互锁控制。在游车低位，液压吊卡处于打开状态时禁止打开动力卡瓦，防止管具发生掉落。

5) 液压吊卡与二层台排管机管具交接互锁控制。排管至指梁交接时，二层台排管机钳头未关闭时禁止打开液压吊卡。相反，送管至井口交接时，液压吊卡未关闭时禁止打开二层台排管机钳头，防止交接管具发生掉落。

6) 泥浆泵与顶驱内防喷器互锁控制。泥浆泵处于工作状态时，禁止顶驱内防喷器关闭。相反，顶驱内防喷器处于关闭状态时，禁止泥浆泵启动工作，防止泥浆泵憋压造成安全事故。

7) 旋转设备(顶驱、转盘)与防喷器互锁控制。防喷器处于关闭状态时，禁止旋转设备(顶驱、转盘)转动，防止钻具的旋转运动导致防喷器胶芯的破坏。

8) 顶驱吊环高位防碰控制。顶驱高于钻台面一定高度时，禁止吊环向外伸出，防止吊环碰撞井架。

考虑到现场作业的特殊工况需要，设置2种防碰互锁“屏蔽”功能。一种是有相应权限的操作人员在HMI操作显示界面上取消单独的保护逻辑，这种调整方式用于一段时间内的取消防碰互锁。另外一种是在司钻椅终端的操作手柄上设置固定的快捷按钮，用于临时取消防碰互锁，满足现场操作使用的灵活性。

1.4 远程监测模块

远程监测模块主要是在远离钻机现场的服务中心实现对钻机各设备的作业状态、参数进行实时监控。该模块主要包含现场服务器、防火墙、网关、云平台、远程监测中心等。集成控制PLC具有钻机现场完整的各设备传感器数据信息，远程监测服务器与集成控制PLC连接，获取各设备运行数据并形成数据包，经过网关无线远程传输至远程监测服务中心，如图6所示。

2 管具处理自动化方案

模块钻机目前已形成标准化体系，在设计及建造过程中先后执行中海油企业标准Q/HS 9002-2009《海洋石油模块钻机》、国家标准GB/T 29549-2013《海上石油固定平台模块钻机》规范的要求，各模块钻机的布置方案基本类似。本文根据现有模块钻机的主流布置现状，进行自动化技术应用研究，具体设备配套方案如图7所示。

图6 远程监测系统模块

1-动力猫道；2-钻台机械手；3-铁钻工；4-泥浆防喷盒；5-绞车；6-双司钻集成控制系统；7-二层台排管机；8-缓冲机械手。图7 海上模块钻机自动化技术应用方案

在模块钻机上配套双司钻集成控制系统，同时配套动力猫道、缓冲机械手、二层台排管机、钻台机械手、铁钻工、泥浆防喷盒等自动化管具处理设备。

2.1 动力猫道

动力猫道用于将DSM顶层堆场中的管具输送至DES钻台面上。该动力猫道坐落在DSM模块之上，上端连接到钻台结构上，可跟随DES模块在不同的井位移动，如图8a所示。自动化动力猫道(如图8b所示)采用电控液的方式，具有司钻房内集成控制、无线遥控和本地控制等3种控制方式，并对每种操作方式设定不同的优先级和操作权限，保证只有获得操作权限的终端才能对猫道进行操作控制。

图8 海上模块钻机动力猫道技术方案

2.2 二层台排管机

二层台排管机安装在井架二层台的舌台下方，替代传统钻机中的井架工，采用推扶式设计，用于抓取/排放管具立根，如图9所示。二层台排管机由辅司钻在司钻集成座椅上进行远程操作控制，通过显示屏获得排管机和动力指梁的实时状态和位置，并通过安装在排管机钳头和指梁上方的摄像头进行实时确认，可实现二层台区域的无人化作业，不再需要人员在二层台进行高空作业，极大改善了作业环境。

另外，二层台排管机设置多种一键式操作，可按照设定的流程实现自动排管、自动取管作业，操作人员只需对流程的关键节点进行确认即可，作业效率高。目前该类型的二层台排管机在陆地钻机上已实现成熟应用。

图9 兰石研发的海上模块钻机二层台排管机技术方案

2.3 钻台机械手

钻台机械手安装在钻台上，用于扶持管具下端至立根盒或井口处，替代钻台工的手动推扶管具作业，如图10所示。钻台机械手采用电控液的方式，具有司钻房内集成控制、无线遥控和本地控制等3种控制方式，代替人工将管具扶持到位。

图10 兰石研发的海上模块钻机钻台机械手技术方案

2.4 铁钻工

采用基座伸缩臂式铁钻工，铁钻工可到达鼠洞和井口位置，实现钻具的自动化上卸扣作业，替代传统液气大钳作业，如图11所示。铁钻工采用电控液的方式，具有司钻房内集成控制、无线遥控和本地控制等3种控制方式，配套一键操作功能，可实现一键上扣(到达目标作业位置、旋扣、紧扣、返回待命)、一键卸扣(到达目标作业位置、卸扣、旋扣、反馈待命)等自动化流程操作，与液气大钳相比，上卸扣操作时钻台无需有人员操作，现场的劳动强度大为降低，作业更安全。

图11 兰石研发的海上模块钻机铁钻工方案

2.5 缓冲机械手

缓冲机械手安装在井架背部结构上，用于对从猫道移运上钻台的管具进行缓冲，可推扶管具至鼠洞位置、井口位置，如图12。缓冲机械手采用电控液的方式，在司钻房内进行集成控制。

图12 海上模块钻机缓冲机械手技术方案

2.6 泥浆防喷盒

泥浆防喷盒用于在起钻过程中对钻柱内的泥浆进行收集，避免泥浆在钻台上喷洒，使钻台面保持清洁的环境。泥浆防喷盒可独立安装在钻台面上，也可与铁钻工进行集成。图13为兰石开发的2种形式的泥浆防喷盒。

图13 兰石开发的2种泥浆防喷盒

2.7 动力鼠洞

动力鼠洞主要用于预存单根或者作为钻机在接立根，或者甩单根时的中转站，具有管具对中、夹持和高度调整功能，采用该装置能够使铁钻工在鼠洞处实现管具上卸扣，效率较高，是在模块钻机上推荐配套的设备。

3 钻井液处理自动化方案

钻井液处理主要包括罐装散料处理、钻井液混合及输送2部分，如图14所示。罐装散料处理主要流程是从平台两侧的加载站输送散料至灰罐、各灰罐之间的材料传输、灰罐到缓冲罐之间传输等。当前模块钻机上的钻井液处理流程中主要配套的是手动阀，需要工人去现场打开或者关闭对应的阀门。在最近几年新建造的海洋深水钻井平台中，已将该部分的阀升级为远程遥控操作，可以在远端HMI操作界面上实时显示各个阀当前的状态，在界面上远程操作阀门的打开和关闭。

图14 散料输送及钻井液混合远程HMI操作界面

采用上述方案，将手动阀改为远程电控阀，将混合泵实现远程操作，同时可设定常用的自动操作模式，实现系统自动混合设定的泥浆密度、自动添加设定的散料质量流量等。人员不需要再去现场进行手动操作，劳动强度降低，作业效率大幅提高。进行升级时不需要对现有设计流程进行改动，只需要将相关的阀和泵升级为远程操控方式，同时设计相关的控制程序。

4 关井自动化方案

目前，中海油在用的海洋模块钻机的防喷器系统在实施溢流和井喷时，一般都需要工人进行每一步的操作和确认，按照图15中的流程一步步手动操作完成[10-11]。

图15 关井作业流程图

这种操作模式流程复杂，耗时较长，并且紧急情况下容易出现误操作，任何一个环节出错都可能给安全生产带来隐患和风险。

自动化关井是在原有井控系统的PLC程序上进行改进，把图15中虚线框内的4个动作整合起来，当司钻操作上提钻具至防喷器合适位置后，直接实施一键式操作，系统按照设定的步骤自动完成，整个过程由PLC控制，实现一键关井。

这种一键式自动关井在模块钻机上主要涉及泥浆泵、顶驱、节流压井管汇等不同的设备配套厂家，在设计时需要防喷器控制系统配套厂家统一整合相关设备的接口信号，做好接口界面，在现有的井控系统PLC程序中完善相关设计即可投入应用。建议在模块钻机上考虑配套一键关井的功能，减少人工手动关井操作的风险。

5 结论

1) 自动化、智能化是海上模块钻机今后重点的研发配套方向。本文研究了现有海上模块钻机进行自动化升级的可行性实施方案。

2) 司钻控制系统升级，配套双司钻集成控制系统，系统内集成一体化仪表、防碰互锁、远程监测等模块，操作人员可在2台集成座椅上实现对钻机设备的操作控制，操作方便安全，并可实现在远程对钻机设备参数、状态的实时监控，掌控钻机运行状态。

3) 管具处理自动化升级，配套动力猫道、二层台排管机、钻台面机械手、铁钻工等自动化处理设备，实现二层台区域、钻台区域的无人化作业，减少人员在危险区域的工作，提高钻机自动化作业程度、作业效率以及现场作业安全性。

4) 钻井液处理自动化升级，实现对阀门及混合泵的远控操作，实现泥浆密度调整、散料添加的自动化。

5) 关井自动化升级，将多种分步骤操作合为一键式操作，降低紧急关井情况下人为误操作的可能性。