深水平臺(tái)鉆井控制系統(tǒng)淺析

初建樹(shù)

（中遠(yuǎn)船務(wù)集團(tuán)工程有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

由于全球經(jīng)濟(jì)對(duì)于原油的依賴度不斷增加，陸上石油資源已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的石油消費(fèi)，海洋石油資源成為石油開(kāi)采的新的增長(zhǎng)極。特別是近十年來(lái)油價(jià)不斷攀升，深水開(kāi)采技術(shù)日益成熟，邁向藍(lán)海尋求石油成為許多國(guó)家的解決石油困境的唯一途徑。而進(jìn)行深海石油開(kāi)采所需要的平臺(tái)不僅建造成本高，科技含量高，且信息化集成度非常高，鉆井模塊的控制系統(tǒng)更是重要組成部分。當(dāng)進(jìn)行海上作業(yè)時(shí)，鉆井控制系統(tǒng)（DCS）的對(duì)海況及海底鉆探過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和響應(yīng)保障了鉆井過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行，更是通過(guò)與中央控制系統(tǒng)（IAS）和動(dòng)力定位系統(tǒng)（DPS）等控制系統(tǒng)相互通信配合，確保整個(gè)平臺(tái)的安全性。

1 深水鉆井控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

目前世界上工作的最先進(jìn)的第六代深水鉆井平臺(tái)，在鉆井效率、自動(dòng)化程度、可靠性方面都有著其它平臺(tái)無(wú)可比擬的先進(jìn)性，鉆井控制系統(tǒng)作為平臺(tái)集控系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)整個(gè)鉆井施工的過(guò)程監(jiān)控與信息管理具有十分重要的作用，不可忽視。通過(guò)對(duì)已交付的超深水鉆井平臺(tái)的鉆井控制系統(tǒng)以及目前在建的國(guó)內(nèi)鉆井船項(xiàng)目的鉆井控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，深水鉆井控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，鉆井控制系統(tǒng)是一套相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，有兩個(gè)主服務(wù)器，并配有主副兩個(gè)操作站供平臺(tái)主副司鉆員使用，操作站有專門的監(jiān)控面板，鉆井系統(tǒng)各子系統(tǒng)狀態(tài)均可由面板上面的組態(tài)軟件呈現(xiàn)，司鉆員可通過(guò)搖桿、觸屏和鍵盤等多種方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)于鉆井系統(tǒng)中各分支系統(tǒng)也有相應(yīng)的控制子系統(tǒng)進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)反饋到主服務(wù)器然后通過(guò)監(jiān)視器反饋狀態(tài)，這其中包括鉆探設(shè)備的控制、鉆管提升設(shè)備的控制、泥漿處理設(shè)備的控制、絞車的控制、液壓和補(bǔ)償設(shè)備的控制，以及套管張緊設(shè)備的控制等多個(gè)子系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)分布式結(jié)構(gòu)將子控制系統(tǒng)所控制的設(shè)備信息處理并傳輸給主服務(wù)器統(tǒng)一管理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)兩個(gè)主服務(wù)器亦可以在特殊情況下分別對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行控制，滿足系統(tǒng)冗余性，為平臺(tái)的安全提供了有力保障[1-3]。

圖1 鉆井控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2 重要組成部分和接口

作為整個(gè)深水鉆井控制系統(tǒng)的核心部分，鉆井中央控制系統(tǒng)是整個(gè)鉆井設(shè)備運(yùn)作的中樞神經(jīng)，各部分設(shè)備通過(guò)分控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制使鉆井過(guò)程穩(wěn)定的、平衡的、安全的運(yùn)行。其中主要包括鉆井視窗系統(tǒng)、提升控制系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)監(jiān)控等。下面將對(duì)各部分做簡(jiǎn)要介紹。

1）視窗系統(tǒng)是整個(gè)鉆井控制系統(tǒng)的眼睛。通過(guò)視窗系統(tǒng)，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以以組態(tài)軟件的形式在視窗中反映出來(lái)，讓操作人員對(duì)可以直觀的了解到系統(tǒng)中各部分的參數(shù)變化，目前幾家主流的井控設(shè)備提供商的視窗系統(tǒng)均與司鉆工作站集成在一起，這樣的好處是可以在控制的同時(shí)監(jiān)控各系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)指標(biāo)的變化，提高了操作的安全性。同時(shí)視窗系統(tǒng)軟件中設(shè)置了相應(yīng)的報(bào)警限制，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)觸及報(bào)警，操作人員可以第一時(shí)間了解相關(guān)情況。視窗系統(tǒng)相關(guān)硬件及工作站如圖2所示。工作站配備控制組件，視窗硬件主要是顯示器，集成在工作站上，方便監(jiān)控。從圖中可以看出，除了控制和監(jiān)視設(shè)備外，一般還配有通訊裝置，方便內(nèi)外部操作人員溝通[4]。

圖2 吊裝框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

2）提升控制系統(tǒng)是鉆井控制系統(tǒng)的重要組成部分，其中包括了絞車控制子系統(tǒng)，行車控制系統(tǒng)等。絞車系統(tǒng)雖然算是提升系統(tǒng)的范疇，但近年來(lái)由于技術(shù)不斷發(fā)展已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)獨(dú)立的一套系統(tǒng)。深水平臺(tái)的主流產(chǎn)品中絞車控制主要包含如下幾個(gè)方面。

（1）剎車控制主要包含反饋制動(dòng)，渦流制動(dòng)以及剎車片制動(dòng)三種形式。

其中反饋制動(dòng)即在自動(dòng)操作模式下將主馬達(dá)和輔助馬達(dá)制動(dòng)時(shí)反饋的電能貯存起來(lái)或反饋到電網(wǎng)中，以減少操作時(shí)電能的消耗。

渦流制動(dòng)為一種動(dòng)態(tài)剎車控制，通過(guò)渦流剎車控制系統(tǒng)從輪轂主軸反饋的信息，通過(guò)渦流電磁影響為主軸施加反相作用力，從而降低主軸轉(zhuǎn)速，達(dá)到剎車效果。

剎車片剎車系統(tǒng)原理最為簡(jiǎn)單，通過(guò)液壓裝置驅(qū)動(dòng)剎車片對(duì)剎車輪片進(jìn)行抱死，一般多用于緊急情況及絞車鎖定。

（2）區(qū)域定位系統(tǒng)主要通過(guò)PLC控制器對(duì)絞車實(shí)際參數(shù)進(jìn)行不間斷計(jì)算以確保絞車可靠性及停止在安全操作范圍內(nèi)。其主要的數(shù)據(jù)采集通過(guò)load sensor、encoder和接近開(kāi)關(guān)等。

（3）自動(dòng)伺鉆系統(tǒng)由幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的自動(dòng)控制馬達(dá)及變頻裝置組成。為了達(dá)到自動(dòng)控制的目的，變頻器需要提供一個(gè)變頻頻段用以讓馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到數(shù)百到數(shù)千RPM（根據(jù)不同項(xiàng)目及設(shè)備而不同），通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速用來(lái)輔助主馬達(dá)對(duì)絞車進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

行車系統(tǒng)的控制主要由行車控制臺(tái)通過(guò)操作桿，運(yùn)用液壓動(dòng)力進(jìn)行操作。此處不再贅述[5-6]。

3）泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ词歉邏耗酀{泵，一般是三缸曲軸高壓泵，由一到兩個(gè)直流或者交流電機(jī)經(jīng)皮帶或鏈條驅(qū)動(dòng)，其作用是將調(diào)配好的泥漿注入井口。

而作為泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要部分——泥漿，主要是通過(guò)散料系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)等將固態(tài)和液態(tài)原料按比例進(jìn)行調(diào)配，根據(jù)不同海域及海底巖質(zhì)等調(diào)配成不同的泥漿液用于鉆井過(guò)程。注入的泥漿還要經(jīng)過(guò)合理配比及定量計(jì)算，用以確保等量泥漿注入并能返回，這一過(guò)程中需要通過(guò)trip tank以及流量計(jì)等進(jìn)行精確的測(cè)量和控制。

上述泥漿循環(huán)系統(tǒng)中所提到的三個(gè)小系統(tǒng)一般統(tǒng)稱低壓泥漿系統(tǒng)，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行分散控制或集成控制。作為相對(duì)獨(dú)立的小系統(tǒng)，此系統(tǒng)也和 DCS系統(tǒng)有直接接口用于上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備實(shí)際運(yùn)作狀況。主要以報(bào)警及物料存量等相關(guān)參數(shù)為主。

4）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要包括頂驅(qū)及轉(zhuǎn)盤。在老式的鉆井平臺(tái)上，轉(zhuǎn)盤有驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)的作用，但是在新式的平臺(tái)上，鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)大多是由頂驅(qū)上的變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)完成的。

5）數(shù)據(jù)監(jiān)控由諸多傳感器采集完成，整個(gè)鉆井儀表系統(tǒng)中主要的傳感器包含如下：

（1）泥漿泵沖程計(jì)數(shù)：采集泥漿泵的沖程數(shù)，用于了解泥漿泵的輸出壓力。

（2）絞車編碼器：通過(guò)編碼器來(lái)確定作業(yè)時(shí)輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，可以判斷作業(yè)井深及噸公里數(shù)等。

（3）頂驅(qū)扭矩傳感器：通過(guò)扭矩傳感器反饋的數(shù)據(jù)可以判斷頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是否合理以及鉆桿承受的橫向扭力。同時(shí)為了更好的輔助頂驅(qū)工作一般在頂驅(qū)馬達(dá)控制程序中還要加入soft torque程序，可以通過(guò) PLC計(jì)算采集數(shù)據(jù)直接對(duì)馬達(dá)輸出扭力進(jìn)行更為精確的控制，防止出現(xiàn)因扭力過(guò)大折損鉆桿的事故。

（4）立管壓力傳感器：立管壓力值基本上就是泥漿進(jìn)入注入井口的壓力值，可通過(guò)與高壓泥漿泵沖程值對(duì)比進(jìn)行大致的檢查。

（5）泥漿罐液位傳感器：此類傳感器一般為雷達(dá)式，用聲波測(cè)量泥漿液位的高度，精度要遠(yuǎn)高于一般傳感器，用來(lái)輔助泥漿系統(tǒng)。

還有很多諸如流量傳感器，壓力傳感器等用于不同系統(tǒng)中也都對(duì)整個(gè) DCS監(jiān)控提供了必要的幫助。

6）主要接口包括防井噴(BOP)控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)定位(DP)控制系統(tǒng)，集成動(dòng)化(IAS)控制系統(tǒng)，節(jié)流壓井(C&K)控制系統(tǒng)等，如圖3所示。

圖3 鉆井系統(tǒng)主要接口

BOP控制系統(tǒng)與鉆井控制系統(tǒng)的主要接口為Riser Recoil接口，此接口的主要作用通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸將LMRP的狀態(tài)信息傳輸?shù)姐@井控制系統(tǒng)，以通過(guò)riser tension系統(tǒng)及時(shí)補(bǔ)償因riser與BOP脫離所產(chǎn)生的瞬時(shí)反沖力，保護(hù)整個(gè)平臺(tái)的安全。

另一個(gè)主要接口為鉆井系統(tǒng)與 DP系統(tǒng)的接口。此接口通過(guò)Riser Management System(RMS)將鉆井系統(tǒng)中張緊器的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到DP控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)對(duì)張緊器參數(shù)的分析得到水下部分特別是隔水套管對(duì)平臺(tái)的實(shí)際拉力，據(jù)此來(lái)調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)以保持平臺(tái)保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且安全的姿態(tài)。

第三個(gè)主要的接口為鉆井控制系統(tǒng)與平臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊。此部分通訊分為三部分，分別是對(duì)鉆井系統(tǒng)儀器儀表信號(hào)的通訊，低壓鉆井輔助設(shè)備馬達(dá)狀態(tài)的通訊以及大型鉆井設(shè)備變頻馬達(dá)的通訊。因數(shù)據(jù)種類繁多，此處不一一贅述。需要注意的一點(diǎn)是變頻控制因工況和設(shè)計(jì)十分復(fù)雜實(shí)驗(yàn)時(shí)需要做預(yù)調(diào)檢查，以免對(duì)設(shè)備引起不必要的傷害。

節(jié)流壓井控制系統(tǒng)與鉆井系統(tǒng)的接口相對(duì)簡(jiǎn)單。主要是節(jié)流壓井管匯的儀表系統(tǒng)等數(shù)據(jù)傳輸及反饋到鉆井控制系統(tǒng)，為司鉆員操作水下控制提供數(shù)據(jù)支持。如下圖4所示[7]。

圖4 節(jié)流壓井控制系統(tǒng)系統(tǒng)圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鉆井控制單元的簡(jiǎn)單分析和接口研究，可以對(duì)深水平臺(tái)鉆井設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)有一個(gè)大致的了解，對(duì)其設(shè)計(jì)安裝接口有一個(gè)清晰的把握。本文僅對(duì)相關(guān)主要組成部分及接口進(jìn)行描述和分析，很多細(xì)節(jié)上的接口需要在工作中注意分析和分類，在對(duì)同類型平臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行對(duì)比參考。

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