一种深水钻井平台钻井设备智能化操作系统探讨

时培正魏庆彩李杨

（1．中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北三河065201）

（2．中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000）

一种深水钻井平台钻井设备智能化操作系统探讨

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（1．中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北三河065201）

（2．中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000）

本文简单介绍了钻井设备智能化操作原理、组成和智能防碰系统（SZMS），通过海洋石油981与南海五号铁钻工井口对钻杆上扣操作程序的比较，说明了智能化操作的优越性以及对操作人员提出的高要求。

智能化；钻井设备；传感器；PLC；超级铁钻工

1 钻井设备智能化操作原理

钻井设备智能化操作其实就是由传感器把钻井设备作业状况信号通过线路传递给WAGO模块，WAGO模块又把信号传递给超级计算机，超级计算机又把信号传递到智能操作椅，显示给操作者，而操作者根据这些信号从智能操作椅发出相关指令，操作椅把指令传递给超级计算机，超级计算机再把指令传递给WAGO模块，WAGO模块把指令通过线路传递给执行者，使执行者按操作者的意图动作，从而使钻井设备产生相应的动作。

以智能操作超级铁钻工为例：传感器（AD）把超级铁钻工的工况信号经过线路和两个接线盒传递到本地仪表间的WAGO模块，WAGO模块又把信号传递到本地仪表间的超级计算机，超级计算机把信号传递到智能操作椅（IOC），从而反馈给操作者，操作者根据这些信号从智能操作椅发出指令，智能操作椅把指令传递到本地仪表间的超级计算机，超级计算机把指令传递到本地仪表间的WAGO模块，WAGO模块通过线路和两个接线盒把指令传递给执行者，使这些阀门按操作者的意图开关，从而使超级铁钻工执行指令，实现了对超级铁钻工的智能化操作。

2 钻井设备智能化操作的必需组成

2.1 传感器

钻井设备常用的传感器以下几种：接近开关--就是一个能够不通过物理接触而发现附近的物体的传感器；距离传感器--探测传感器到物体的距离，传感器测量声波返回到传感器产生共鸣之前的时间；气缸/长度测量--线性电位计给出一个模拟输入信号；温度测量--通过热敏电阻把温度转化成电流；压力测量--压力传送器把一个物理压力转换成电流；载荷测量--载荷元件是砝码，把重量转化成4到20毫安的电流。重量越重，电流越大；绝对脉冲编码器/轴间角编码器--储存位置,测量位置；增量式编码器/轴端编码器--不储存位置，测量速度.。

2.2 线路

就是传输信号的线路，实际上就是电线。

2.3 接线盒

当线路比较长，或者线路管要转角时，在线路的接头部位就采用接线盒作为过渡用，线路管与接线盒连接，线管里面的线路在接线盒中连起来，起到保护线路和连接电线的作用。

2.4 WAGO模块

就是一个将从传感器得到的“语言”转化成超级计算机“语言”或将超级计算机“语言”转化成执行者“语言”的编译器。

2.5 超级计算机

是智能化系统的核心，是整个系统的“大脑”，实际上就是可编程控制器（PLC）。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

2.6 智能操作椅

是超级计算机的输入端，通过触摸屏、操纵杆、鼠标和键盘等输入操作者的指令。

2.7 执行者

接受指令后动作，从而使钻井设备动作。例如：超级铁钻工液压管线的阀门，在接受到WAGO给予的不同信号（电压）将会产生不同的流通液路（如图2），从而使超级铁钻工产生不同的动作。

3 智能防碰系统

智能防碰系统简称SZMS，就是设计钻井设备智能化解决方案中的安全要求，该系统可以防止钻井设备碰撞以及由此造成的人员伤害等，其工作原理有虚拟箱感应防碰和互锁防碰两种。所谓虚拟箱感应防碰撞就是说，SZMS控制的所有设备都被分别且完全包含在各个虚拟箱中，该虚拟箱会随着设备的移动或改变形状而发生改变，如果两个设备靠近时，它们的虚拟箱会相互感应为防止碰撞而使设备减速，甚至停止设备；而互锁防碰就是SZMS中相关设备会有互锁功能，如：当吊卡扣住钻杆，且铁钻工钳牙夹紧钻杆时，SZMS将禁止起车。

4 智能化操作与传统操作比较

以海洋石油981和南海五号井口铁钻工上扣操作为例进行比较：

（1）智能化操作的准备工作要比传统操作的复杂；

（2）由于操作界面的复杂性，智能化操作要求操作者具有一定的英语水平，而传统操作没有此要求；

（3）在操作过程中，传统操作需要步步都操作，而智能化操作只需要手指动三下，大大减少了劳动量；

（4）智能化操作与传统操作相比，实现作业人员远离设备操作区域，大大降低了工作人员受到意外伤害的风险，更加安全；

（5）智能化操作的步骤大大减少，从而大大减少了作业时间，提高作业时效。

5 结语

（1）钻井设备智能化：由传感器把钻井设备作业状况信号通过线路传递给WAGO模块，WAGO模块又把信号传递给超级计算机，超级计算机又把信号传递到智能操作椅，显示给操作者，而操作者根据这些信号从智能操作椅发出相关指令，操作椅把指令传递给超级计算机，超级计算机再把指令传递给WA⁃GO模块，WAGO模块把指令通过线路传递给执行者，使执行者按操作者的意图动作，从而使钻井设备产生相应的动作；

（2）钻井设备智能化操作的必须组成：钻井设备、传感器、线路、接线盒、本地仪表间的WAGO模块和超及计算机、智能操作椅和操作者八个部分；

（3）与传统操作相比，智能操作具有以下特点：（1）大大减少劳动量；（2）更加安全；（3）提高作业时效；（4）准备工作复杂；（5）要求操作者具有一定的英语水平。

[1]SIMATIC培训中心，SIMATIC.STEP7V5.4编程使用手册[M]，西门子股份有限公司，2006，43-49.

时培正(1985-)，男，中级职称，从事海洋石油钻井技术工作。