深水平台钻井控制系统浅析

初建树

（中远船务集团工程有限公司，辽宁大连 116600）

0 引言

由于全球经济对于原油的依赖度不断增加，陆上石油资源已经不能满足日益增长的石油消费，海洋石油资源成为石油开采的新的增长极。特别是近十年来油价不断攀升，深水开采技术日益成熟，迈向蓝海寻求石油成为许多国家的解决石油困境的唯一途径。而进行深海石油开采所需要的平台不仅建造成本高，科技含量高，且信息化集成度非常高，钻井模块的控制系统更是重要组成部分。当进行海上作业时，钻井控制系统（DCS）的对海况及海底钻探过程的实时监控和响应保障了钻井过程平稳运行，更是通过与中央控制系统（IAS）和动力定位系统（DPS）等控制系统相互通信配合，确保整个平台的安全性。

1 深水钻井控制系统基本结构

目前世界上工作的最先进的第六代深水钻井平台，在钻井效率、自动化程度、可靠性方面都有着其它平台无可比拟的先进性，钻井控制系统作为平台集控系统的重要组成部分，对整个钻井施工的过程监控与信息管理具有十分重要的作用，不可忽视。通过对已交付的超深水钻井平台的钻井控制系统以及目前在建的国内钻井船项目的钻井控制系统进行研究，深水钻井控制系统基本结构如图1所示。从图中可以看出，钻井控制系统是一套相对独立的控制系统，有两个主服务器，并配有主副两个操作站供平台主副司钻员使用，操作站有专门的监控面板，钻井系统各子系统状态均可由面板上面的组态软件呈现，司钻员可通过摇杆、触屏和键盘等多种方式对系统进行控制。对于钻井系统中各分支系统也有相应的控制子系统进行控制，并将数据反馈到主服务器然后通过监视器反馈状态，这其中包括钻探设备的控制、钻管提升设备的控制、泥浆处理设备的控制、绞车的控制、液压和补偿设备的控制，以及套管张紧设备的控制等多个子系统。整个系统通过分布式结构将子控制系统所控制的设备信息处理并传输给主服务器统一管理，增强了系统的鲁棒性。同时两个主服务器亦可以在特殊情况下分别对子系统进行控制，满足系统冗余性，为平台的安全提供了有力保障[1-3]。

图1 钻井控制系统基本结构图

2 重要组成部分和接口

作为整个深水钻井控制系统的核心部分，钻井中央控制系统是整个钻井设备运作的中枢神经，各部分设备通过分控制系统协调控制使钻井过程稳定的、平衡的、安全的运行。其中主要包括钻井视窗系统、提升控制系统、泥浆循环系统、旋转控制系统及数据监控等。下面将对各部分做简要介绍。

1）视窗系统是整个钻井控制系统的眼睛。通过视窗系统，各系统数据可以以组态软件的形式在视窗中反映出来，让操作人员对可以直观的了解到系统中各部分的参数变化，目前几家主流的井控设备提供商的视窗系统均与司钻工作站集成在一起，这样的好处是可以在控制的同时监控各系统实际参数指标的变化，提高了操作的安全性。同时视窗系统软件中设置了相应的报警限制，一旦数据出现波动触及报警，操作人员可以第一时间了解相关情况。视窗系统相关硬件及工作站如图2所示。工作站配备控制组件，视窗硬件主要是显示器，集成在工作站上，方便监控。从图中可以看出，除了控制和监视设备外，一般还配有通讯装置，方便内外部操作人员沟通[4]。

图2 吊装框架结构设计形式

2）提升控制系统是钻井控制系统的重要组成部分，其中包括了绞车控制子系统，行车控制系统等。绞车系统虽然算是提升系统的范畴，但近年来由于技术不断发展已经转变为相对独立的一套系统。深水平台的主流产品中绞车控制主要包含如下几个方面。

（1）刹车控制主要包含反馈制动，涡流制动以及刹车片制动三种形式。

其中反馈制动即在自动操作模式下将主马达和辅助马达制动时反馈的电能贮存起来或反馈到电网中，以减少操作时电能的消耗。

涡流制动为一种动态刹车控制，通过涡流刹车控制系统从轮毂主轴反馈的信息，通过涡流电磁影响为主轴施加反相作用力，从而降低主轴转速，达到刹车效果。

刹车片刹车系统原理最为简单，通过液压装置驱动刹车片对刹车轮片进行抱死，一般多用于紧急情况及绞车锁定。

（2）区域定位系统主要通过PLC控制器对绞车实际参数进行不间断计算以确保绞车可靠性及停止在安全操作范围内。其主要的数据采集通过load sensor、encoder和接近开关等。

（3）自动伺钻系统由几个相对独立的自动控制马达及变频装置组成。为了达到自动控制的目的，变频器需要提供一个变频频段用以让马达转速达到数百到数千RPM（根据不同项目及设备而不同），通过调节马达转速用来辅助主马达对绞车进行调节控制。

行车系统的控制主要由行车控制台通过操作杆，运用液压动力进行操作。此处不再赘述[5-6]。

3）泥浆循环系统的主要动力源是高压泥浆泵，一般是三缸曲轴高压泵，由一到两个直流或者交流电机经皮带或链条驱动，其作用是将调配好的泥浆注入井口。

而作为泥浆循环系统的主要部分——泥浆，主要是通过散料系统、混合系统、搅拌系统等将固态和液态原料按比例进行调配，根据不同海域及海底岩质等调配成不同的泥浆液用于钻井过程。注入的泥浆还要经过合理配比及定量计算，用以确保等量泥浆注入并能返回，这一过程中需要通过trip tank以及流量计等进行精确的测量和控制。

上述泥浆循环系统中所提到的三个小系统一般统称低压泥浆系统，可根据项目实际情况进行分散控制或集成控制。作为相对独立的小系统，此系统也和 DCS系统有直接接口用于上位机监控设备实际运作状况。主要以报警及物料存量等相关参数为主。

4）旋转系统主要包括顶驱及转盘。在老式的钻井平台上，转盘有驱动钻杆旋转的作用，但是在新式的平台上，钻杆的转动大多是由顶驱上的变频马达驱动完成的。

5）数据监控由诸多传感器采集完成，整个钻井仪表系统中主要的传感器包含如下：

（1）泥浆泵冲程计数：采集泥浆泵的冲程数，用于了解泥浆泵的输出压力。

（2）绞车编码器：通过编码器来确定作业时轮毂的转动圈数，可以判断作业井深及吨公里数等。

（3）顶驱扭矩传感器：通过扭矩传感器反馈的数据可以判断顶驱转动的速度是否合理以及钻杆承受的横向扭力。同时为了更好的辅助顶驱工作一般在顶驱马达控制程序中还要加入soft torque程序，可以通过 PLC计算采集数据直接对马达输出扭力进行更为精确的控制，防止出现因扭力过大折损钻杆的事故。

（4）立管压力传感器：立管压力值基本上就是泥浆进入注入井口的压力值，可通过与高压泥浆泵冲程值对比进行大致的检查。

（5）泥浆罐液位传感器：此类传感器一般为雷达式，用声波测量泥浆液位的高度，精度要远高于一般传感器，用来辅助泥浆系统。

还有很多诸如流量传感器，压力传感器等用于不同系统中也都对整个 DCS监控提供了必要的帮助。

6）主要接口包括防井喷(BOP)控制系统，动态定位(DP)控制系统，集成动化(IAS)控制系统，节流压井(C&K)控制系统等，如图3所示。

图3 钻井系统主要接口

BOP控制系统与钻井控制系统的主要接口为Riser Recoil接口，此接口的主要作用通过数据传输将LMRP的状态信息传输到钻井控制系统，以通过riser tension系统及时补偿因riser与BOP脱离所产生的瞬时反冲力，保护整个平台的安全。

另一个主要接口为钻井系统与 DP系统的接口。此接口通过Riser Management System(RMS)将钻井系统中张紧器的相关数据发送到DP控制系统进行数据分析，通过对张紧器参数的分析得到水下部分特别是隔水套管对平台的实际拉力，据此来调整平台姿态以保持平台保持在一个相对稳定且安全的姿态。

第三个主要的接口为钻井控制系统与平台自动化系统的通讯。此部分通讯分为三部分，分别是对钻井系统仪器仪表信号的通讯，低压钻井辅助设备马达状态的通讯以及大型钻井设备变频马达的通讯。因数据种类繁多，此处不一一赘述。需要注意的一点是变频控制因工况和设计十分复杂实验时需要做预调检查，以免对设备引起不必要的伤害。

节流压井控制系统与钻井系统的接口相对简单。主要是节流压井管汇的仪表系统等数据传输及反馈到钻井控制系统，为司钻员操作水下控制提供数据支持。如下图4所示[7]。

图4 节流压井控制系统系统图

3 结语

通过对钻井控制单元的简单分析和接口研究，可以对深水平台钻井设备的电气控制系统有一个大致的了解，对其设计安装接口有一个清晰的把握。本文仅对相关主要组成部分及接口进行描述和分析，很多细节上的接口需要在工作中注意分析和分类，在对同类型平台产品进行设计时可以进行对比参考。

[1]陈磊, 郭昭学, 孙凯, 等.海洋深水钻井技术研究[J].天然气技术, 2009, 3(6): 37-39.

[2]廖谟圣.世界超深水平台发展综述[J].中国海洋平台,2008, 23(4): 1-7.

[3]王立文.深水和超深水区油气勘探难点技术及发展趋势[J].中国石油勘探, 2010, 15(4): 71-75.

[4]Aker MH AS.Drillview Function Description.

[5]侯福祥, 王辉, 任荣权, 胡志坚.海洋深水钻井关键技术及设备 [J].石油矿场机械, 2009, 38(12): 1-4.

[6]张勇.海洋钻机井架技术现状及发展趋势[J].石油机械, 2009, 37(8): 92-95.

[7]Thierry Botrel.Off setting kill and choke lines friction losses, a new method for deep water well control[R].SPE 67813, 2001.