Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ・自动化控制 浅谈海洋石油模块钻机自动化发展存在的问题及对策 键词】模块钻机自动化问题对策 毫块钻机的定义 模块化钻机，也即块状钻机，是指按便 装、模块功能的要求将钻井装置分装在不 Ｊ底座上，在装拆移动，分块运输方面优势 ０ 模块钻机的出现使得海洋钻井事业得到 ！前的进步，主要体现在高度集装化、安装 性能、良好的操作性能等等。 相比移运式钻机，模块钻机在拆卸、移 】安装等方面都发挥着不可替代的优势。即 ；运性上移运式钻机稍胜于模块钻机，但是 ：境适应能力，钻井能力和范围，井架稳定 钻机布置，性价比等方面模块钻机都独占 ：。这些优点足以可以弥补其缺陷与不足。 ≤块钻机的现状及发展 国外模块钻机的现状 目前在美国、加拿大等国家，模块钻机应 泛，技术已比较成熟。最有名的是Ｖａｒｃｏ Ｉ和Ｎａｔｉｏｎａｌ—ｏｉｌｖｅｌｌ公司，这类钻机有如下 特点： （１）模块钻机移运性能迅速增加，模块 ｌ的关键竞争力是快速搬迁的能力。 （２）模块钻机趋向结构形式多样化和大 发展。如Ｖａｒｃｏ公司的模块钻机，其功率 ４４７７ｋＷ，钻井深度可达一万五千米。 （３）新型一体化旋升式井架占用井场面 小，多节自升式井架的起放比较安全，这 使模块钻机在钻井过程中更稳定。 （４）传动更加简单得益于电气传动技术 步，特别是使用了交流变频驱动技术。 （５）注重以人为本，更加适应操作需求。 （６）立根自动排放机构、顶部驱动钻井 ！、盘式刹车及铁钻工等装置的使用，使钻 『动化、智能化由理论变为现实，科学钻井 文／胡泽刚 的可能得以慢慢实现。 国外先进水平相比落差很大； ２．２国内模块钻机的现状 （４）机械化工具品种很少或者缺乏完备 的硬件设施： 我国对模块钻机的研究相对国外而言则 （５）多数钻机都是常规钻机，只考虑正 较少，早在上个世纪，由于装备技术及设备更 常水面温度、深度和通常环境条件下，而对于 新较慢，制约了我国模块化钻机的应用与发展。 极寒地区、超深井以及恶劣环境条件下的特种 １９９７年，ＺＪ２０Ｋ型橇装模块化钻机研制成功， 钻井自动化工艺和技术方面还缺乏设计生产能 并运至加拿大钻井作业，我国模块化钻机的市 力。 场需求随之启动，同时，也激励了模块化钻机 应用技术的研究与发展。 ４石油模块自动化问题的对策 目前国内有些厂家也相继投入到模块钻 随着我国经济实力和技术能力的发展， 机的设计开发中，并研制出了一批满足国内油 加之目前南海、东海等广阔的海洋资源，我们 田的模块钻机，其中最具代表性的是出口到美 必须清楚认识到技术装备落后所带来的种种挑 国的ＮａｂｏｒｓＺＪ７０／４５００ＤＢ型钻机，完全达到了 战，同时也要加大创新能力，尽量缩小与发达 国际化要求，这种型号的钻机代表了我国当前 国家之间的差距。同时也可以引进国外先进技 石油钻机的最高设计研制水平。整套钻机设备 术，不断进行技术更新，在此基础上加以创新， 占地面积小，且排列紧凑，该钻机模块化设计 结合我国实际的海洋状况，开发出合适的海洋 程度高，布局相当合理。同时，此钻机单元运 石油模块钻机。我国的石油钻机企业也应该适 输模块较少，结构设计合理。 应国际化的标准，与时俱进，密切跟踪和研究 目前新建的海洋钻机大部分采用模块化 新技术、新工艺，实现关键领域的集成创新， 的结构，主要区别是模块化的程度高低不同， 尽量缩小与其它发达国家的差距，并且争取赶 模块化钻机自动化设计的指导思想是：降低建 超。对此，针对上述海洋石油钻机自动化所面 造成本、符合运转要求、质量轻便、运转方便、 临的问题，提出以下几点措施： 结构设计优化等。海洋模块钻机的组成部分包 （１）发展适合不同运输要求、作业环境 括控制系统、旋转系统、动力系统、防喷器系 以及适应水平井、定向井等新工艺的产品及系 统、起升系统和钻井液循环系统等。钻机模块 列，适应钻井装备人性化、个性化及多元化的 主要包括散料储存橇、钻井服务模块和钻井设 要求； 备模块等。钻机模块通常是在陆上建造好，然 （２）遵循深井钻机自动化的原则，深入 后再装船，再通过吊装设备安装至海洋平台上。 创新设计，进一步提高钻机的易拆装性、移运 也有一些模块钻机其模块划分较少，为了能够 性、安全性等各方面性能； 方便快捷，通过多次吊装的方法较短时间内安 （３）用高精度、高水平的设备装备钻机， 装到平台上。 提高钻机控制水平和钻井作业效率，有必要组 ３模块钻机自动化存在的问题 织开发高效、安全、可靠的自动化、机械化的 钻井作业机械化设备，进一步发展自动智能钻 我国虽然是一个制造业大国，但是在核 井装置； 心技术方面仍落后于一些发达国家，如美国、 （４）加强研发工作，从目前的我国海洋 欧洲、日本等国家。主要表现在以下两个方面： 钻井的工作水深来看，我国的钻井设备还远远 ①缺乏核心技术创新能力，尤其是特殊技术的 落后与世界先进国家，研制大型海洋钻井设备， 自主研发创新能力较低；②基础薄弱，整体技 积极参与国际竞争，提升我国海洋石油钻机自 术水平无法均衡发展，标准体系滞后。 动化设计能力，在保护环境的基础上形成关键 同样，在规格、品质、产品品种等方面， 技术，推出新产品，并与国际接轨，加强国际 国内的石油钻机自动化技术也存在一些的突出 问的交流与合作； 问题，具体表现为以下几点： （５）开展小型设备的前期研究，比如套 （１）海洋模块钻机自动化才刚刚起步； 管钻机、连续管钻机、不压井作业设备等的。 （２）国内对于一些新工艺、新设备，以 关注海洋煤层气、超深井、永冻层钻探等重大 及有待推广的技术研究力度不够； 技术国产化装备研究； （３）通常，数字一体化控制技术为我国 传统的钻机所采用，而真正意义上的钻机自动 化是需实现设计人性化、网络信息化、控制自 动化，而在我国钻机智能化基本属于空白，与 ＜＜下转２５６页 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・２５５ 自动化控制・Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ 基于冗余技术的大中型ＰＬＣ控制系统的设计与应用 文／孙虹王明许国强刘成高成明 测点参数的变化情况，通过控制层对现场设备 为维持发电厂热力系统的水 汽循环运行正常，需用补给水补 充水汽循环过程中的水损失。没 有经过净化处理的天然水含有许 多杂质，如果进入水汽循环系统， 会引起热力设备的结垢、腐蚀、 积盐。水处理系统对保证发电厂 Ｅｌ常的安全、经济运行，意义非 故障时，备用设备能够快速、无扰的发生作用， 减少故障时间，避免系统整体运行的故障、失 控。控制系统的冗余设计主要指监控层和控制 进行操作，以实现生产过程的安全、经济运行。 控制层是控制系统的核心部分，它具备独立的 逻辑计算能力，能够采集接受监控层的指令、 按照工艺逻辑控制现场设备的运行状态，并将 现场设备的监测参数、运行状态通过通讯模块 上传至监控层。现场设备层主要包括生产过程 中的设备、执行结构等部件。 层的冗余，具体包括监控主机、工业以太网、 控制器、电源、控制网络等关键设备和节点。 法国施耐德公司是ＰＬＣ热备系统技术发 明的持有者，其双机热备系统能够实现主从机 之间平稳、无缝的切换。切换对于监控者而言 常重大。水处理监控系统采用施 是透明的，系统对过程的监控不会中断：同时 耐德Ｑｕａｎｔｕｍ系列ＰＬＣ控制器及 随着计算机、网络等信息化技术的快速 ＧＥ公司ｉＦｉｘ。ＣＰＵ热备冗余、双 发展，利用监控软件实现集中管理、以ＰＬＣ 其部件平均无故障时间均大于２０００００小时， 环网技术、驱动冗余、网络冗余 为控制层核心的自动化技术在生产过程的控制 并支持带电热插拔，从而使得使用者可以在硬 及ＳＣＡＤＡ冗余技术的使用保证水 系统设计中得到了广泛的应用。监控层、控制 件发生故障时能够带电进行故障处理，避免影 处理系统在单个ＣＰＵ出现故障、 层作为生产过程工况监测、事件报警、事务处 响生产系统的正常运行。该公司Ｑｕａｎｔｕｍ系 一条网络链路异常或监控主机故 理等业务的核心管理部分，其设计的安全性至 列ＰＬＣ控制器，是基于４８６、５８６和Ｐｅｎｔｉｕｍ 障时能够继续运行，从而提高了 监控系统的可靠性。 关重要。操作员站、工程师站死机、监控画面 处理器的高性能可编程控制器，具有优越的扫 无法操作，运行人员失去对现场生产过程系统 描时间和１０吞吐量、可处理快速任务和主任 运行状态的掌握；以太网络故障，工程师站、 务等特性，并支持各种控制网络协议，具备良 操作员站控制命令传输不到控制器；ＰＬＣ的 好的网络扩充功能，Ｑｕａｎｔｕｍ系列ＰＬＣ控制 【关键词】水处理控制系统冗余 ＣＰＵ失电、死机，操作指令无法下达到就地 器最大容量达到６４Ｋ任意组合，远程Ｉ／Ｏ分站 设备；控制网络中断，现场风机、阀门等就地 数达到３１个。目前在大中型生产过程的控制 设备失控。这些都是控制系统设计中经常遇见 系统的设计中得到了广泛的应用。 的问题。 工业生产过程的自动控制系统一般分为 美国ＧＥ公司的ｉＦｉｘ智能平台足世界领先 控制系统的冗余设计是指系统的关键设 的工业自动化软件平台，它具有集成化的开发 监控层、控制层以及现场设备层。监控层实时 备、关键节点均采用主备方式，在主设备发生 环境、强大的作图功能、支持ＯＰＣ等多种设 监测生产过程受控制设备的运行状况、受监测 ＜＜上接２５５页 （６）充分发挥机械制造的绝对优势，将 国海上油气，２００４，１６（２）：１２６－１２８． 产品做精、做细、做优，提高装备的价值和性 参考文献 【９１徐田甜，张建勇，王宁．西江２ ３一ｌ 能。对于常规产品，要进一步进行完善，形成 ［１】张绍槐，张洁．关于２１世纪中国钻井技 油田海洋钻机模块结构设计【Ｊ］．船 标准化体系。 术发展与创新［Ｊ】．石油学报，２００１． 舶，２００６（０５）：２６－３２． （７）高起点开发配套式钻机自动化设备 ［２】阎建华，李漱岩，周明信．赵东油田固 ［１０】陈如恒．电动钻机的工作理论基础（二） 体系，完善运转过程中的缺陷与不足，以高性 定式钻井平台的海上安装【Ｊ】．中国造 【Ｊ】．石油矿场机械，２００５，３４（５）：１＿６． 价比、高创新度的产品，主动引导市场消费； 船，２００３增刊：ｌ５８－１６２． ［１１】安文忠，陈建兵，牟小军等．钻屑回注 （８）适应钻井装备机械化、自动化、智 ［３】郭永峰，朱江，齐恒之．优选海洋平 技术及其在国内油田的首次应用［Ｊ】．石 能化和遥控的要求，提高钻机的自动化水平。 台钻井方式［Ｊ】．中国海上油气（工 油钻探技术，２００３（０２）：２２—２５． 研制开发适应现代钻井作业的机械化设备及配 程），２００２（０５）：２２—２４． ［１２】张进双，胡金艳．现代井下钻井工具及 套仪器、仪表和装置； 【４】徐田甜，张关荣．我国海洋钻修井机的应 旋转导向闲环钻井系统【Ｊ】．石油大学学 （９）更加注重模块钻机的快速运移性。 用【Ｊ】．船舶工程，２０００，３０（０４）：６－１０． 报（自然科学版），２０１１，２５（６）：１７－５１． 有效的降低停工成本和运输成本，提高钻机自 ［５】牛勇，姚琳，张叔农．石油钻机可靠 ［１ ３】石崇东，张绍槐．智能钻柱设计方案及 动化的运移性。 性分析及改进措施［Ｊ］．石油矿场机 应用［Ｊ】．石油钻探技术，２００４，３２（６）：７－ ５结束语 械，２００４，３３（３）：１０－１４． １０． 【６］朱江．海洋钻井设备综述【Ｊ】．中国海上 ［１４】张绍槐．智能油井管在石油勘探开发 目前的国际形势和需求促使石油开采海 油气（工程），２０００（０６）：４４－４６． 中应用与发展前景【Ｊ】．石油钻探技 洋化，这就为海上石油钻井的发展提供很大的 【７］徐田甜．钻井用导管架帽的改造利用一降 术，２００４，３２（４）：１－４． 机遇，但也对钻机设备提出更高的要求与挑战， 低旅大油田群开发成本的实践［Ｊ】．中国 海洋石油模块钻机自动化和智能化必将是海洋 海上油气，２００５，１７（２）：１３２－１４４． 作者单位 石油开采的一大趋势，加强对该领域的研究势 【８】徐田甜．渤海７号钻井船与渤中２６－２平 中海石油深圳分公司 广东省深圳市 ５１８０６７ 在必行。 台适应性改造工程中的滑轨设计［Ｊ】．中 ２５６・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ