海洋钻井装备智能防碰技术在海洋石油981平台上的应用

【摘要】本文将从当今世界上海上钻井平台最先进的海洋钻井装备智能防碰技术——SZMS（SZMS：Smart Zone Management System）技术的研究背景、方法技术、发展现状及它在中国第一艘第6代超深水全动力定位半潜式钻井平台海洋石油981上的应用等几个方面进行简单的分析和探讨。

【关键词】海洋钻井装备；智能防碰；SZMS；海洋石油981；安全

1.研究背景

安全是一切生产实践活动的基础，特别是在高投入、高风险的海洋石油工业中更是如此，因此研究和发展深海海洋钻井装备的安全技术就显得尤为重要，也很有现实意义.作为海上石油钻井平台来说，钻台区域是整个海上石油钻井平台作业最危险的工作区域。因此钻台设备的安全直接关系到生产作业，整个平台、平台上所有工作人员的安全。为此科研人员总是在试图寻找各种办法去攻坚克难，采用各种先进技术去最大限度降低人为因素以外的设备安全风险。而本文所探讨的SZMS技术则是现今世界上发展比较成熟技术，成功应用于中国第一艘动力定位超深水半潜式钻井平台海洋石油981平台，因此对SZMS技术的研究对于未来中国这方面的自主开发和其在海上石油平台上未来的更好应用有很大现实意义。

2.海上钻井装备智能防碰技术发展历程

早期的海上石油钻井平台钻井设备的安全主要是单纯的靠人工去减少和防范事故风险的。它的实现方法是先通过作业前的安全指导和风险分析，然后通过作业过程中的多人辅助查看钻井作业过程，发现危险状况就人为的告知危险区域的作业人员注意安全。这种方法就要求钻井作业中的每个参与者都绷紧神经，集中精力。但是人的精力和视野范围毕竟是有限的，因而早期钻井设备发生的事故是很多的，后果也是很严重的。后来随着科技的进步，人们在一些存有高风险的重要的设备如钻井绞车上加上智能防碰天车系统，来减少事故的发生，但是这只是单个设备自身的安全防碰，并不能完全避免其与其他设备的碰撞，特别是对于现今很多自动化设备的平台而言，迫切的需要一种全新的钻井装备安全管理技术来确保人员和设备的安全，来确保海上钻井平台钻井作业的顺利进行，而现今很好的运用于世界上很多钻井平台的SZMS技术正是乘着科技发展的春风而应运而生的一种智能化的海洋钻井装备防碰技术。

3.SZMS技术的基本介绍

3.1 SZMS技术的总体说明

智能防碰控制系统（SZMS）是AKER公司设计的专门用来管理其海洋钻井装备安全运行，防止设备意外碰撞导致设备和人员损害的智能管理控制系统。它在DRILLVIEW（由AKER MH公司提供的钻井设备人机操作界面）上实现操作，它只对正常操作下的设备起作用，SZMS中的设备如果是在直接模式下或者直接在设备上进行液压驱动操作时，它是不起阻止作用的，所操作的设备还是可以与SZMS系统的其他设备发生碰撞。

3.2 SZMS的技术实现原理

SZMS系统的控制模型是建立在直接坐标系上的，在SZMS中，无论是井架上或者是钻台面上得每一个设备就是用一个虚拟的盒子来表示，每台设备都有自己固定的运动轨迹就意味着模型中的虚拟盒子的运动轨迹是一定的，因此只要模型中的盒子之间知道彼此的位置，然后根据其运行的最大速度设置好允许靠近的安全停止距离，当某一个盒子进入另一个盒子的防碰区域时，控制系统就会降低其移动速度，甚至直接阻止其移动和操作，就可以实现避免两个盒子即两台设备之间的碰撞的发生。但是为了钻井平台的某些正常的操作，SZMS也会允许一些在某种情况下的必要的碰撞发生，例如SBA从TFM那夹起管子的时候。SZMS的正常工作取决于以下几个重要条件：设备均处于正常模式，设备必须被预先设置；所有的防碰是机于设备运动基础之上。

3.3 实际钻井设备在SZMS中模型构建方法

SZMS会根据每个具体的设备创建一个虚拟的盒子，而这个虚拟的盒子最多可以包含5个长方形模块，这个每个矩形模块互相垂直而且组成主要的轴。这些矩形是动态的，它会在SZMS中根据实际位置而变化。如果这个虚拟的盒子反映的不同设备是冲突的，这说明一个碰撞已经发生了。所有的设备都遵从于同样的纵坐标一致的直角坐标系统。

由于几乎很难做到让代表不同设备的两个盒子精确的停止在它们彼此贴近的时候，所以设备都在直角坐标系统中都有一个安全距离和一个停止距离。安全距离就是在建模过程中在虚拟盒子基础上人为的设置的一个阻止其他设备进入的防撞区域，每个设备必须停止在其安全距离激活之前。而且各设备之间建模时的安全距离是不相同的。这就使得控制系统更加健全，避免因为测控数据的微小偏差和干扰信号导致设备发生碰撞。

所谓停止距离就是通过控制器来保证设备完全停止的。这个停止距离是设备在当前既定方向、速度和负荷下实际停止的距离。当这个距离被送到SZMS的大脑——PLC中之后，经过一定的逻辑运行，计算出当前设备允许的最大操作值，然后这个操作值又被送回到所要停止的设备的PLC中在碰撞发生之前用来降低设备速度和停止设备。设备的PLC会同时执行一个功能去确保设备内部的命令值不会超过SZMS给出的最大允许值。从而从根本上避免碰撞的发生。

3.4 SZMS系统的数据采集与数据传输

SZMS系统运行正常与否的关键在于其实时的数据采集和数据传输。除了钻井绞车以外，其他设备诸如桥吊、下部导向臂、铁钻工等都配置有编码器，时刻计算设备的准确位置，通过PRIFIBUS总线连接到设备上的接线箱，短距离的直接通过PRIFIBUS连接至控制器，长距离的通过光电信号转换装置OLM，转换成光信号通过光纤传输到设备的控制器中，最后SZMS系统中的所有设备的控制器通过prifibus与SZMS的SEVER之间进行通讯和数据交换，SEVER与DRILLVIEW之间是通过以太网连接，以便实时显示设备状态等信息，从而保证数据的实时性，达到了控制模型中的盒子之间互相知道彼此的位置。此外某些设备还增有确认某个具置用的位置传感器来用于辅助编码器确认其实时测量计算的位置是否与之前的设置相符，从而确保SZMS获取的数据信息的准确性。

对于数据传输过程的安全性，系统已经做好了周全的考虑，当某台设备在移动的过程中突然由于设备控制器或者设备控制器与SZMS的服务器之间通讯中断，SZMS系统会发出停止信号给对应通讯中断设备的控制器（PLC），该设备PLC会使用此停止信号去切断该设备的电源和液压供应并跳出操作模式，但钻井绞车仍可以再手动模式操作，、转动的顶驱只会在人为停止后才跳出模式、转动中的转盘会在人为停止后被锁住，此时DRILLVIEW上会报错的同时对应设备也会停止下来，如果需要继续操作则需要在DRILLVIEW的SZMS界面上DISABLE该设备，并RESET设备，但是此后SZMS不会阻止其与其他设备碰撞。此外SZMS系统会自动保存该设备在通讯中断一刻前的数据信息，从而使其他设备仍然知道它的位置，防止碰撞的发生。

4.SZMS在海洋石油981平台的具体应用介绍

4.1 海洋石油981平台介绍

海洋石油981是中国自主设计建造的第一艘超深水全动力定位半潜式钻井平台，汇集和融合了国内外最先进的自动化控制技术，SZMS系统作为其中的一部分自然不可或缺。SZMS所管理的设备一般包括：游车组成、顶驱钻井装置、转盘、扭矩大钳、铁钻工、桥吊、下导向臂、组合立柱用机械手、钻具传输机等，基本涵盖了钻井平台在正常的钻井作业中钻台所使用的各种机械设备。图1为这些设备在SZMS中的虚拟图。

由图1可以看出来，基本上，钻台所用的设备都通过数字传感器技术，使他们在SZMS中是可以互相看见对方的，当模型中的两个盒子接近到一定距离的时候，SZMS会通过眼睛——设备上的传感器（编码器、接近开关等）而发现，于是它会把眼睛接收的信息最终传到智能防碰系统的大脑——SZMS的SEVER即软PLC中进行相关的逻辑处理，这个逻辑处理是通过实现编写好存储在SEVER中的程序来实现的，执行完判断过程后，它会把相应的后续执行动作命令反馈给外部执行机构（VFD、电磁阀等），最终来实现减速或者停止，最终实现防止设备之间相互碰撞。当然整个控制过程是实时的，时间是相当短的。

4.2 海洋石油981的SZMS具体建模实例

实际建模过程

图2是海洋石油981钻井平台的管子输送装置的实际建模过程，也就是SZMS系统中虚拟的盒子是如何构成的，如何分组的。由图可知，box1-skate-group1；box2——pipe lifter group 1/2；box3-trolley-group1/3；box4-pipe-group1/2/3.TFM盒子的位置是有WC来确定的，TFM本身的位置是由装在X和Z轴方向上的传感器确定的。数据采集后的最终计算是在HTV（Horizontal To Vertical）系统的控制器中计算然后通过通讯送到SZMS系统的。Box1即skate只在X轴方向移动，它通过编码器测量其位置；Box2在X轴上的位置测量是随SKATE一起的，在z轴方向是通过液缸内置的长度测量装置来测量的，当Pipe Lifter Gate打开时控制器就会收到反馈，代表Pipe Lifter的盒子就会立即在X和Y轴方向伸展，但是Y轴方向的伸展方向是固定的，因为它取自于TFM的最大宽度；代表Tolley的Box3在X轴上的位置由其自身的编码器测量，Y轴方向就是TROLLY到钻台面的最大高度是固定的，Y轴方向与Pipe Lifter相同是TFM的最大宽度是固定的；Box4是通过接近传感器来确认上面是否有管子的。

四个盒子的停止距离分别是：Box1只在X方向移动，停止距离通过计算Skate的速度获得；Box1只在X和Z方向移动，当Skate停止时，停止距离通过计算Pipe Lifter在X和Z轴方向的速度获取，但是当Skate也在运动时，X轴方向的速度是Pipe Lifter和Skate速度之和；同理Box3只在X轴方向移动，故当skate静止时就是Trolley自身速度，当Skate一起运动时，就是Trolly和Skate速度之和；Box4在X轴方向的停止距离是通过计算Skate/trolley/pipelifter三者在X方向的总和，Y方向的取决于pipelifter提升或下降时Y轴方向的速度。这只是控制系统的数据采集来源，虚拟盒子的最终模型在SZMS系统中可见还是需要通过软件编程来完成的，这只是前期的从不同角度将TFM分为四个个盒子，或者说四个部分，作为后期SZMS逻辑防碰功能实现的基础。

5.SZMS技术的优点与不足之处

SZMS技术的应用大大的减少了设备发生碰撞的概率，也很好的保护了设备和操作人员的安全，有力的促进了钻井生产作业，它的优点是不言而喻的。但是任何技术都不是完美的，所以它也有不足之处，举个例子来说，当某个设备处于”PARKED”的位置的时候，它在SZMS中是被认为是不可见的，就是模型中的代表它自身的盒子是不存在的，这也就意味着其他设备看不见他，如果操作人员不注意，其他设备还是可能与其发生碰撞。同时另外一点，目前的SZMS技术只是运用于钻台这个作业区域，但是平台上大型设备还很多，像甲板吊车等其实都存在与其他设备发生碰撞事故的可能。因此，智能防碰技术今后可以向更广泛的方向发展，最好是覆盖整个钻井平台的大型设备。当然这只是个期望，毕竟现在跨公司、跨系统来实施的难度也是比较大的。

6.结语

随着我国海洋石油工业的不断推进，各种大型海洋钻井装备陆续的投入到生产实践中，在大大的提高了劳动生产力、全力服务于国家的海洋工业战略的同时，也带来了相当巨大的安全挑战。。因此合理的利用当前科技，科学的运用各种先进技术，努力提高海洋钻井装备自身安全水平，提高人员操作水平是降低作业风险，实现安全生产、和谐生产的重要手段。研究智能防碰技术有利于我们更好地防止海洋钻井装备碰撞事故的发生，有利于我们更好地确保人员和设备的安全，使得海上钻井装备安全高效的发挥其勘探开发海上油气资源作用，从而促进国家经济社会健康和谐的发展。

参考文献

[1]海洋石油981培训课程介绍.挪威：AKER SOLUTION GROUP 2009.

[2]海洋石油981 HMI培训教材.挪威：AKER SOLUTION GROUP 2009.

[3]安国亭，卢佩琼，编著.海洋石油开发工艺与设备[M].天津大学出版社.

[4]廖谟圣.海洋油气工业的发展与新一代的移动式钻采平台[J].中国海洋平台，第17卷第1期.