0 引言

司钻房是石油钻机控制与显示系统的核心部件，其性能直接关系到整部钻机的生产效率^[1]。国外著名的罗加兰研究所(Rogaland Research Institute)在报告中指出，司钻房集中控制试验开始于20世纪80年代，开展以人机试验为基础，并采用大量新技术和新设计后，司钻房的设计技术取得了迅猛发展。该技术的发展主要以挪威Aker MH和美国National Oilwell Varco(NOV)2大石油钻机装备生产商为代表^[2-3]。为打破国外技术封锁，实现该设备国产化，并满足国内海洋钻井平台用户的特殊需求，有必要研发设计自主知识产权的海洋钻井集中控制司钻房。

目前太原重工集团公司正在建造TZ400自升式海洋钻井平台，司钻房设计要求采用集中控制方式，实现钻井控制和智能管具移运的双司钻功能。将设计的司钻房与国内主流海工石油装备DSP300司钻房进行了技术参数对比^[4]，通过比较，自主研发设计的司钻房具有2个司钻座椅、操作安全舒适、观察视野开阔、结构坚实牢固、自动化程度高、控制功能强大以及性能安全等优点。

集中控制司钻房集电、气、液及仪表控制于一体，是对钻机整体进行监测与控制的房体。司钻房总体结构由房体、正压通风系统、集成控制系统、显示系统和其他辅助设备等部分组成^[5]。房体系统包括房身部分、底座部分和座椅等部分；集成控制系统包括钻井控制系统、气控系统、盘刹系统和管具移运排放系统等设备；显示系统包括大钩悬重组件、立管压力组件、吊钳扭矩组件、钻井多参数显示仪和多画面监视器等；其他辅助设备包括空调通风机组、室内照明、气动雨刮器、气喇叭和通信装置等设备。其结构如图 1所示。

图 1 海洋钻井集中控制司钻房结构 Fig.1 Structure of concentrated controlled driller room for offshore drilling

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集中控制司钻房是平台钻井模块的控制中心，其主要控制对象是钻井传动设备和管具移运设备等。通过操作司钻触摸屏和绞车手柄对绞车、顶驱/转盘、钻井泵和自动送钻等钻井设备进行操作控制，实现钻进、自动送钻和起下钻功能；通过辅助司钻触摸屏对排管机、指梁、鼠洞、铁钻工和动力猫道等设备进行操作，与排管机手柄和键盘相配合，完成移运单根及接立柱等动作，实现管具移运排放工艺的逻辑控制功能和保护功能^[6]。自动送钻逻辑控制中，控制大钩减速和软停、刹车，防止溜钻并将4~20 mA悬重信号接入到PLC系统，由程序对送钻电机变频系统进行控制，通过双闭环控制确保下钻速度的稳定性和精度，从而实现恒压或恒速送钻功能。

正压通风系统由空调送风机组、风路管道、房体空间、控制装置和压差检测装置等组成。房体参数：室内净空高2.5 m，净容积≤40 m³(含室内净空间及送风管道)；采取的技术方案：正压通风的取风来自安全区，充压风机选用低噪声风机；计算风量2 000 m³/h×2，最大风压250 Pa，吹扫压力25~70 Pa，房间内正常工作压力控制范围30~70 Pa，吹扫时间≥30 min，吹扫时的耗气量4 000 m³/h, 正常换气时的流量≤2 000 m³/h；房内安装的3个压差检测装置对司钻房内的正压压力进行检测，一个差压开关整定为250 Pa, 用于检测房体的最大承受压力；一个差压开关整定为70 Pa, 用于检测正常工作时的高压；一个差压开关整定为30 Pa, 用于检测正常工作时的低压。在风机和风筒的安装设计方面充分考虑减震降噪措施，送风机组的安装位置与司钻控制房之间送风管道采用Dn273×4不锈钢管连接。该方案设计实现室内空气压力略高于室外空气压力，使可燃有毒气体渗透不进防爆房内，达到房子整体正压防爆要求，同时人体进入正压房内感觉舒适^[7]。司钻房房体效果图如图 2所示。司钻房实物图如图 3所示。

图 2 司钻房房体效果图 Fig.2 Driller room design sketch 1—小控制台；2—双座椅结构；3—走线槽；4—PLC控制柜；5—压差检测装置；6—正压房体；7—风路管道；8—空调机组；9—气源控制柜；10—ESD显示板；11—BOP控制柜。

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图 3 集中控制司钻房实物图 Fig.3 Concentrated controlled driller room

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司钻房控制流程如下：操作人员首先合上室外空调机组的电源开关，然后打开司钻房外配置的手动风阀，进入司钻房内，关闭司钻房大门，闭合该门旁的行程开关，打开司钻房内1#柜内手转阀进行扫除，扫除时间依据工作环境及操作习惯确定，但不短于10 min。扫除时间到达后，通知室外人员关闭室外风阀，操作人员关闭1#柜内的手转阀。启动电控箱电源(室外空调机组、送风系统及正压控制电路启动)，依靠微差压开关进行室内及各控制柜内的压力检测。当室内及各控制柜内的正压达到规定的25 Pa以上时，进入延时30 min状态。到达30 min后，室内电气控制箱内的主开关闭合，空调控制箱面板上的向负载送电指示灯亮，开始向司钻房内的负载送电。室内及各控制柜和箱的正压压力在25~70 Pa之间。若当司钻房门被打开(或房体出现泄漏)时，房内微差压开关动作，控制箱内的正压控制电路发出报警信号并进行延时，当延时时间到或室内及各控制柜箱的压力低于25 Pa时，则自动断开空调控制箱内负载送电开关，停止向司钻房内的各负载供电。控制流程如图 4所示。

图 4 正压通风系统的控制流程图 Fig.4 Control flow chart of positive pressure ventilation system

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集成控制是钻井系统集成的重要内容。整个控制系统按实现功能可分为动力监测控制系统、绞车控制系统、顶驱控制系统、钻井泵控制系统、管具移运系统、BOP系统、电/气/液联控系统、监控系统、司钻操作系统、PLC及现场总线系统等。房内操作控制分钻井和管具移运2个区块，岗位人员配置有2人，由主司钻和辅助司钻组成。钻井区块的操作者起着传统的司钻作用，直接操作的设备包括绞车、铁钻工、钻杆操作系统、吊卡、顶驱和卡瓦等。主司钻位于司钻房内左侧，正对主钻机井口方向，视野开阔；辅助司钻操控以管子自动化处理为主，位于司钻的右侧，正对鼠洞位置。每个操作人员需同时监视几种操作，传统的方式是每一个处理变量由1台单独的设备显示，当显示几种工序时，就容易混乱而发生误判。针对这个问题，司钻房采用了基于IDEE(集成有效的人机控制)视觉显示哲学的数据显示系统，设计功能图像和工艺流程的人机界面，通过4个功能强大的SIEMENS 15in触摸屏显示，司钻即可以同时观察到上述全部设备的运行情况，也可以单独观察每台设备的运行情况。绞车钻井控制操作人机界面如图 5所示。

图 5 钻井控制操作人机界面 Fig.5 Man-machine interface of drilling control operation

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房内安装一套钻井仪表显示系统^[8]。显示系统包括指重表、立管压力表、吊钳扭矩表、钻井参数仪和多画面监视器等。仪表采用液压测量方式，显示对应的参数值。钻井参数仪是一种数字式的钻井参数显示设备，显示参数包括实时显示悬重、钻压、钻速、钻井液返回流量、钻井液泵冲数、立管压力、转盘转速、转盘扭矩和游车高度等参数。

多画面监视系统是司钻观察钻机运行情况的重要窗口，由前端防爆摄像机、监控主机、显示器和连接电缆等部分组成。防爆摄像机内主要包括一体化摄像机和内置解码器；前端视窗采用钢化玻璃，并有防雾处理，配有防爆全向云台；安装6台防爆摄像机，分别布置在二层台、V形门、高压钻井液区域、BOP控制单元、钻井泵和钻机井架处；主机安装在司钻房外侧，司钻房内设置控制器、控制键盘和监视器。该系统满足海洋石油钻机的现场使用条件，具有防爆、防腐，图像实时浏览和记录存储的功能，可与现场的局域网连接，具备远程用户访问的功能。多画面监视系统如图 6所示。

图 6 多画面监视系统 Fig.6 Multi-screen monitoring system

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司钻房于2016年10月完成了样机制造，并与TZ400钻井平台配套进行现场试验。试验中对正压通风防爆功能进行了检验；对人机界面集中控制的钻井上提下放、钻进旋转和钻井液循环等功能进行了验证；同时对钻具移运和接立根进行了模拟试验。现场试验结果表明:该司钻房设计合理、安全可靠、运行平稳，具有明显的创新性和实用性，满足海洋钻井平台设计要求；特别适合于控制集中和自动化程度要求高的钻井平台上作业，并具有较大的适用范围^[9-10]。

司钻房系统的成功研发和设计，达到了集中控制的性能要求，实现了在工作环境、生产效率和安全性3方面的重大改进，具体结论如下。

(1) 正压通风系统的工作环境显著改善，使工人们离开设备和工艺操作的附近区域，不再遭受高噪声的侵害，降低了慢性职业病概率。

(2) 集成控制系统改进了信息显示，提高了决策速度及可靠性，减少了钻井人员的配备，人员和控制的集中使得1个人能够同时干几种相近的工作。

(3) 在海洋钻井上的损害大部分发生在钻台转盘附近，而通过司钻操作在钻井和钻杆起下作业操作场合，让钻工离开这个区域，保证了操作人员的安全，减少了对钻台周围的损害。