NAVAL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程 2021 年第 37 卷第 1 期（总第 137 期） DOI：10.14056/jki.naoe.2021.01.013
王世栋，廖天保，代爽玲，李 浪，张会寅，吴锐锋
（广州海洋地质调查局，广东 广州 510760）
摘要：钻机的控制和操作日趋复杂，必然会对司钻控制房提出更严苛的整体要求。“海洋地质十号”钻探船集成 司钻控制系统的成功研制有效弥补了国产司钻控制系统操作复杂、不够人性化的缺点。对该司钻控制系统的总体
构成、控制系统设计、钻井功能操作和报警与故障诊断进行分析。结果表明，“海洋地质十号”钻探船集成司钻
控制系统为司钻提供了舒适的工作环境、简捷的操作界面和方便的观察视野，能使司钻更专注于钻井工艺，有效
保证其安全性，提高其生产效率。
关键词：司钻房；集成司钻控制系统；钻机
中图分类号：TE951
文献标志码：A
文章编号：2095-4069 (2021) 01-0072-05
Design and Application of Integrated Driller Control System for Offshore Drilling
WANG Shidong, LIAO Tianbao, DAI Shuangling, LI Lang, ZHANG Huiyin, WU Ruifeng
（Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou, 510760, China）
Abstract: The increasingly complicated control and operation of drilling rigs inevitably leads to stricter requirements on the driller control room. The successful development of the integrated control system for the ship HAI YANG DI ZHI 10 effectively makes up for the deficiency of domestic control systems, including too complicated to operate and less user-friendly. This paper analyzes the overall
composition, control system design, drilling operation, alarming and fault diagnosis of the driller system. The result shows that the integrated control system on this ship provides comfortable working environment, convenient operation interface and good observation field, which enables the operator to concentrate on the drilling process, so as to ensure safety and improve production efficiency. Key words: driller room; integrated control system; drilling rig
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。针对国内的 司钻控制系统越来越无法满足钻机现代化发展需求的现状，国内相关各方一直致力于实现该系统的国产 化，力求打破国外技术封锁。“海洋地质十号”钻探船是我国自主设计、建造的集海洋地质、地球物理和 水文环境等多功能调查手段于一体的综合地质调查船，其司钻控制系统的设计充分考量了国内海洋钻井平 台用户的特殊需求，实现了钻机各主要钻井设备的集成操作和远程监视，为司钻操作人员提供了集成化的 操作终端，在实际应用中达到了预期效果[1-6]。 收稿日期：2020-05-16 作者简介：王世栋，男，工程师，硕士，1991 年生。2017 年毕业于中国石油大学（北京）石油与天然气工程专业，现主要
从事钻探工作。
运动头王世栋，等：海洋钻井集成司钻控制系统的设计与应用
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1 集成司钻控制系统总体描述
“海洋地质十号”钻探船是为满足在 1 000 m 作业水深下高效地进行钻井勘探、静力触探（Cone
Penetration Testing, CPT）作业和测井的要求设计的。图
1 为“海洋地质十号”钻探船集成司钻房。司钻控制房
是为钻机设计的，采用双司钻系统。主司钻和副司钻均
采用一体化司钻座椅操作，其中：主司钻通过安装在司
钻座椅上的开关、按钮、手柄和触摸屏等，控制提升系
统、泥浆泵、液压猫头、液压动力钳和液压吊卡等设备；
副司钻通过操作司钻座椅左右扶手上的多功能手柄、键
盘、开关和触摸屏等，控制抓管机、动力猫道和取样绞 车等设备。主司钻和副司钻可同时通过触摸屏和工业监
图 1 “海洋地质十号”钻探船集成司钻房
视显示屏了解相关的钻井参数和设备的工作状态，当控制开关出现故障时，可通过触摸屏进行应急操作的
司钻控制房布置有一个综合操作台，用于控制海底基盘、基盘绞车、取样绞车、地质绞车和脐带绞车等设 备[10-13]。
司钻控制房是由控制系统、钻井参数显示控制系统和监视系统组成的整体，其中：
1) 控制系统包括管柱处理控制系统、提升控制系统、基盘控制系统、取样绞车及基盘绞车控制系统、
升沉补偿系统、顶驱控制系统、机具控制系统、室内配电系统、正压送风系统和可燃气体探测系统等；
2) 钻井参数显示控制系统机械表头实时显示悬重、钻压、立管压力和吊钳扭矩等参数；
3) 监视系统对取样绞车、动力猫道、抓管机、甲板上井口、钻杆盒、顶驱吊卡、基盘脐带缆绞车、
CPT 绞车、抓管机钳头、井架顶部滑轮、液压大钳、公共液压站、泥浆泵、散料处理区、井架和电控间等
处设备的运转状态进行实时监视，实现司钻对被监视位置情况的实时掌握，根据情况合理操作和通信。
集成控制系统集中安装在司钻房内，主要包含主司钻一体化座椅、副司钻一体化座椅、集成控制柜、
数显式仪表台、顶驱操控台和其他辅助系统。根据被控设备和钻井工艺的需要，系统配套有主、副 2 套一
体化集成司钻座椅，对应控制不同的钻井设备，主司钻和副司钻分工见图 2。
集成控制系统青冈栎
主司站
副司站
升沉 补偿 系统
顶 液压
举升 驱 系统
综合 液压
站
泥浆 泵及 MCC
动 吊卡 力 卡瓦 大 猫头 钳 辅助
系统
一体 化仪
表
水取 平样抓 猫绞管 道车 机
图 2 主司钻和副司钻分工
主、副 2 套集成司钻座椅的硬件配置完全相同，下面以司钻座椅为例进行介绍。司钻座椅由左多功能 手柄、右多功能手柄、电控触摸屏、麦克风、闭路电视操作键盘和急停按钮等组成。每套座椅都配置触摸 一体机，作为人机界面软件的运行平台，同时用于对相关钻井设备进行控制操作和参数设定，并可进行设 备运行状态显示和手柄功能提示等。
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船舶与海洋工程 2021 年第 1 期
2 集成司钻控制系统设计
2.1 正压送风系统
正压送风系统由 2 套独立的正压送风空调系统组成，正常使用时一套运行，另一套备用。每套正压送
风空调系统都由新风空调、控制箱、差压开关、温度探头和可燃气体探头等部分组成。
正压送风系统设置新风口、排风口和回风口。正压送风系统启动之后，主机新风口风闸打开，向司钻
控制房送入经过处理的新风；当司钻控制房内的压力达到 100±5 Pa 时，新风口风闸关闭，司钻控制房内的
空气经过回风口进入主机，经降温或加热处理之后送入房间；当司钻控制房内的压力低于 30±5 Pa 时，新
风口风闸打开，向司钻控制房送入新风；当司钻控制房内的压力达到 100±5 Pa 左右时，新风口风闸关闭，
周而复始。
正压送风系统的新风口设置有探头，当 H2S 和可燃气体检测单元检测到新风口有 H2S 或可燃气体时， 系统自动关闭新风口风闸；司钻控制房内的控制箱上设置有复位按钮，只有当报警信号消失、司钻按下复
位按钮和室内正压力低于 30±5 Pa 时，新风口风闸才能打开。 2.2 室内配气系统
气喇叭
司钻控制房的室内配气系统见图 3，其功能是将钻井系统供给司钻控
制房的压缩空气分配给气喇叭、气动卡瓦、气动刮雨器和喷淋装置等用气 设备。
气源压力
ip调度系统
卡瓦释放 卡瓦夹紧
2.3 室内配电系统
塑胶铆钉室内配电系统为司钻控制房内的照明灯具、电暖气、工业监视系统、
气动刮雨器
基盘绞车控制系统、取样绞车控制系统、动力猫道控制系统、有线通信系 Rcl/2 气源 喷淋装置 统、气体检测系统、升沉补偿控制系统和喊话器等设备供电。
3 司钻功能操作
图 3 司钻控制房的室内配气系统
3.1 软件激活与登录
该软件中设置有开机自动激活 WINCC 项目，一般情况下开机之后不用进行任何操作便可自动进入登
录界面。特殊情况下（例如未自动启动成功）可先手动双击网络游戏防沉迷系统
桌面上的快捷方式，然后点击项目管理器工具栏上的“ ”
激活按钮，即可手动进入登录界面。
以司钻人机界面为例，进入登录界面之后单击“登录”
按钮，弹出用户登录对话框（见图 4），在此输入正确的用
户名和密码，即可进入操作主界面，单击“取消”仍会回到
登录界面。单击“English”按钮可实现中文界面到英文界
面的切换。副司钻的用户登录流程与司钻相同。
3.2 主画面和分区
用户成功登录之后进入默认主画面。以司钻为例，默认
为“钻井”画面，人机界面的功能区域划分见图 5。 由图 5 可知，主界面的布局按功能和作用分为 6 个区域，
图 4 用户登录对话框
具体功能如下。
1) 系统总览区：显示当前报警，确认当前报警按钮、清屏按钮、当前登录的用户名、系统时间和退出
系统按钮。
2) 状态显示区：以数字表盘、柱状图和数值控件等方式显示设备当前的状态、参数等信息，同时通过
输入窗口实现设备参数设置。
3) 左手柄功能指示区：指示当前左手柄的方向和按钮对应的操作功能。
王世栋，等：海洋钻井集成司钻控制系统的设计与应用
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4) 右手柄功能指示区：指示当前右手柄的方向和按钮对应的操作功能。 5) 操作功能区：设备的操作按钮，按下按钮，完成相应的控制动作。 6) 功能导航区：操作员可通过单击相应的按钮切换当前的操作设备画面，其中单击“菜单”按钮会出 现系统所有画面的选择按钮。
图 5 人机界面功能区域划分
3.3 钻井功能操作 钻井画面是常用画面，涵盖钻井过程中与钻井相关联的举升系统、吊卡和卡瓦设备
的集成司钻操作，
该集成司钻关于钻井工艺的操作与监视功能见表 1。 表 1 钻井工艺的操作与监视功能
类别 功能
操作
1) 模式选择； 2) 吊卡、卡瓦的集成司钻操作
监视
1) 相关钻井工艺参数显示； 2) 吊卡、卡瓦状态显示
钻井人机界面主要分为状态显示、参数设置、手柄 当前功能提示和操作按钮等 4 个功能区域。 3.4 报警与故障诊断
单击“历史报警”进入历史报警画面，通过该画面 查询所有设备一段时间内（30 d）的报警信息清单。单 击“导出报警记录”按钮，可将报警记录导出到 Excel 表格中。
以司钻为例，增加“诊断列表”功能界面（见图 6）， 左侧的树形列表显示设备的故障类型，单击相应
的故 障类型节点，右侧会出现引发该故障的可能原因与处 理方式列表。
例如，选中综合液压站故障子节点“电机无法启动” 复选框，右侧列表会显示不同的原因分析和对应的解决 方案。
图 6 “诊断列表”功能界面
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船舶与海洋工程 2021 年第 1 期
4结语
目前该集成司钻控制系统已应用到“海洋地质十号”钻探船的钻探系统中，在海洋地质钻探中发挥了 重要作用，达到了预期的效果。随着技术的不断进步，司钻控制系统的功能会不断完善，司钻控制系统会 更加人性化、智能化，更加安全、高效。液、电、气一体化和人机界面控制的司钻控制系统将是未来钻机 的发展趋势。
【参 考 文 献】
金银花绿原酸
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（上接第 51 页）
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