海洋钻井平台钻柱自动化处理防碰撞控制研究.pdf

2 01 4拄 第 7期 第 4 3卷 第 1页 石油 矿 0I L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 0 1 4， 4 3 7 1 - 4 O o 文 章 编 号 1 0 0 卜3 4 8 2 2 0 1 4 0 7 0 0 0 1 - 0 4 海 洋钻井 平 台钻柱 自动化处理 防碰 撞控制研 究 马清明 ， 江正清 ， 董怀荣 中石化胜利石油工程有 限公 司 钻井 工艺研究 院 ， 山东 东 营 2 5 7 0 1 7 摘要 钻柱 自动化处理 系统在海洋钻井平 台上得到越来越 多的应用， 提 高了工作效率， 减少了工人 的劳动强度 。但在整个钻柱 自动化处理过程 中， 很 多大型机械设备在钻 台有限的空间内运动 ， 存在 设 备之 间运 动轨 迹 上 的重 叠 ， 给 安全 生产 带来 了隐 患 。设 计 了 1套 基 于周界 检 测 和 轨迹 分 析 的 防 碰 撞预 测 系统 ， 解 决 了 由于传 感 器 失灵或 偶发 人 员 、 设 备进 入 运 行 轨迹 可 能造 成 的安 全 事 故 ， 为安 全 生 产提 供 了有力 的保 障 。 关 键词 钻 柱 自动化 ； 防碰 撞 ； 周界 检 测 ； 轨 迹 分析 中图分 类号 TE 9 2 8 文 献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 4 2 ． 2 O 1 4 ． 0 7 ． O 0 1 Re s e a r c h o n Ant i c o l l i s i o n o f Dr i l l S t r i n g s Au t o ma t i c Tr e a t me nt S y s t e m f o r Of f s h o r e Dr i l l i ng Pl a t f o r m MA Qi n g mi n g。 J I ANG Z h e n g q i n g。 DONG Hu a i r o n g S h e n gl i Dr i l l i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Si n o p e c， Do n g yi n g 2 5 7 0 1 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e d r i l l s t r i n gs a ut oma t i c t r e a t me nt s ys t e m wa s e x t e n s i v e l y us e d f or o f f s ho r e d r i l l i ng p l a t f o r m i n r e c e nt y e a r s， t he l a b or i nt e ns i t y wa s l e s s e n e d a nd t he pr o duc t i vi t y wa s r a i s e d ．I n t he s ys t e m ， t he l a r ge s c a l e me c ha n i z a t i o n r u nni n g i n c o n f i ne d s p a c e of t he dr i l l i n g f l o o r e x i s t r e d up l i c a t i o n o f t he mov e me n t t r a c k a nd t he po t e nt i a l s a f e t y ha z a r d ． An a nt i - c o l l i s i o n e a r l y wa r ni ng s ys t e m b a s e d o n p e r i me t e r d e t e c t i o n a n d t r a j e c t o r y a n a l y s i s wa s d e s i g n e d ． Th e s a f e t y a c c i d e n t h a p p e ne d whe n t h e s e ns o r f a i l u r e o r p e r s o nn e l a n d e q ui p m e nt a c c e s s t he mov e me n t t r a c k wa s r e s o l ve d ve r y we l 1 ． The gu a r a nt e e of r e a l i z i ng t he s a f e t y i n p r o du c t i o n wa s pr o v i de d． Ke y wo r d s d r i l l s t r i n g a u t o ma t i o n； a n t i c o l l i s i o n； p e r i me t e r d e t e c t i o n； t r a j e c t o r y a n a l y s i s 海洋 钻井 平 台在 生 产 过 程 中 ， 需 要 不 断 地 将 钻 井 管 柱 由平 台 甲板 输 送 到 二 层 台 ， 并 且 在 二 层 台实 现 接立 根 、 卸立 根 、 立 根 排 放 等 一 系 列 操 作 ， 这 些 工 作以前主要 由工人完成 ， 劳动强度 大， 效率低 ， 危险 性 高 。 目前 ， 采 用 钻 柱 自动化 处 理 系统 进 行 生 产 已 成 为海 上钻 井 平 台 的主 流 操 作 ， 标 准 配 置 的 l套 钻 柱 自动化处 理 系统 包含 关节 吊、 自动 猫道 机 、 自动 卡 瓦 、 动 力 鼠洞 、 辅助 提 升 机 、 二 层 台立 根 自动 排 放装 置等口 ] 。这些 大 型 的 动力 机 械 设 备 在 钻 台上 有 限 的空 问 内 ， 自动 将长 尺寸 的钻 柱经 过姿 态变 化 、 位 置 变 化 、 角度 变化 等一 系列 处理 过程 ， 存放 在立 根盒 里 或直接接到井 I 1 的钻具上 。这需要多台设备之间良 好 的配 合衔 接 ， 而且 有 的设 备 运 行 轨迹 存 在 重 叠 的 区域， 需要控制程序从 逻辑上予 以严格区分。这样 在生产过程 中， 一旦有传感器或执行器发生故障， 设 备 不再 按照 预定 的速 度 、 轨迹运 行 时 ， 可 能会 造成很 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 1 基金项 目 国家 高技 术研 究发展计划 8 6 3 计划 “ 深水 钻机与钻柱 自动化处理关键技术研究” 2 O 1 2 AAO 9 A2 o 3 作者简 介 马清 明 1 9 6 6 一 ， 男 ， 山东临朐人 ， 教授 级高工 ， 博士 ， 主要从事钻井机械研发 、 科研管理等工作 。 石 油矿 场 机械 2 O 1 4年 7月 大的设备 碰 撞 等生 产 事 故 ] 。另 外 ， 如 果 有 人 或设 备进入 到某 个设备 的运 行 轨迹 ， 很 可能 造 成 人 身 伤 害、 设备损害。因此 ， 设计 1套能够防止设备碰撞和 人身 意外 伤 害 的保 护 控 制 系 统 具 有 很 高 的 应 用 价 值。针对这种需求， 本文设计 了 1套依据设备运行 轨迹 分析 和周 界检 测 的 防碰 撞 控 制 系统 ， 并 通 过 虚 拟仿真系统进行了试验验证 。 l 防碰撞控制 系统的设计 防碰撞控制系统的设计与整个钻柱 自动化处理 系统 的设 计 整体进 行 ， 控 制 系 统 除 能够 按 照 工 艺要 求 完成 钻柱 的 自动 化 处 理 控制 流 程 ， 还 具 备 故 障诊 断和 防碰撞 功能 。设 计 时 ， 在 满 足 钻柱 正 常 生 产需 要 的检 测部 件 、 控 制 部 件 、 执 行 部 件 及 监 控 系 统 之 外 ， 还额外增加了设备运行周界检测的传感器及对 运 行设 备安 全保 护进 行 断 水 、 断 气 、 断 油 、 断 电 的执 行 部件 。 整 个控 制 系统 采 用 分 布 式 控 制 ， 西 门 子 7 4 o o 系列 P I c作为控制主站 ， 运行工艺逻辑控制 、 防碰 撞 控 制 、 故 障 分析 等 程序 。控 制 主站 通过 P r o f i b u s DP挂接 远程 I ／ 0， 分别 连 接 各 功 能 分 站 ， 功 能 分 站 主要完成设备的单机调试及整机连锁 自动控制时的 数 据采 集上 传及 控制 动作执 行 。上 位 机通过 工业 以 太 网与主控 P L C通讯 ， 采用 Wi n c c 软件 平 台监 控 现 场 设备 的运 行及进 行 参 数 的设 定 记 录 、 报 警 分 析 记 录等工作 。系统 的操 作 由集 成 式 司控 操 作 台 完成 。 系统结 构如 图 l 所 示 。 触 摸 屏 工业交换机 图 1 控制 系统结构 2周界传感检测及 安全判别技术 设 备周 界传 感检 测技术 是 防止偶发 性 的人员 或 设备进入到其工作运行轨迹的有效检测方法。在钻 柱 自动化处理过程中， 多个设备是顺序协同工作的， 这样就有某些时段 、 某些设备并不动作， 若在此时有 人员或装备因为检修或其他原 因进入其轨迹 ， 则一 旦其开始动作 ， 很容易发生人员伤害。因此 ， 需要在 每 个设 备运行 过程 中时刻 检测 其运 行轨迹 内是 否有 障碍物 ， 当障碍物离设备 的距离小于安全间距时应 及时停车报警 ， 防止事故的发生。为此 ， 选用 多个 s I MAT I C P X S系列超声波传感器安装在运动设备 的机械臂 、 梭车、 伸缩轴 、 旋转体等部件上， 让其跟随 设备运行并检测周围障碍信息。 安全 判 别 的实 现 主要 是 安 全 间距 的确 定 ， 对 任 一 传感器而言 ， 其安全间距都不是固定的某个数值 ， 而是 随着 空间轨 迹 的变化 而变化 。这 主要是 由于在 设备 运动 过程 中 ， 平 台 上安 装 的设 备 的 间距 也 是 变 化 的 。例 如 某个 轨 迹 坐 标下 超 声 探 测 的 距离 不 小 于 与 固定 安装设 备 的数值 ， 则认 为是 安全 的 ， 即使这 个距离比较小 ； 若某个轨迹坐标下超声探测的距离 小 于与 固定安装 设备 的数 值 ， 则 认 为是不 安全 的 ， 即 使 这个距 离 比较大 。为避 免超 声探 测器 受环境 因素 影响产生 的误差影响判别 ， 又引入了安全阈值 ， 当差 值大于安全阈值时 ， 报警停车。 安全 判别 的算法 流程 如 图 2所示 。其 主要 思路 是 首先根据设备安装时的位置坐标信息及正常生 产 时设备 的运 动轨 迹 ， 建 立起 一整 套 各 个 设 备在 不 同轨 迹时 的安全 模 型 ， 同时建 立 1套 设 备 在 不 同轨 迹时的安全阈值表。这样在设备运行过程 中， 随时 根据运动 的轨迹信息求算出安全的间距向量表。用 该 表格 与实 际周界 检测 的结果 作 比较 ， 取 得差 值 ， 如 果 该差值 超过 该轨迹 下 的安全 阈值 表 ， 则报 警 停车 ， 否则认为没有碰撞可能 ， 设备继续运行。 运动设备 当前位置信息 安全阈 值表 1-- I a l - 继续 图 2 安全判别算法流程 任 一为负 厂 报警停车 2 0 1 4年第 4 3卷 第 7期 第 4页 石油 矿 0 I L FI ELD 场 机 械 E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 01 - 3 4 8 2 2 0 1 4 0 7 0 0 0 4 0 4 基于 E MD样本熵与 S VM 的石油井架损伤识别方法 曹月臣 ， 何 欢 ， 马 权 大庆钻探工程有限公司 钻技二公司 ， 吉林 松原 1 3 8 0 0 0 摘 要 针 对石 油 井 架 损 伤 位 置 识 别 问题 ， 提 出 了 以 E MD 样 本 熵提 取 特 征 向 量 、 以 支持 向 量 机 S VM 为分类识 别 器的石 油井 架损伤 位置识 别 方法 。利 用 E MD将损 伤 井架锤 击响应 的振 动信 号 分解 为 多个 I MF分量 ， 计算各 个 I MF分 量 的样本 熵 构 建特 征 向 量 。以不 同位 置 损 伤 的特 征 向 量 样本 集训 练支持 向量机 构 建模 式分 类 器 ， 经测 试 该 方法 能 准确 识 别损 伤位 置 。 与 E MD信 息 熵特 征 提取 方 法的识 别结 果进行 对 比， 验证 了该 方法 的有效性 。 关键词 石 油 井架 ； E MD； 样本 熵 ； 支持 向量机 ； 损 伤识 别 中 图分 类号 T E 9 2 3 文 献标识 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 卜3 8 4 2 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 0 2 Da ma g e I d e nt i f i c a t i o n M e t h o d Ba s e d o n EM D S a mp l e En t r o p y a n d S M V f o r Oi l De r r i c k CA0 Yu e c h e n， HE Hu a n ， M A Qu a n Dr i l l i n g Te c h n i c a l S e r v i c e C o mp a n y o f Da q i n g Dr i l l i n g Er pl o r a t i o n En gi n e e r i n g Co r po r a t i o n， Son gyua n 1 38 00 0， Chi n a Ab s t r a c t To i d e n t i f y d a ma ge l o c a t i o n o f o i l d e r r i c k， t hi s pa pe r pr e s e nt s a d a ma ge i de nt i f i c a t i o n me t h o d f o r oi l d e r r i c k us i ng EM D a n d s a m p l e e nt r o py t o e xt r a c t e i g e nv e c t or a n d SVM a s c l a s s i f i e r ．Ha mm e r i ng r e s po ns e v i br a t i on s i gn a l o f da ma ge d de r r i c k i s de c o mpo s e d i nt o m ul t i pl e I M F c omp on e n t s， t h e s a mp l e e nt r op y o f wh i c h i s us e d a s e i ge n v e c t o r ． SVM c l a s s i f i e r i s c o ns t r u c t e d b a s e d o n e i g e n v e c t o r s o f d i f f e r e n t d a ma g e l o c a t i o n， a n d t h i s me t h o d c a n i d e n t i f y d a ma g e l o c a t i o n a c c u r a t e l y ． Th i s me t h o d i s v e r i f i e d by c o mp a r i s o n wi t h r e c o g n i t i o n r e s u l t o f EM D a n d i nf o r ma t i o n e n t r o py ． Ke y wo r d s o i l de r r i c k； EM D ； s a mpl e e nt r o py； SVM ； d a ma g e i d e nt i f i c a t i on 5 结 语 在 钻井 平 台钻柱 自动 化处 理 系统 的基 础上 ， 设 计 了 1 套 防碰 撞控 制 系 统 ， 能 够有 效 解 决 在 自动 化 生产 过程 中 ， 由于 人员 或 设 备偶 发 性 进 入 生产 现 场 或者传感器、 执行器等失效、 损坏等情况可能造成的 人 身伤 害 、 设 备碰撞 等生 产事故 ， 并 通过 虚拟仿 真 系 统进 行 了试验 验证 ， 可 有 效 保证 钻 柱 自动 化处 理 系 统的可靠高效运行 ， 具有很高的推广应用价值。 参考文献 [ 1 ] 沈 忠厚． 现代钻井技术发展趋势E J ] ． 石 油勘 探与开发 ， 20 05。 3 2 1 89 9] ． 牟顺 泉， 徐力 ， 董怀荣 ， 等． 国外 自动化钻机发展现状 与 趋势 E J 3 ． 西部探矿工程 ， 2 O 1 2 6 1 2 5 1 2 7 ． 刘 文 庆 ， 崔 学 政 ， 张 富 强 ． 钻 杆 自动 排 放 系 统 的 发 展 及 典型结构E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 7 4 7 7 ． 石美玉， 杨国家 ， 李富平 ， 等． 海洋钻机钻杆 自动排放系统 控制方案设计E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 4 1 4 4 ． 何鸿． 钻井平 台钻 杆 自动 化排放 系统方 案设计 [ J ] ． 石 油矿场机 械 ， 2 O 1 2 ， 4 1 9 8 2 8 4 ． 朱德武． 国内外新 型钻井设 备技术 新进 展[ J ] ． 中外能 源 ， 2 Ol 1 ， 1 6 7 4 2 4 6 ． 王志安 ， 李丙信 ， 田立杰 ． 钻 井和修井 天车 防碰控 制系 统的研制[ J ] ． 工业 安全与环 保 ， 2 0 0 2 ， 2 8 7 3 6 3 7 ． 刘晓艳， 施亚楠 ， 李培丽． 丛式井组总体防碰与钻井顺 序 优化技术及应用_ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 1 2 ． 3 4 2 9 - 1 2 收 稿 日期 2 0 1 4 0 1 0 3 作者简介 曹月 臣 1 9 7 5 一 ， 男 ， 吉林松原人 ， 工程师 ， 主要从事海外 井控装备管理 工作 ， E ma i l c a o y u e c h e n 1 2 6 ． c o n 7 ． 。 ] ] ] ] ] ] ] l卜l