石油钻机人机交互系统技术现状及发展趋势

王施权，刘军，田阳，张博，蒲江涌，党柏焘，杨双业，3

（1.中国石油西部钻探工程有限公司，乌鲁木齐 830011；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；3.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

司钻控制房作为全钻机的人机交互中心，可执行钻井、管柱处理、下套管等作业，一般由操控台、显示单元、电气单元、HVAC、房体等组成。操控台用于钻机设备操作指令的下发，显示单元用于对设备运行参数、录井参数、随钻参数、工业电视监控画面等信息的展示，电气单元负责完成对操作台、显示单元、照明、空调等系统的供配电与继电保护，HVAC为司钻房提供恒温工作环境，房体用于安装上述所有电气元件，为司钻人员提供安全、舒适的操作环境，保证一体化运输，钻机搬迁、安装时无需拆除内部元件。

近年来，随着动力猫道、铁钻工、排管机械手、顶驱等自动化设备的推广应用[1-5]，越来越多的作业实现了机械化、自动化，人力劳动转变为人员操作，司钻与设备之间需要交互的信息也逐步增多，通过状态反馈信息能够准确获取设备的工作状态与钻井作业实况，通过下发操作指令来确保装备按要求运行。另一方面，随着现场作业对安全性的要求不断提升，以及对环境友好型工作要求的提升，早期常规操作台逐步被HVAC司钻房所替代，人机工程学水平也不断提升。未来还将会有数字化、信息化、智能化技术的应用。

1 HMHW人机交互系统

1.1 MH300操作座椅

HMHW的MH300司钻操作座椅外骨架采用铸铝材料，与人体接触部分采用复合材料，安装有2套多功能手柄、触摸屏、操作按钮，实现钻机主要设备的集成化操作与状态显示，如图1所示。在该座椅设计阶段深入研究了用户操作习惯，实现了最佳操作环境、人体工程学和功能[6]。

图1 MH300操作座椅

1.2 人机交互系统核心功能

该系列人机交互系统由PLC实现对设备控制，包含主要功能[7]如下。

1.2.1 流程自动化控制（CADS）

人机交互系统的CADS是一种钻机作业流程自动化控制功能，主要包括起下钻、建立根和甩钻。应用该功能有助于提高设备性能和作业的一致性，减少重复性作业时人为因素的影响。系统自动运行过程中显示屏会持续更新监测参数，使司钻及时获取设备运动状态，确保作业安全性。

1.2.2 司钻辅助功能（DA）

DA用于在人机交互系统中实时显示井下作业状况，基于钻井仪表、工艺、装备等实时数据，通过计算模型给出钻井参数优化建议，减少司钻手动调整设备运行参数的频次，避免因人员经验不足而造成的井下事故。

1.2.3 漏失检测（EKD）

EKD模块可以在钻井作业中自动检测溢流或漏失。EKD模块通过自适应检测算法，实时计算溢流或损失的钻井液体积，并在超出预定义限制时向司钻发出警告。该模块无需额外增加传感器，通过钻机已有仪表即可完成计算，通过总线通信方式在人机界面显示计算结果。

1.2.4 软转矩

在钻井作业中，顶部驱动装置为钻柱提供连续的转矩和转速。由于地质条件和钻头摩擦的变化，来自顶部驱动的恒定输入不能稳定施加于钻柱和钻头，导致钻具组合的转矩和转速出现较大波动，即出现扭转振动或黏滑效应，对钻井性能和设备性能产生负面影响。通过软转矩技术，可连续测量管柱的扭转振动，根据转矩和速度限值进行动态调节，减轻钻头振动、扭转波动和黏滑效应，实现更平稳、更快的钻进速度。

2 NOV人机交互系统

2.1 RISE操作座椅

NOV的RISE工作站[8]依据人体工程学设计原理，最大限度地减少司钻长期操作疲劳程度，并为其提供了更好的工作姿势和更有利于专注的工作环境，如图2所示。该工作站具有姿态电动调节和自动感知功能，可捕捉司钻的作业特征数据（如视线、高度、手柄握持状态等），通过调整监视器的角度、靠背倾斜、腰椎支撑、肘部高度和宽度支撑、膝盖支撑和座椅高度等，来满足不同司钻人员的坐姿习惯和体态特征，提升舒适度。信息记录功能可根据特定司钻自动调整至以往设置过的形态。操作元件的触觉反馈功能提升了系统人机交互性能，确保作业安全。

图2 RISE操作座椅

2.2 NOV人机交互系统核心功能

NOVOS系统具有自动钻井辅助决策、钻井安全保护、井下风险预测等功能[9]。

2.2.1 钻井功能优化模块

1）计划钻井。通过在系统中加载钻井工艺文件，系统自动给出装备运行参数调整方案，指导司钻作业。2）转速控制。设置钻头触底和离底转速，当检测到钻头离底时自动降低顶驱转速。3）循环控制。设置钻头触底和离底钻井液排量，当检测到钻头离底时自动降低钻井泵排量。4）触底判断。设定钻头触底后自动控制钻压，可设置绞车速度、ROP等参数。5）参数设置。包括泵冲加减速、绞车加速度、过载等装备控制参数，以及控制设备运行过程中的阈值。6）设备控制。手动或自动控制设备，如绞车、钻井泵、BOP、顶驱、管柱自动化设备等。7）数据交互。司钻座椅屏幕显示井下工具的随钻参数。

2.2.2 辅助钻井系统（KAIZEN）

KAIZEN钻井优化功能利用人工智能技术，根据当前井眼状况持续评估钻井性能，并将其与井眼数据进行对比，识别环境变化。能够优化机械钻速和机械比能。

2.2.3 减震系统（DrillShark）

DrillShark根据设定的钻压和转速来优化机械钻速，并通过主动调整将钻具组合的振动降至最低。

3 SLB人机交互系统

3.1 司钻控制房

SLB在陆地钻机上使用了“战斗机飞行员”的座位配置，将两名司钻排成一行，后置司钻座椅被抬高，以便双司钻均能无障碍地观看钻井作业。使司钻控制房在保持小体积的同时，满足双司钻共同作业的空间和视线要求。

3.2 SLB人机交互系统核心功能

其核心软件包括自适应钻井、井下信息交互、防卡钻、定向井优化等功能[10]。

3.2.1 自适应钻井

通过对随钻数据的监测和分析，根据钻井工艺要求，应用特定的计算模型，自动计算最优钻井参数，包括钻压、转矩、压差等，从而优化机械钻速。

3.2.2 井下信息交互

通过调整转速或流量，实现地面与井下之间的通信，从而控制钻具组合工作参数。所发送的指令通过钻具组合中控制器进行自动解码，有效减少信息反馈用时，提高工作效率，目前已有超过80种预定义脉冲命令可供选择。

3.2.3 防卡钻

防卡钻功能模块能够与司钻进行交互，包括输入设定值和限制、监控状态及声光报警通知。控制系统根据设定的参数检测钩载变化值，控制系统自动控制绞车速度和加速度，以防止卡钻、钻柱松脱或脱落，以及钻杆损坏。

3.2.4 定向井优化

可实现基于角度、转矩或转速的控制，用于定向和摆动井下马达，以改善传递到工具面的钻压，并定向改变井下工具面，按设定方向钻进。

3.2.5 装备监测分析

可以通过人机界面显示屏幕监控钻井设备状态和钻井队作业情况。利用数据分析功能分析井队作业KPI，为每次起钻、下钻和接单根作业提供时效性分析；对作业人员遵守程序的情况进行分析和评分；通过提高钻井过程和参数的一致性，优化钻机性能。

4 技术发展趋势

4.1 自动钻井

目前行业已经实现了管柱处理作业、高低压循环系统作业等的自动化和部分智能化。未来应用人工智能算法，结合临井数据、钻井工艺、随钻数据、前探数据及专家经验知识库等实时计算最优钻井工艺参数，实现对钻井过程的智能识别、主动介入，自主控制，达到无人或少人干预的最优井眼轨迹。

4.2 疲劳监测技术

司钻作业过程中疲劳对钻井安全影响较大，甚至会造成井喷、卡钻、钻具脱落等严重事故。尤其在应用大量的自动化工具及自动送钻以后，司钻直接干预的频次减少，容易造成注意力不集中、瞌睡等情况出现。通过采集人员操作设备的移动频次应用人工智能算法及面部肌肉识别技术等综合分析人员是否出现疲劳等特征，及时提醒司钻注意力集中，减少钻井事故发生的概率。

4.3 主动降噪

一般规定司钻控制房内的最大噪声不高于65 dB（A）。连续8 h以上位于超过80 dB（A）噪声环境中可能会对人体造成损害。研发主动降噪系统，通过产生与噪声源振幅相同但相位相反的声波来降低感知噪声，改善司钻工作环境，缓解工作压力，减少出现失误的概率。另外，由于个人工作习惯的原因，部分操作人员习惯听到绞车等关键设备工作的声音，因此需要具有自主调整降噪等级的功能，更有利于司钻安全操作设备。

4.4 抬头显示

应用抬头显示技术将重要信息投射到司钻前方的玻璃上，这使得操作人员能够在作业过程中直接看到设备随时监视显示的信息。确保实现不离开移动设备，观测到状态参数，提升操作安全性和设备执行效率。

5 结语

分析了HMHW、NOV、SLB等国外公司钻机人机交互系统技术现状，论述了各自的优势功能和特点，其在人机交互的科学性、功能设置的合理性、能力规划的完善性等方面发展较为全面。另外，基于行业现状，结合现场对安全优快钻井的生产应用需求，预测了人机交互系统未来的发展趋势，即自动钻井疲劳监测、主动降噪和抬头显示。