王凱

摘 要：21世紀(jì)，石油依然是能源需求最主要的來(lái)源，石油開采也是能源供應(yīng)的最主要行業(yè)。通過(guò)運(yùn)用石油鉆井技術(shù)對(duì)石油資源進(jìn)行充分挖掘不僅能夠有效緩解石油供求的矛盾，也有利于緩解石油資源危機(jī)。在石油資源的開采方式中，鉆井技術(shù)是最直接、有效的，石油鉆井能夠以非常簡(jiǎn)捷、高效的生產(chǎn)工藝提高石油開采量。本文闡述了鉆井的構(gòu)造原理，分析了我國(guó)傳統(tǒng)石油鉆井的不足，對(duì)鉆井設(shè)備的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行了探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：石油鉆井；設(shè)備；自動(dòng)化技術(shù)

1 鉆井的構(gòu)造原理

1.1 基本要求

石油鉆機(jī)是一種具備多項(xiàng)功能的成套性聯(lián)合工作機(jī)組，其囊括了旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)、鉆具起升系統(tǒng)、傳動(dòng)及控制系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力機(jī)組、底座及其他輔助設(shè)備等。就鉆井工藝而言，石油鉆機(jī)應(yīng)具備起下鉆具能力、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力、循環(huán)洗井能力等。

起下鉆具能力要求石油鉆機(jī)的起升速度要快、起重能力要強(qiáng)，以滿足井下事故處理及起下鉆具等要求。一般而言，石油鉆機(jī)的起升及起重均由起升系統(tǒng)來(lái)完成。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力要求石油鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩應(yīng)得到保證，以滿足鉆頭及鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的要求。一般而言，石油鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩均由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)完成。循環(huán)洗井能力要求循環(huán)鉆井液的排量及壓力應(yīng)得到保證，以滿足井底沖洗、正常鉆進(jìn)及巖屑攜帶等的要求。一般而言，循環(huán)鉆井液的排量及壓力由循環(huán)系統(tǒng)來(lái)完成。

1.2 系統(tǒng)及設(shè)備

1.2.1起升系統(tǒng)

在鉆井中，起升系統(tǒng)的作用包括：起下鉆具、起下套管、鉆頭送進(jìn)及懸特鉆具等。鉆機(jī)起升系統(tǒng)的組成成分包括：鉆井絞車、游動(dòng)系統(tǒng)（鋼絲繩、游動(dòng)滑車、天車及大鉤）、輔助剎車、井架、用于起下鉆具的機(jī)械化設(shè)備（吊卡、動(dòng)力大鉗、卡瓦及立根移運(yùn)機(jī)構(gòu)等）及井口工具。就井架而言，其作用包括：安放天車、懸掛游車、大鉤及專用工具、起下鉆具操作、起下套管操作，或在起下鉆具中存放立根。就游動(dòng)系統(tǒng)而言，其作用包括：降低快繩拉力、減輕鉆井作業(yè)中鉆機(jī)紋車的負(fù)荷、降低起升機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)的所需功率。就鉆井絞車而言，其作用包括：起下鉆具、起下套管、送進(jìn)鉆具、控制鉆壓、上或卸鉆具絲扣、起吊重物、整體起放井架等。

1.2.2旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

在鉆井過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用包括：帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)及帶動(dòng)鉆頭破碎巖。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括水龍頭及轉(zhuǎn)盤等主要設(shè)備。一般而言，現(xiàn)代鉆機(jī)均配備了鉆具自動(dòng)送進(jìn)裝置。轉(zhuǎn)盤在鉆井中主要完成以下工作：轉(zhuǎn)動(dòng)井中鉆具、傳遞扭矩及轉(zhuǎn)速、承托井中傘部套管柱或鉆桿柱重量、卸鉆頭、卸扣等。水龍頭在旋轉(zhuǎn)、提升及循環(huán)等工作機(jī)組的作用十分關(guān)鍵，其作用主要表現(xiàn)為：懸持旋轉(zhuǎn)中的鉆桿柱、承受鉆具重量、向旋轉(zhuǎn)中的鉆桿輸送高壓鉆井液。

2 我國(guó)傳統(tǒng)石油鉆井的不足

我國(guó)是石油大國(guó)，有著儲(chǔ)量豐富的石油資源，我國(guó)的石油年均開采量一直處于世界的前列。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口數(shù)量的激增，人們對(duì)能源資源的需求也在不斷增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的石油鉆井是我國(guó)原油開采的主要方式，但這種開采方式在技術(shù)水平、開采工藝上比較落后，石油的生產(chǎn)產(chǎn)量也比較低。傳統(tǒng)石油開采模式與采用現(xiàn)代技術(shù)的石油鉆井相比較，存在的不足之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1開采難度比較大

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，采用先進(jìn)的鉆井技術(shù)，不僅使石油企業(yè)的石油開采效率得到了極大程度的提高，還大大降低了生產(chǎn)人員的操作難度。我國(guó)傳統(tǒng)的石油開采技術(shù)比較落后，采油鉆井技術(shù)還不成熟，使原油開采的難度比較大，嚴(yán)重制約了我國(guó)原油開采事業(yè)的快速發(fā)展。

2.2石油開采成本比較高

導(dǎo)致我國(guó)石油行業(yè)發(fā)展緩慢的一大重要因素就是成本投入比較高。對(duì)石油開采，前期投資比較大，短期內(nèi)無(wú)法及時(shí)收回成本，致使我國(guó)早期的石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展很慢。在油井的維護(hù)方面，也是需要比較大的投資。而最終企業(yè)獲得的經(jīng)濟(jì)收益往往和預(yù)期的差別比較大，種種因素導(dǎo)致我國(guó)早期的石油業(yè)發(fā)展處于滯后階段。

2.3石油產(chǎn)量比較低

在傳統(tǒng)的石油鉆井中，沒(méi)有先進(jìn)的勘測(cè)技術(shù)，給原油生產(chǎn)帶來(lái)很多麻煩，預(yù)先設(shè)計(jì)好的生產(chǎn)工藝不能順利執(zhí)行。不能進(jìn)行正確的油井定位，是造成原油產(chǎn)量低的重要因素。例如：前期對(duì)油井的勘測(cè)不精確，不能準(zhǔn)確地找出油氣層的位置，導(dǎo)致開采期間原油的產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)。

3 鉆井設(shè)備的自動(dòng)化技術(shù)

3.1鐵鉆工上扣過(guò)程自動(dòng)化

作為一種廣泛應(yīng)用的石油鉆井井口設(shè)備，鐵鉆工在石油鉆井的過(guò)程中被廣泛應(yīng)用到海洋、陸地的鉆井以及修井作業(yè)時(shí)上卸鉆井設(shè)備的鉆桿絲扣，具體而言，鐵鉆工是傳統(tǒng)的液壓大鉗的升級(jí)產(chǎn)品。在結(jié)構(gòu)的組成上，鐵鉆工的主要采用行走式動(dòng)力大鉗的結(jié)構(gòu)，包括主鉗、龍門式功能架和液氣聯(lián)合控制系統(tǒng)以及行走軌道等主要結(jié)構(gòu)。

在鐵鉆工的鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，他需完成以下幾個(gè)動(dòng)作。首先是鐵鉆工從怠工位置行走至井口位置或行走至鉆井的小鼠洞的位置。隨后要升降油缸來(lái)帶動(dòng)鐵鉆工鉗體做升降運(yùn)動(dòng)，在這一過(guò)程中還要注意要夾緊氣缸，使大鉗夾緊鉆桿工具。最后就是要通過(guò)高低擋氣胎離合器的換擋來(lái)實(shí)現(xiàn)上卸扣的動(dòng)作。

現(xiàn)在我國(guó)的各大油田一般都采用動(dòng)力大鉗，這些被廣泛采用的動(dòng)力大鉗多數(shù)為氣缸伸縮或人工推拉的前后移送式的形式實(shí)現(xiàn)的。有一些鉆井隊(duì)在鉆井中使用的行走式的動(dòng)力大鉗相對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力大鉗已經(jīng)有了較大的進(jìn)步，但是自動(dòng)化的控制程度依然比較低，存在一定的技術(shù)缺陷。隨著石油鉆井設(shè)備自動(dòng)化的不斷發(fā)展，基于行走式動(dòng)力大鉗的鐵鉆工上扣過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)不斷獲得發(fā)展，這一技術(shù)的發(fā)展大大提高了行走式液壓大鉗的自動(dòng)化程度，從而以鐵鉆頭的自動(dòng)化上扣實(shí)現(xiàn)了鉆井系統(tǒng)的柔性控制，大大提高了鉆井過(guò)程的可靠性，提高了其抗干擾的能力，基本實(shí)現(xiàn)了鉆井設(shè)備上扣過(guò)程的自動(dòng)化控制。

3.2鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

鉆機(jī)作為一種重要的石油鉆井設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)鉆井工作的一套綜合性機(jī)組。鉆井設(shè)備的裝備水平和自動(dòng)化程度，很大程度上取決于鉆機(jī)的自動(dòng)化程度。隨著人們對(duì)鉆井自動(dòng)化要求的提高，人們對(duì)鉆井設(shè)備的自動(dòng)化要求也隨之提高，自動(dòng)化的鉆井設(shè)備要滿足以下幾點(diǎn)的要求。

首先是要求鉆井設(shè)備在給鉆具提供足夠的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的同時(shí)維持一定的鉆壓，從而有效的破碎巖石形成井眼。其次是鉆井設(shè)備都需要具有一定的自動(dòng)提升能力，從而滿足鉆具送進(jìn)和更換鉆頭下套管等需要。最后就是要以鉆井設(shè)備的自動(dòng)化形成一套自動(dòng)控制的高效率的鉆井系統(tǒng)，譬如頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、鉆井智能專家系統(tǒng)等，滿足鉆井直井、定向斜井、水平井和叢式鉆井等各種類型油井的需要。

近年來(lái)，石油鉆井設(shè)備的自動(dòng)化程度的發(fā)展主要體現(xiàn)在鉆機(jī)自動(dòng)化水平的提高上，現(xiàn)代自動(dòng)化鉆機(jī)主要是可以實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)控制的鉆機(jī)。自動(dòng)控制鉆機(jī)傾向于小型化和自動(dòng)化配置設(shè)計(jì)，這樣就可以便于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)快速安裝。同時(shí)鉆機(jī)可以自身裝配一臺(tái)專門的小型的升降叉車，使得鉆機(jī)無(wú)須起重機(jī)或安裝扒桿就可以實(shí)現(xiàn)快速的安裝。用交流電供能的鉆機(jī)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)控制，還可以減輕對(duì)環(huán)境的污染。用交流電供能給鉆機(jī)的頂部驅(qū)動(dòng)，它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作，該裝置可起下28M立柱，減少了鉆井時(shí)三分之一的上卸扣操作，可以在不影響現(xiàn)有設(shè)備的條件下提供比轉(zhuǎn)盤更大的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，可以連續(xù)起下鉆、循環(huán)、旋轉(zhuǎn)和下套管，還可以使被卡鉆桿倒劃眼。采用鐵鉆工，可以實(shí)現(xiàn)在鉆臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化鉆井作業(yè)。如果方便的話，可以采用水力自動(dòng)卡瓦，這樣就可以進(jìn)一步消除井眼對(duì)中的人工操作，從而大大提高鉆機(jī)的自動(dòng)化水平，作為重要的鉆井設(shè)備，鉆機(jī)自動(dòng)化水平的提高，可以提高鉆井設(shè)備總體的自動(dòng)化水平。

4 結(jié)語(yǔ)

石油鉆井是開采原油資源的最有效方法，石油企業(yè)在制定鉆井方案的時(shí)候，必須全面考慮現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況和自然環(huán)境條件，制定綜合性的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。在石油鉆井過(guò)程中，不僅要實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化和操作自動(dòng)化，還要實(shí)現(xiàn)原油開采過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，提高石油企業(yè)的生產(chǎn)效率，提高原油資源的開采利用率。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：黑龍江景宏石油設(shè)備制造有限公司）