石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與建議

于國(guó)民(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

0 引言

自動(dòng)鉆井是世界上最先進(jìn)的鉆井技術(shù)，此技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以提升鉆井人員的工作安全，是廣大鉆井工作者的共同去期待。然而，我國(guó)石油鉆井平臺(tái)的自動(dòng)化程度低，存在著鉆井效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全隱患大的問題。隨著網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、鉆探等技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆井自動(dòng)化技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。當(dāng)前，鉆探市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。世界上許多國(guó)家的鉆探企業(yè)都在致力于加快鉆速、縮短鉆機(jī)周期、保證安全、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因?yàn)榇蟛糠值你@機(jī)工人都是在高空工作，所以工作壓力和身體負(fù)荷都很大，必須提高工作環(huán)境，提高工作的自動(dòng)化程度。為此，必須實(shí)現(xiàn)鉆井的自動(dòng)化與智能化。

1 我國(guó)石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀

目前，世界上90%以上的鉆井設(shè)備是由電力驅(qū)動(dòng)的，在這些技術(shù)中，交流變頻、直流驅(qū)動(dòng)等技術(shù)在鉆井機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。直流傳動(dòng)鉆機(jī)的控制系統(tǒng)包括：柴油機(jī)控制、直流控制、鉆機(jī)操作控制、電磁制動(dòng)控制、交流電動(dòng)機(jī)控制等五大部分?，F(xiàn)階段，各個(gè)鉆井工作中最為常用的石油鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行期間有一定的要求，需要保證其高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高負(fù)載，而開關(guān)、刷子的維修工作量大，在降低慣性、增大負(fù)載的過程中需要投入的人力和物理以及具體要求更多，給相關(guān)工作的開展提出了更多的要求，如此一來，就無(wú)法保證鉆井設(shè)備智能化、高轉(zhuǎn)速的發(fā)展。

主要闡述了交流變頻鉆機(jī)控制系統(tǒng)與交流電動(dòng)機(jī)控制中心控制的區(qū)別，其主要特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)、制動(dòng)器采用DVM和DC斬波技術(shù)，具有更好的轉(zhuǎn)速控制、使用方便、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，能夠有效地提高功率和節(jié)能。由于懸浮技術(shù)和自動(dòng)化鉆探技術(shù)的發(fā)展，交流變頻器的工作方式發(fā)生了巨大的變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，維護(hù)方便，工作效率提高。

2 鉆井機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

在時(shí)代的發(fā)展下，各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)力逐步提升。在此情況下，各項(xiàng)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的污染情況也更加嚴(yán)重。對(duì)此，在開展石油鉆井工作時(shí)，并需要關(guān)注其工作對(duì)環(huán)境的影響，降低污染現(xiàn)象的發(fā)生幾率。同時(shí)，在我國(guó)油氣資源合理開發(fā)的情況下，可以有效的提升其核心競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)其自動(dòng)化裝備的需求日益增長(zhǎng)。中國(guó)各大石油裝備生產(chǎn)商也紛紛推出自己的產(chǎn)品，例如：動(dòng)力走道、二層臺(tái)鋪管、鉆工熨斗、鉆臺(tái)夾管機(jī)械手等。另一些公司則將“關(guān)鍵環(huán)節(jié)”與電子控制有機(jī)地結(jié)合起來，將兩層鋪管機(jī)、鉆臺(tái)管架機(jī)械手、鐵頸等自動(dòng)化裝置的操作進(jìn)行簡(jiǎn)化和軟件化，使得相關(guān)裝置可以在信息技術(shù)和相關(guān)參數(shù)的影響下進(jìn)行自主的工作，保證運(yùn)行情況的有序性和科學(xué)性。該設(shè)備僅需要人工對(duì)某些重要工序進(jìn)行驗(yàn)證，從而使鉆機(jī)運(yùn)行更加簡(jiǎn)單，并減少了發(fā)生事故的幾率。采用一體化的鉆臺(tái)與二層工作臺(tái)邊鉆桿，可將單件鎖緊、松緊、抓取、卸料等功能，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)20條鉆繩的功能，降低了鉆臺(tái)、三樓平臺(tái)的人員數(shù)量。在此情況下，日常鉆井工作的開展效率更高，人力的投入數(shù)量更少，既節(jié)約了成本投入又增加了工作效益。

2.1 動(dòng)力貓道

動(dòng)力貓道是實(shí)現(xiàn)鉆桿、鉆桿和鉆桿自動(dòng)輸送的關(guān)鍵設(shè)備。一般放在鉆機(jī)前面，單根動(dòng)力貓道如圖1所示，雙根動(dòng)力貓道如圖2所示。在鉆井施工中，該裝置使用了電動(dòng)走道，產(chǎn)生了鉆機(jī)和鉆臺(tái)的自動(dòng)化運(yùn)行，提高了輸送的效率。同時(shí)，有部分廠家為了提升企業(yè)的工作效率，在此基礎(chǔ)上，增加了電動(dòng)設(shè)備，提升了運(yùn)送平臺(tái)的數(shù)量，提高了交通效率[2]。對(duì)此，可以明確，動(dòng)態(tài)穿孔機(jī)以及動(dòng)力貓道的設(shè)置可以極大提高運(yùn)輸效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高運(yùn)輸安全性、降低鉆井作業(yè)費(fèi)用。后期優(yōu)化的動(dòng)力貓道在實(shí)際的運(yùn)行期間，更具自動(dòng)化、智能化，適合對(duì)已有的陸地平臺(tái)進(jìn)行更新，并與新的裝備相匹配。

圖1 單根動(dòng)力貓道

圖2 雙根動(dòng)力貓道

2.2 二層臺(tái)排管機(jī)

二層臺(tái)鋪管機(jī)是為起下鉆、起下鉆和鋪管作業(yè)而開發(fā)的自動(dòng)鉆孔專用輔助設(shè)備，它是自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)的重要組成部分。它安裝在井架上，由司鉆室控制，使二層臺(tái)指梁不斷向井口中心移動(dòng)，取代二層臺(tái)起重機(jī)，在二層平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值班作業(yè)，使鉆井安全得到了極大改善。擱臺(tái)鋪裝機(jī)由擱臺(tái)、擱臺(tái)機(jī)械手、監(jiān)測(cè)裝置等組成。二層工作臺(tái)是儲(chǔ)藏鉆鋌、鉆桿、梁鎖等設(shè)備，以保證管線的安全。該系統(tǒng)可幫助鉆機(jī)對(duì)二層工作臺(tái)的機(jī)械手、手指鎖進(jìn)行判斷，并對(duì)二層工作臺(tái)的控制管和液壓提升機(jī)的輸送狀況進(jìn)行了分析。排水立管的工作是將拆下的立管排放到鉆臺(tái)上的立管箱中(起下鉆)，并在鉆機(jī)起鉆時(shí)將立管從立管箱上移除，然后將其送入吊卡中(起鉆)。這是一項(xiàng)危險(xiǎn)、費(fèi)力、緊張和高壓的工作。為此，在研究和建立根管技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鐵鉆工、緩沖機(jī)械手等設(shè)備，使井口可以采用單樁法或立樁法。二層工作臺(tái)的機(jī)械手、鉆機(jī)工作臺(tái)的管道密封機(jī)械手、電動(dòng)升降機(jī)、卡瓦等裝置能夠?qū)Σ倏v桿的抓取、輸送(管路)進(jìn)行接觸，消除了安全隱患，提高了作業(yè)的效率[3]。

2.3 鐵鉆工

鐵鉆是一種能夠在鉆臺(tái)上進(jìn)行修復(fù)和破壞的自動(dòng)化設(shè)備。該設(shè)備能適用于多種型號(hào)、大小的鉆機(jī)，具有無(wú)線遙控及遠(yuǎn)距離有線控制功能。系統(tǒng)由立柱總成、支臂總成、鉗體總成等組成。本設(shè)備能安全、快速、穩(wěn)定地完成鉆具的連接、松開、緊固。本裝置采用液壓卡鉗、B型卡鉗、套管卡鉗等多種形式的鉆機(jī)上、下功能的綜合，使鉆機(jī)的安全性能得到極大的改善，同時(shí)減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。新一代鐵節(jié)流閥采用鐵頸式主軸高度感應(yīng)器及可視辨識(shí)系統(tǒng)，可自動(dòng)辨識(shí)目前管繩的高度，并可自行移至井口中央進(jìn)行裝卸，無(wú)須手動(dòng)調(diào)節(jié)。盡管該系統(tǒng)能有效改善生鐵包裝的自動(dòng)化程度，但在惡劣的氣候條件和作業(yè)環(huán)境下，還需要進(jìn)一步完善[4]。

2.4 鉆臺(tái)面扶管機(jī)械手

近幾年來，國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的鉆頭都是人工完成的，安裝鉆桿、入孔、射柱和下放鉆桿的操作都是由兩三名操作員共同完成的，這樣做不但耗費(fèi)人力，而且有時(shí)還會(huì)引起鉆桿的過度振動(dòng)，從而引起鉆柱的崩塌和人身?yè)p害。鉆臺(tái)鉆桿支架機(jī)器人的問世，解決了上述問題。機(jī)器人是用于自動(dòng)控制管柱加工系統(tǒng)的輔助裝置，該裝置是一種自動(dòng)卸載、拆卸、垂直安裝鉆桿、鉆鋌和套管的裝置，還能在斜面或通道上的鉆臺(tái)上鉆出繩索。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，自動(dòng)化程度高。該夾具可一次調(diào)節(jié)夾具的大小，便于調(diào)節(jié)不同的管子大小。因?yàn)殂@臺(tái)的機(jī)械化設(shè)置，所以減少了人力的操作，工作人員就不必在此崗位上操作，提高了安全性。但此設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行期間，操作效率并不高，一些制造商開發(fā)了一種提升式夾管機(jī)械手，以解決傳統(tǒng)鉆臺(tái)夾管機(jī)械臂工作效率低的問題。通過使用二層臺(tái)機(jī)械手，管柱可以在垂直的方向上進(jìn)行移動(dòng)，從而起下鉆效率可以提高5列/小時(shí)以上，新舊鉆機(jī)均可改裝[5]。

3 雙司鉆集成控制系統(tǒng)

近年來，鉆井公司在降低成本、降低成本和安全管理方面提出了更高的要求。因此，鉆井機(jī)械自動(dòng)化程度高，對(duì)綜合控制技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。但是，由于傳統(tǒng)的建筑方式會(huì)造成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及后臺(tái)的反應(yīng)滯后，造成了現(xiàn)場(chǎng)能源管理的效率低下、物資、設(shè)備分散、過程可視、不透明等問題，嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)效率和工程管理水平的提高。

為了扭轉(zhuǎn)這種局面，此系統(tǒng)在各個(gè)企業(yè)以及制造商中極受歡迎。此系統(tǒng)由兩套多功能司鉆操作椅、一套綜合控制椅、一臺(tái)機(jī)械操作平臺(tái)和一套機(jī)械操作平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的電氣、氣體和液體控制以及鉆機(jī)的控制和控制。在管柱自動(dòng)裝置中，應(yīng)用預(yù)先設(shè)定的防碰撞聯(lián)鎖程序，利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，可以有效進(jìn)行監(jiān)控，保障了工作人員的安全。同時(shí)，司鉆室結(jié)構(gòu)的改變，使各輔具的自主性、重復(fù)性得到了完全的改善；集成傳統(tǒng)的工具，工業(yè)監(jiān)控，設(shè)備參數(shù)等。在前部操作屏幕上，對(duì)控制界面進(jìn)行了優(yōu)化，既能減少作業(yè)費(fèi)用，又能極大改善作業(yè)的舒適度。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井平臺(tái)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控及典型輔助診斷，便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維修。

4 發(fā)展與建議

21世紀(jì)，信息技術(shù)迅猛發(fā)展，5G的到來，加速了世界范圍內(nèi)的數(shù)字化、智能化，使人類步入智能化的新時(shí)期。隨著時(shí)光流逝，從傳統(tǒng)制造到“智能制造”，發(fā)展迅速。為了盡快普及鉆機(jī)自動(dòng)化和智能化技術(shù)，本文就如何發(fā)展鉆井平臺(tái)家用自動(dòng)化技術(shù)給出了建議。

4.1 鉆井設(shè)備自動(dòng)化、智能化發(fā)展

中國(guó)已有部分地、井下自動(dòng)裝置，但與NOV、斯倫貝謝等公司的產(chǎn)品種類及種類存在較大差異。今后，鉆井技術(shù)將朝著智能化的方向發(fā)展。鉆臺(tái)，雙層工作臺(tái)等都不需要人力。取而代之的是，像鉆井和操縱機(jī)器人這樣的智能裝置會(huì)代替手工，而鉆井則可以遙控。另外，通過對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)典型故障進(jìn)行典型的故障診斷，可以極大提高現(xiàn)場(chǎng)維修和維修工作的效率。

4.2 鉆機(jī)信息化技術(shù)的發(fā)展

遠(yuǎn)程分析技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、等技術(shù)的發(fā)展，將使油田鉆井裝備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)鉆井參數(shù)、鉆井位置、地層構(gòu)造進(jìn)行分析，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。利用資料的分析與處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井工藝的自動(dòng)化規(guī)劃與指導(dǎo)。今后，石油天然氣勘探會(huì)朝著無(wú)人作業(yè)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能化[6]。

4.3 鉆機(jī)電驅(qū)化節(jié)能減排

鉆井是石油開采中的重要裝備，同時(shí)又是高能耗產(chǎn)業(yè)。長(zhǎng)期以來，石油鉆探的動(dòng)力來源以柴油為主。但是，該工藝能耗較低，必然會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體和噪聲。電鉆是由電驅(qū)動(dòng)的，它不但可以降低尾氣的排放量，而且可以降低能源消耗、噪音和成本。鉆機(jī)工作負(fù)荷變化大，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，造成鉆機(jī)能耗大。為了降低鉆機(jī)的能耗，可以使用超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)。在鉆井過程中，使用儲(chǔ)能技術(shù)來節(jié)省備用能源消耗，利用儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量回收，鉆井過程中可使用輔助制動(dòng)。并且通過合理的能源分配策略，可以合理地存儲(chǔ)、分配和使用能源，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.4 鉆機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

為了保證國(guó)內(nèi)鉆井設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，必須增加國(guó)內(nèi)鉆井設(shè)備的供應(yīng)。加快變頻器、PLC、自動(dòng)化設(shè)備、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，掌握關(guān)鍵技術(shù)，突破國(guó)外技術(shù)壁壘，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)鉆機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)。如果此項(xiàng)自動(dòng)化制造技術(shù)可以順利提出并且投入到使用中，則可以促進(jìn)我國(guó)石油鉆井行業(yè)的自動(dòng)化和數(shù)字化發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

油氣工程裝備，特別是海上油氣制造裝備，是現(xiàn)代先進(jìn)制造、信息技術(shù)、新材料技術(shù)等高新技術(shù)的結(jié)合。石油鉆井是一項(xiàng)涉及電力、天然氣、液體等領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程。為了提高鉆井設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度，設(shè)備制造商和專業(yè)公司需要共同努力克服這個(gè)問題，在世界石油設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展中取得更大的成功。