石油鉆井設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)分析

趙天增 吳小亮

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452

在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)之下，各行各業(yè)逐漸加強了對于節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保方面的重視，石油鉆井施工也是如此，通過運用節(jié)能減排技術(shù)，不僅能夠降低實際生產(chǎn)以及運營成本，而且有助于減少對于環(huán)境的污染影響，實現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在提高經(jīng)濟效益的同時，保障生態(tài)效益，是當(dāng)前行業(yè)以及社會發(fā)展過程中的共同課題。因此，加強對于石油鉆井設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)的研究和分析是十分有必要的。

1 節(jié)能減排視角下石油鉆井設(shè)備實際運用情況

1.1 對于節(jié)能減排技術(shù)重視不足

受到當(dāng)前市場環(huán)境的影響，石油企業(yè)之間的競爭壓力逐漸增強，使得企業(yè)在實際發(fā)展的過程中，對于經(jīng)濟增長方面的追求較為迫切，以期能夠通過擴大生產(chǎn)規(guī)模，提升自身收益。導(dǎo)致企業(yè)在實際鉆井生產(chǎn)的過程中，過分關(guān)注運行成本、生產(chǎn)效益等，缺乏對于節(jié)能減排方面的重視，仍然使用年久失修、耗能較高的老舊設(shè)備，存在節(jié)能減排重視程度較低，成本投入不足的情況，難以取得良好的節(jié)能減排效果，這不僅難以實現(xiàn)對于實際鉆井成本的有效控制，而且還會給生態(tài)環(huán)境帶來一定負(fù)擔(dān)[1]。

1.2 對進(jìn)口設(shè)備技術(shù)依賴程度高

在當(dāng)前節(jié)能減排形勢較為嚴(yán)峻的情況之下，我國石油鉆井企業(yè)為提升自身節(jié)能減排能力，需要使用先進(jìn)技術(shù)手段和設(shè)備，但由于我國在此方面的研究有限，因此需要引進(jìn)大量進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)。而且隨著當(dāng)前社會經(jīng)濟的發(fā)展，消費規(guī)模持續(xù)擴大，而且石油勘探開采本身需要消耗大量能量和資源，這也使得國內(nèi)石油鉆井作業(yè)對于進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)的依賴程度不斷提高。在國家生態(tài)環(huán)保治理力度不斷加強的情況下，石油生產(chǎn)作為能源消耗的核心產(chǎn)業(yè)，企業(yè)所面臨的環(huán)境壓力、生產(chǎn)壓力也在日益加強，進(jìn)口設(shè)備已經(jīng)成為當(dāng)前石油鉆井作業(yè)過程中不可或缺的組成部分之一。

1.3 節(jié)能減排計算分析尚不完善

石油企業(yè)在實際生產(chǎn)作業(yè)的過程中，需要消耗大量能源，但為提升自身經(jīng)濟效益，企業(yè)將更多的精力投入到了成本控制以及如何提升經(jīng)濟收益方面，缺乏對于能源消耗情況，以及污染物排放情況等方面的計算和分析，對于實際鉆井作業(yè)過程的監(jiān)控不足，難以實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的有效利用，這也是導(dǎo)致石油鉆井作業(yè)能源消耗持續(xù)增加的主要因素之一。通過節(jié)能減排方面的計算和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對于實際石油鉆井工作的指導(dǎo)，以此達(dá)到降低能源消耗、減少污染排放的效果。但當(dāng)前石油企業(yè)缺乏對于節(jié)能減排計算分析方面的重視，相關(guān)統(tǒng)計分析仍不完善。

2 石油鉆井設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)實際運用分析

2.1 分析井噴事故構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)

影響石油鉆井井噴事故的主要原因包括人、物、環(huán)境、管理和技術(shù)5個方面，通過明確事故影響因素，有助于在實際生產(chǎn)過程中實現(xiàn)對于各種因素的控制、規(guī)避和處理，降低事故發(fā)生的概率。在此基礎(chǔ)上，建立事故因素解釋結(jié)構(gòu)模型，還能夠為后續(xù)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建提供良好支持[2]。石油鉆井井噴因素如表1所示。

表1 石油鉆井井噴因素

經(jīng)過石油鉆井專家的分析，得到事故因素集中各要素之間的直接關(guān)系，并構(gòu)建相鄰矩陣，最終得到井噴事故因素解釋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 井噴事故因素解釋結(jié)構(gòu)模型

然后采用層次分析法，對井噴事故機理展開分析，使用判斷矩陣進(jìn)行一致性以及隨機性檢驗。檢驗過程中，使用到的公式如下：

CR=CI/RI

式中，CR表示判斷矩陣的隨機一致性比率；CI表示判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RI表示矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)。

在上述分析的基礎(chǔ)上，運用系統(tǒng)論，構(gòu)建事故預(yù)警指標(biāo)體系，將影響因素特征量，轉(zhuǎn)化為預(yù)警信號輸出圖，并科學(xué)劃分指標(biāo)的正常波動范圍、可控范圍以及危險范圍，直接反映鉆井工作的安全情況。

井噴事故預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建和運用，能夠有效實現(xiàn)對于實際鉆井過程的監(jiān)控和分析，并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患，實現(xiàn)預(yù)防性維修，強化對于井噴事故的控制能力，不僅能夠保障實際生產(chǎn)安全，而且還能夠有效避免停機、資源浪費等情況，降低設(shè)備維修和管理成本，減少企業(yè)經(jīng)濟損失，達(dá)到良好節(jié)能效果。

2.2 強化鉆井監(jiān)控以及狀態(tài)評價

通過對于鉆井過程中相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控以及狀態(tài)的評價分析，能夠充分了解實際設(shè)備運行情況，了解設(shè)備運行過程中的生產(chǎn)效率，并為后續(xù)生產(chǎn)方案的制定和調(diào)整提供參考，有助于提高設(shè)備運行效率和質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。鉆井狀態(tài)評價過程中，需要注意的主要參數(shù)如表2所示。

表2 鉆井參數(shù)

在實際生產(chǎn)時，需要根據(jù)鉆井參數(shù)，合理進(jìn)行設(shè)備調(diào)控，以提高生產(chǎn)質(zhì)量、效率。除此之外，還應(yīng)加強對于鉆柱應(yīng)力的分析，以便充分了解設(shè)備運行狀態(tài)。鉆柱應(yīng)力主要包括以下幾個方面。

（1）軸向應(yīng)力，主要是在外部荷載、鉆壓等作用下產(chǎn)生的。計算公式如下：

式中，σz表示軸向應(yīng)力，N；Fb表示動載鉆壓，N；q1表示單位長度鉆桿質(zhì)量，kg；l1表示鉆桿長度，m；q2表示單位長度鉆挺質(zhì)量，kg；l2表示鉆挺長度，m；q表示單位長度鉆柱質(zhì)量，kg；l表示鉆柱長度，m；D表示鉆柱外徑，m；d表示鉆柱內(nèi)徑，m。

（2）彎曲應(yīng)力，是由鉆柱橫向振動引起的，實際生產(chǎn)過程中，鉆柱不僅會正常轉(zhuǎn)動，還會逆時針繞井眼旋轉(zhuǎn)。在鉆柱運動時，彎曲應(yīng)力會受到鉆桿截面慣性矩、截面下鉆柱浮重等的影響。

（3）剪切應(yīng)力，該力主要是在鉆盤、頂驅(qū)扭矩作用下產(chǎn)生的，會受到鉆柱扭矩以及內(nèi)外徑大小的影響。

（4）交變應(yīng)力，在實際鉆井過程中，鉆柱通過井眼時，所受應(yīng)力的方向和大小都會發(fā)生改變，且呈現(xiàn)出交替變化特點，此時鉆柱就處于交變應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力比為最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比[3]。

基于上述分析，構(gòu)建鉆井實時監(jiān)控系統(tǒng)，將基礎(chǔ)參數(shù)導(dǎo)入其中，并根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)計算鉆柱應(yīng)力，通過應(yīng)力分析，識別鉆柱受力狀態(tài)以及鉆井工況，以實現(xiàn)對于鉆井過程和狀態(tài)的實時監(jiān)控，并展開時效分析，不斷提高單井作業(yè)效率，縮短作業(yè)時間，進(jìn)而減少能源消耗以及污染排放。

2.3 運用數(shù)據(jù)技術(shù)優(yōu)化石油鉆井

將大數(shù)據(jù)技術(shù)運用到石油鉆井設(shè)備節(jié)能減排研究當(dāng)中，可以建立鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫，并通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析挖掘，為鉆井作業(yè)參數(shù)控制調(diào)整提供參考，同時還有助于故障診斷分析、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測，對于鉆進(jìn)優(yōu)化有著積極作用，同時還可以將其用于對鉆進(jìn)設(shè)備性能的評估分析，是實現(xiàn)故障預(yù)測、自動診斷，以及實時監(jiān)控的必要技術(shù)手段。

首先，需要選擇特征參數(shù)，包括鉆壓、泵壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等，并采集數(shù)據(jù)，作為訓(xùn)練樣本和后續(xù)測試樣本。其次，基于支持向量機，建立預(yù)測模型，先確定輸入變量，以及輸出變量，并對其展開歸一化處理，獲得數(shù)據(jù)樣本集，再確定核函數(shù)、敏感性系數(shù)。最后，后建立支持向量機回歸模型，預(yù)測鉆進(jìn)過程。預(yù)測流程如圖2所示。通過對實際鉆進(jìn)過程的預(yù)測和分析，有助于強化對于作業(yè)情況的控制，降低作業(yè)風(fēng)險，達(dá)到降低石油鉆井成本的效果，能夠幫助石油企業(yè)，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

圖2 鉆井過程預(yù)測流程

3 強化石油鉆井設(shè)備節(jié)能減排效果的對策

結(jié)合上述分析，為強化提升石油鉆井設(shè)備節(jié)能減排效果，有針對性地提出了以下對策建議，以期能夠降低石油鉆井施工作業(yè)過程中的能源消耗，減少污染排放，幫助石油企業(yè)提升自身經(jīng)濟以及生態(tài)效益。

（1）重視設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)。石油企業(yè)應(yīng)加強對于節(jié)能減排的重視和研究，強化相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的投入，以此降低實際鉆井生產(chǎn)過程中的能源消耗，同時減少污染排放，這不僅可以幫助企業(yè)降低實際生產(chǎn)成本，而且也減少了污染排放方面的資金投入，有助于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

（2）積極開發(fā)節(jié)能減排設(shè)備以及相關(guān)技術(shù)。加強對于石油鉆井作業(yè)節(jié)能減排設(shè)備的開發(fā)和研究，提高研究投入資金，積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)手段，以此不斷提高鉆井作業(yè)的質(zhì)量和效率，縮短鉆井周期，達(dá)到節(jié)約成本、減少能源消耗、降低污染排放的目的。隨著當(dāng)前大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，此類技術(shù)將會逐漸應(yīng)用到石油鉆井設(shè)備當(dāng)中，幫助企業(yè)強化生產(chǎn)控制，降低人為因素影響，達(dá)到良好節(jié)能減排效果。

（3）深化完善數(shù)據(jù)分析工作。為保障石油鉆井作業(yè)的節(jié)能減排效果，科學(xué)制定節(jié)能減排方案，應(yīng)加強對于實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析，實現(xiàn)對于能源消耗、污染排放的準(zhǔn)確計算，并通過分析不同技術(shù)、設(shè)備運用下石油鉆井作業(yè)的節(jié)能減排效果，不斷優(yōu)化實際生產(chǎn)方案，合理運用相關(guān)技術(shù)設(shè)備，最大程度上提升節(jié)能減排效果，提高石油鉆井生產(chǎn)的經(jīng)濟以及生態(tài)效益[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在實際展開石油鉆井生產(chǎn)的過程中，應(yīng)充分結(jié)合生產(chǎn)需求，合理運用相關(guān)技術(shù)手段，更新生產(chǎn)設(shè)備，通過對井噴事故的分析，構(gòu)建事故預(yù)警系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對于事故問題的有效預(yù)測，提前采取預(yù)防措施，降低生產(chǎn)損失，保障生產(chǎn)作業(yè)的順利性以及安全性。此外，還應(yīng)加強對于鉆井過程的監(jiān)控和管理，并及時對作業(yè)狀態(tài)展開評價，構(gòu)建相應(yīng)狀態(tài)評價系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)對生產(chǎn)作業(yè)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低實際生產(chǎn)能耗以及污染排放。同時，還應(yīng)加強對于大數(shù)據(jù)技術(shù)的運用分析，實現(xiàn)對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的科學(xué)分析和運用，準(zhǔn)確預(yù)測鉆井過程，優(yōu)化鉆井控制，以此降低鉆井風(fēng)險，控制生產(chǎn)成本。相信隨著對設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)的分析和實踐運用，石油鉆井水平將會得到進(jìn)一步提升。