石油鉆機智能控制技術(shù)的應(yīng)用進展

王亞鵬

（中國石油川慶鉆探長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

近年來，石油資源的勘探和開發(fā)逐漸向環(huán)境復(fù)雜地域拓展，普通的石油鉆機開采設(shè)備已經(jīng)滿足不了需求[1]。隨著智能化控制技術(shù)的發(fā)展，智能石油鉆機在石油鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為石油開采過程的重要力量。將智能控制技術(shù)應(yīng)用在石油鉆井領(lǐng)域，不僅可以提高石油開采的效率和質(zhì)量，同時降低開采成本，更重要的是還能夠保障石油工作者以及鉆井設(shè)備的安全性，減少事故的發(fā)生。目前，我國的石油鉆機可以在海洋、沙漠、極地低溫等區(qū)域進行正常作業(yè)[2]。將智能控制技術(shù)應(yīng)用在石油開采鉆井環(huán)節(jié)帶來的好處顯而易見，但是存在的問題也很多，如智能控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)問題，電機性能不足，對環(huán)境的適應(yīng)性并不強等等，需要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，以促進石油產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 石油鉆機智能控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

智能化石油控制鉆機在我國發(fā)展較晚，技術(shù)還不成熟。目前我國研制的智能化控制鉆機只是具備某種單項功能，僅僅是將設(shè)備和自動化技術(shù)進行簡單集成，仍然需要配備作業(yè)人員進行操作，還處在初期階段。比如，由寶雞石油機械有限責任公司研發(fā)并制造的智能化控制石油鉆機[3]在2019 年正式投入使用，其作業(yè)深度可達7000 m，且在使用過程中獲得了較好的評價。中曼石油研發(fā)的智能化控制鉆機可以實現(xiàn)遠程操作，以此為基礎(chǔ)，可以開發(fā)出功能更加齊全的產(chǎn)品。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

智能化石油鉆機控制技術(shù)在國外的發(fā)展較早，尤其是2000 年以后取得了快速發(fā)展，并且國外的智能化控制鉆機集成度較高，技術(shù)先進，其中以挪威、意大利制造的智能控制鉆機為代表[4]。

挪威WeST 公司于2010 年開始研發(fā)一種連續(xù)運動自動鉆機（CMR），并在2015 年制造完成并投入使用。CMR 是一種雙井架構(gòu)的設(shè)計方式，和普通鉆機相比，CMR 中集成了雙（高位、低位）提升系統(tǒng)，利用齒輪齒條作為驅(qū)動工具，結(jié)構(gòu)簡單，使得連續(xù)起下鉆操作和連續(xù)循環(huán)操作成為現(xiàn)實；在鉆臺上安裝了立根盒，呈現(xiàn)出雙單根作業(yè)的模式，立根通過排管機來傳送。CMR 在運行時的最大起下鉆速度可達到3600 m/h，相比于普通鉆機優(yōu)勢明顯。此外，CMR 還集成了自動化管柱處理系統(tǒng)，管柱在上下移動時速度恒定，井筒內(nèi)壓力始終處于平衡的狀態(tài)，減少了井漏、卡鉆等事故的發(fā)生，大大提高了操作的安全性。同時，對于鉆井的經(jīng)濟成本和時間控制成本，CMR 也具有明顯優(yōu)勢。

Drillmec 鉆機產(chǎn)于意大利，以HH350 型鉆機為主要代表。HH350 是一種柱式結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式，利用液壓缸的頂升原理實現(xiàn)鉆具的提升和下放，并且配備了垂直管架輸送系統(tǒng)，所有立根是由人工提前布置好的，結(jié)構(gòu)簡單。HH350 的輸入功率強大，可達1150 kW，能夠?qū)崿F(xiàn)3170 kN 的最大靜鉤載。

2 智能化控制鉆機發(fā)展中的主要問題

目前，科研人員在實現(xiàn)石油鉆機的智能化控制方面取得了很大的進展，但是仍然存在著很多問題。

首先，在石油開采中，企業(yè)通常將包括控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)在內(nèi)的各種智能系統(tǒng)布設(shè)在司鉆房中，技術(shù)人員對鉆機的操作是在司鉆房中進行的，對于復(fù)雜的操作而言，需要保證司鉆房內(nèi)環(huán)境良好，有明確的規(guī)章管理制度，以保證控制過程無干擾，提高工作效率。但有的企業(yè)的司鉆房管理很混亂，對于各種系統(tǒng)的管理和檢查、維護并不規(guī)范，極容易出現(xiàn)操作分神、誤操作等問題[5]。因此，需要改革司鉆房的管理制度，培養(yǎng)引進掌握智能化操作的管理人員，嚴格操作規(guī)范，加強崗前培訓，使得司鉆房的管理井井有條，避免出現(xiàn)鉆機控制操作不當?shù)那闆r。

其次，實現(xiàn)鉆機的智能化控制，對電機的性能也提出了很高的要求。但是，現(xiàn)如今使用的電機一般只能從整體上對部分參數(shù)進行設(shè)置，想要實現(xiàn)某些特殊的功能，還比較困難，這就導致鉆機不能達到預(yù)想的效果，主要體現(xiàn)在：①電機的體積過大，運輸不方便。并且在使用過程中，如果頻繁移動工作區(qū)域，出現(xiàn)故障的概率就會增大，但目前我國還未研發(fā)出體積小、集成度高的電機，這是制約我國鉆機向智能化發(fā)展的一大因素；②由于石油鉆機的工作環(huán)境通常比較復(fù)雜，極易導致電機的損壞，所以需要對電機采取防護措施，建立電機高等級防護體系[6]。但是這種防護體系需要很高的經(jīng)濟成本和技術(shù)成本做支撐，這成為了影響鉆機智能化發(fā)展的另一個因素。

近年來國家大力發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并積極號召企業(yè)將互聯(lián)網(wǎng)融入到自身當中去，實現(xiàn)智能控制[7]。但是，石油開采是傳統(tǒng)的能源行業(yè)，在這方面還有較大差距。目前，科研人員在不斷努力研發(fā)智能控制系統(tǒng)，以集成司鉆控制系統(tǒng)為例，它能夠?qū)崿F(xiàn)在司鉆房內(nèi)全面監(jiān)控鉆井過程中的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)了智能化監(jiān)控，但是這些參數(shù)傳送到企業(yè)機關(guān)部門的速度卻非常慢，不利于設(shè)備管理。因此，需要加強各部門之間信息傳輸?shù)撵`活性和及時性，提高鉆機的信息化程度。

3 鉆機智能控制發(fā)展建議

所謂智能控制，是指設(shè)備或者裝置能夠根據(jù)當下發(fā)生的事件進行分析判斷，并做出相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整[8]。然而，目前投入使用的鉆機并不能實現(xiàn)該項功能，對于將要執(zhí)行的動作，鉆機首先要進行預(yù)先判斷，收到控制系統(tǒng)的指令信號才能執(zhí)行該操作，這僅僅可以稱為自動化，遠遠達不到智能控制的水平。對于智能控制鉆機的研發(fā)，現(xiàn)階段可以分為兩步走：①以國外自動化鉆機為基礎(chǔ)，設(shè)置總體的研發(fā)目標，并明確各個模塊的功能，研制出集成度高、功能穩(wěn)定的設(shè)備和工具（自動貓道機、多功能頂驅(qū)等），實現(xiàn)“半自動智能控制鉆機”的研發(fā)；②在“半自動智能控制鉆機”的基礎(chǔ)上，對其進行升級改造，從控制軟件入手，提高鉆機的邏輯分析和判斷能力，以便更加可靠地應(yīng)用在復(fù)雜場景中，最終實現(xiàn)“全自動智能控制鉆機”的研發(fā)。

4 結(jié)束語

在石油開采過程中，實現(xiàn)鉆機的智能化控制具有重要意義。一方面，它可以使鉆機應(yīng)用到復(fù)雜的環(huán)境中去，提高鉆井效率和安全性，減少風險；另一方面，智能化控制節(jié)約了勞動力，減輕了企業(yè)成本。因此，科研人員要加強智能化控制鉆機的研發(fā)，完善培訓制度，提高實操能力，推動石油企業(yè)的發(fā)展。