郭 華 周 超 鄭清華 張 甫

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

截至目前，中國海上油氣田經(jīng)過40年大規(guī)模開發(fā)，在淺海海域采用固定式導(dǎo)管架平臺開發(fā)已成為一種成熟的油氣田開發(fā)模式。鉆機(jī)作為鉆井作業(yè)的核心裝備，為整個鉆井作業(yè)提供動力和支撐[1]。海上鉆井裝置分為移動式鉆井裝置和固定式鉆井裝置。移動式鉆井裝置具有工作時效較高、可實(shí)現(xiàn)先期導(dǎo)管架鉆井、油田可早投產(chǎn)收效快、與平臺接口界面相對較少等特點(diǎn)，中國第一座自行設(shè)計建造的自升式鉆井平臺“渤海一號”于1973年建成并投入使用[2]。在移動式鉆井裝置發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了坐底式、自升式和半潛式等多種型式。由于起步早，自動化相關(guān)技術(shù)應(yīng)用較完善，早期完美解決了中國海上油田開發(fā)叢式井的鉆井作業(yè)需求[3]。

隨著海上油田開發(fā)規(guī)模越來越大，部分油田單個平臺布置的井?dāng)?shù)也越來越多，初期鉆完井、后期修井和調(diào)整井作業(yè)對鉆井裝置的需求越來越迫切。目前，在初期開發(fā)井?dāng)?shù)較多的固定式導(dǎo)管架平臺上，模塊鉆機(jī)扮演著初期鉆井、后期修井和進(jìn)行調(diào)整井作業(yè)的重要角色，在過去幾年的海上開發(fā)井鉆井作業(yè)中，模塊鉆機(jī)占據(jù)了將近一半的作業(yè)量。從1983年，中國首座模塊鉆機(jī)由依靠與國外公司合作，在埕北油田“A平臺”開始服役至今，中國逐漸實(shí)現(xiàn)了設(shè)計、裝備制造、集成配套等全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，并取得了對外出口服務(wù)的驕人業(yè)績[4-7]。

目前中國模塊鉆機(jī)配套仍舊以傳統(tǒng)鉆機(jī)配套為主(圖1)，在二層臺、鉆臺井口區(qū)、坡道區(qū)大量采用人工作業(yè)，自動化程度低，工人的勞動強(qiáng)度大、危險性較高。在海上作業(yè)安全與環(huán)境要求不斷提高、人工成本逐年上升、工業(yè)控制與數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，回顧模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)發(fā)展歷程，結(jié)合移動式鉆機(jī)和模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索我國模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，對于提升中國海上鉆井作業(yè)效率和安全性，推動油氣田開發(fā)增儲上產(chǎn)、提質(zhì)增效及綠色發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 中國海油海上固定平臺模塊鉆機(jī)

1 模塊鉆機(jī)的優(yōu)勢

1.1 起步晚，發(fā)展快

早在1945年國外已開始用鋼材建造固定式平臺，其后模塊化鉆機(jī)得到工業(yè)應(yīng)用。1973年，美國石油協(xié)會在發(fā)布了模塊鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 2E 1st，后于1988年廢止。中國在埕北油田引進(jìn)模塊鉆機(jī)之后，1989年在南海東部首個合營油田惠州21-1引進(jìn)現(xiàn)代海洋模塊鉆機(jī)。從1990年惠州21-1油田投產(chǎn)至1996年，南海東部一共引進(jìn)了7座海洋模塊鉆機(jī)。

2003年中海石油研究中心開始籌備海洋模塊鉆機(jī)國產(chǎn)化研究課題，2005年中國海油完成了監(jiān)理、建造、設(shè)計三級跳，其后模塊鉆機(jī)在國內(nèi)迎來了大發(fā)展，2007—2009年，中國海油發(fā)布了11部模塊鉆機(jī)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，2013年發(fā)布3部模塊鉆機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29549.1～3，2017年中國牽頭起草的模塊鉆機(jī)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 18647發(fā)布實(shí)施。截至目前中國已成為全球模塊鉆機(jī)數(shù)量最多的國家之一，保有量約80座，且以每年2～3座的速度遞增。

表1 中國海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：海上石油平臺鉆機(jī)(Q/HS 2037)

1.2 目標(biāo)油田明確，可實(shí)現(xiàn)“量體裁衣”式設(shè)計

中國近海油氣藏在勘探發(fā)現(xiàn)后，在300 m水深范圍以內(nèi)的油氣田一般采用導(dǎo)管架平臺布置叢式井集中開發(fā)，目的油氣層、平臺產(chǎn)量和井槽數(shù)量等需求較為清楚，鉆完井作業(yè)對鉆井裝備的需求相對明確。模塊鉆機(jī)一般建成調(diào)試好后永久安置在生產(chǎn)平臺上，負(fù)責(zé)后期修井和調(diào)整井作業(yè)。鉆機(jī)各系統(tǒng)設(shè)備可充分考慮目標(biāo)油田的具體需求，實(shí)現(xiàn)“量體裁衣”式設(shè)計，保證海上油氣田高效開發(fā)。例如，針對渤海某油田開發(fā)井斜深較淺、水平位移井較大的特點(diǎn)，鉆機(jī)提升系統(tǒng)在保持最大鉤載不升級的情況下，針對性地提升頂驅(qū)、灰罐、鉆井泵和鉆井液池相關(guān)參數(shù)配置，保證鉆井作業(yè)高效；針對南海某油田生產(chǎn)平臺在生產(chǎn)期間電站能力不足的問題，模塊鉆機(jī)設(shè)計了生產(chǎn)平臺反供電回路，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)與生產(chǎn)平臺一體化供電。

1.3 初期建造成本高，后期作業(yè)時機(jī)靈活

模塊鉆機(jī)國產(chǎn)化后費(fèi)用較進(jìn)口已大幅降低，目前單座模塊鉆機(jī)設(shè)計、集成建造、海上調(diào)試總費(fèi)用約2億人民幣，而移動式鉆井裝置初期建成后可多地重復(fù)使用，進(jìn)而攤薄每次使用成本。但是，模塊鉆機(jī)在海上安裝調(diào)試成功后，操作日費(fèi)僅為移動式鉆井平臺的四分之一至五分之一，這為海上大型油氣田開發(fā)提供了更多選擇。

在海上油田投產(chǎn)后，模塊鉆機(jī)一直安裝在生產(chǎn)平臺上，可以隨時為密集的叢式井提供修井和側(cè)鉆等作業(yè)服務(wù)，節(jié)約了移動式鉆井裝置的動員時間。從以往的使用經(jīng)驗(yàn)來看，在水深小于120 m的淺水海域，當(dāng)海上平臺開發(fā)井?dāng)?shù)達(dá)到35口左右，模塊鉆機(jī)便成為油公司更為合適的選擇；在自升式鉆井平臺受限的120～300 m水深的海域，模塊鉆機(jī)優(yōu)勢更為突出。

2 國外鉆機(jī)自動化配置及發(fā)展情況

海上模塊鉆機(jī)的基本設(shè)備組成相同，控制對象基本相同，自動控制技術(shù)具備較強(qiáng)的可借鑒性。2005年AKer為阿塞拜疆國際作業(yè)者公司交付的BP公司Central Azeri項(xiàng)目模塊鉆機(jī)具備遠(yuǎn)程控制功能，可實(shí)現(xiàn)在棧橋連接的臨近平臺控制模塊鉆機(jī)作業(yè)。該套鉆機(jī)具備手動、導(dǎo)向和自動三種工作模式。在自動模式下，該鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，鉆臺上除司鉆外不需作業(yè)人員，所有設(shè)備由預(yù)先設(shè)定的程序按步驟執(zhí)行，所有的互鎖和防碰撞系統(tǒng)自動開啟。該套鉆機(jī)主要配置的自動化設(shè)備有氣動指梁、二層臺橋吊、鷹爪機(jī)、動力吊卡、低位導(dǎo)向臂、液壓鐵鉆工、泥漿盒、液壓動力卡瓦、動力鼠洞、堆場送管機(jī)和甲板折臂吊。甲板折臂吊可實(shí)現(xiàn)堆場190°范圍內(nèi)管材抓取并放置于送管機(jī)上，配置動力貓道將管子運(yùn)送至鉆臺，再由低位導(dǎo)向臂和鷹爪機(jī)將管子由水平狀態(tài)調(diào)整為豎直狀態(tài)，在動力鼠洞中接好立根后放置于對應(yīng)指梁位置。該套鉆機(jī)還配置了區(qū)域智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在每一個設(shè)備周圍預(yù)設(shè)了虛擬空間，每個虛擬空間可由最多5個矩形組成，每個動態(tài)變化的矩形將具體位置信息顯示在同一個坐標(biāo)系中。區(qū)域智能管理系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置了每個設(shè)備之間的安全距離，通過可編程邏輯控制器(PLC)在相關(guān)設(shè)備碰撞發(fā)生前停止其運(yùn)行。

過去的10年是自動化鉆井技術(shù)發(fā)展最快的時期，國外公司陸續(xù)推出了一批具有較高自動化水平的新型鉆機(jī)開展試驗(yàn)驗(yàn)證。斯倫貝謝推出了配置9套機(jī)械手和2套鐵鉆工的未來鉆機(jī)；West Group推出了應(yīng)用7個機(jī)器人、32個軸實(shí)現(xiàn)管柱的高精度自動化處理的CMR鉆機(jī)；Drillmec推出了配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)和鉆井監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)的全液壓鉆機(jī)。這些有益的工業(yè)嘗試，為國內(nèi)模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)引進(jìn)和再創(chuàng)新提供了良好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

國外鉆機(jī)在用的鉆井集成控制系統(tǒng)主要有NOV的Cyberbase系統(tǒng)、Amphion 系統(tǒng)以及Aker MH的DrillView系統(tǒng)(圖2)。Amphion和Cyberbase為自動化鉆臺流程和設(shè)備交互的控制系統(tǒng)，它將機(jī)器控制、鉆機(jī)自動化、鉆井?dāng)?shù)據(jù)、閉路電視和第三方信息整合成一個連貫的系統(tǒng)。DrillView使用WITS協(xié)議在DrillviewTM系統(tǒng)和各種第三方服務(wù)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)，確保設(shè)備安全、高效和可靠的工作。

圖2 國外典型司鉆座椅

在管具處理系統(tǒng)方面，部分國外固定式平臺模塊鉆機(jī)自動化管具處理水平略高，在管具堆場配套折臂吊以及水平動力貓道，如West White Rose固定式平臺配套Aker MH公司的折臂吊以及水平動力貓道從而完成管具在堆場與鉆臺之間的移運(yùn)；此外，海瑞克公司設(shè)計了一套適用于固定式平臺的自動化鉆井包TI-600，但該鉆井包目前屬于概念設(shè)計，未能得到實(shí)際應(yīng)用，該鉆井包提升系統(tǒng)采用液壓起升形式，并配備了一整套自動化管具處理系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)式抓管機(jī)、液壓排管架、門式抓管裝置、液壓吊卡、動力卡瓦、鐵鉆工等設(shè)備，該鉆井系統(tǒng)采用預(yù)接好的雙根進(jìn)行作業(yè)(管具堆場排放的是預(yù)接好雙根鉆柱，而非常規(guī)單根)。

隨著海上作業(yè)對時效的要求不斷提高和作業(yè)水深的增加，輔助鉆井作業(yè)時間在整個鉆井作業(yè)時間中的占比也相應(yīng)的增加，為了提高深水的鉆井效率，通過優(yōu)化和改善鉆井工藝，提高輔助鉆井操作和主鉆井操作的并行性，漸漸形成了“雙井架”(dual derrick)和“一個半井架”(offline or dual activity rig)兩種基于鉆井工藝流程的鉆機(jī)型式。1999年，世界上第一艘安裝了雙井架鉆機(jī)系統(tǒng)的Discoverer Enterprise號鉆井船交付，該平臺的成功建造是世界深水鉆井裝備發(fā)展的里程碑[8]。

目前雙井架作業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)成為大型鉆井船鉆機(jī)的標(biāo)配，雙井架鉆機(jī)通常采用平行型排管系統(tǒng)，平行型排管系統(tǒng)主要適用于需排放大量鉆桿、鉆鋌、套管的平臺，能與水平的鉆桿操作系統(tǒng)完美地協(xié)調(diào)起來。可通過調(diào)節(jié)指梁的具體尺寸，來實(shí)現(xiàn)不同尺寸的鉆柱排放。先進(jìn)的鉆井船大多數(shù)配置雙井架系統(tǒng)，并配備自動化管具處理設(shè)備，如Drillmax、Drillmax ice、Discoverer clear leader等多座半潛式鉆井平臺。隨著半潛式海洋鉆機(jī)的發(fā)展，其自動化程度越來越高，抓管吊、動力貓道、HTV、排管機(jī)、動力指梁、鐵鉆工、動力卡瓦、動力吊卡、泥漿防噴盒、扶正機(jī)械手、隔水管吊機(jī)、隔水管立式貓道等自動化管具處理系統(tǒng)設(shè)備配置齊全[9]。

移動式深水鉆機(jī)在鉆井液自動混配方面發(fā)展比較完善，操作者指定鉆井液處方和加入到泥漿的混合材料，在混合管線上的密度傳感器顯示鉆井液密度。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)密度時，加重材料的加入會停止。加入到鉆井液中的處理劑的速度和容量可以通過控制加料器和液體添加泵撬來進(jìn)行控制，每個容器內(nèi)散料粉末或者液體容量和重量可以追蹤顯示，NOV、CAMERON、SWACO等公司產(chǎn)品均有成功應(yīng)用案例。該技術(shù)的發(fā)展方向是基于泥漿混合系統(tǒng)的全自動實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將井下和井口等傳感器和儀表采集的數(shù)據(jù)反饋給計算機(jī)處理器，處理器計算出需要加入鉆井液中化學(xué)處理劑的容量和正確的添加速度，發(fā)送給鉆井液自動混合系統(tǒng)。鉆井液存儲和泵送系統(tǒng)與鉆井液混合系統(tǒng)、散料存儲和輸送系統(tǒng)共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)鉆井液狀態(tài)的不斷優(yōu)化，確保井眼的維護(hù)優(yōu)化和調(diào)整[10-11]。

近年來，海洋深水鉆機(jī)也出現(xiàn)了多種自動化程度較高的新型鉆機(jī)，如Aker MH的Ramrig液壓缸提升系統(tǒng)系列深水鉆機(jī)、NOV的超深水液壓缸提升系統(tǒng)鉆機(jī)、NOV的雙絞車深水鉆機(jī)、Huisman的多功能鉆井塔式雙絞車鉆機(jī)等，在海洋深水環(huán)境中均具有較好的表現(xiàn)[12]。

3 中國模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)現(xiàn)狀及原因分析

3.1 操作與控制系統(tǒng)

中國海上固定平臺模塊鉆機(jī)操作與控制系統(tǒng)集電氣可編程邏輯控制器(PLC)、火氣探測(F&G Monitor)、公共廣播報警(PA/GA)、工業(yè)監(jiān)視(CCTV)、程控電話(PABX)和局域網(wǎng)(LAN)功能為一體，性能穩(wěn)定并率先實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。模塊鉆機(jī)司鉆房內(nèi)鉆井儀表、頂驅(qū)、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、高壓管匯等設(shè)備的操作分布在不同的操作臺上。鉆井儀表一般為單獨(dú)的操作顯示臺，采用機(jī)械表的形式顯示鉤載、鉆壓、立管壓力、大鉗扭矩、泥漿泵泵沖等主要鉆井參數(shù)，一般位于司鉆椅的正前方。節(jié)流控制盤上顯示有高壓立管、節(jié)流壓井管匯、液氣分離器的壓力及高壓鉆井泵的脈沖次數(shù)，節(jié)流壓井管匯上的液控節(jié)流閥可在節(jié)流控制盤上進(jìn)行控制操作。司鉆房內(nèi)設(shè)備控制由各設(shè)備廠家提供，在司鉆房內(nèi)組裝，司鉆房內(nèi)布置較為繁雜，并且各設(shè)備之間往往相互獨(dú)立，缺乏信號對接，設(shè)備之間缺乏互鎖保護(hù)，鉆機(jī)主要依靠司鉆操作者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行安全控制。

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司近年開展了管柱自動處理系統(tǒng)、井口自動化工具、遠(yuǎn)程電子司鉆及其集成技術(shù)等研究工作，建設(shè)了基于VR技術(shù)的雙司鉆操作系統(tǒng)(圖3)。目前，中海油模塊鉆機(jī)的操作與控制正在向一體化集成控制方向發(fā)展，在近年新建的部分鉆機(jī)上，傳統(tǒng)的鉆井儀表已集成在了鉆機(jī)操作與控制系統(tǒng)中。由于目前在建鉆機(jī)中配套的自動化設(shè)備主要為二層臺機(jī)械手和鐵鉆工，司鉆房內(nèi)布置了主司鉆和副司鉆兩張操作椅(副司鉆僅控制二層臺機(jī)械手，鐵鉆工利用遙控盒根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地情況進(jìn)行控制)，僅有在建的渤中29-6油田WHPA模塊鉆機(jī)配置了冗余式主輔雙司鉆一體化操作與控制系統(tǒng)。

圖3 寶雞石油機(jī)械責(zé)任有限公司的雙司鉆操作系統(tǒng)

從2006年開始建造“海洋石油941”自升式鉆井平臺至今，中國主要海工制造企業(yè)完成了大量高端自升式鉆井平臺的設(shè)計建造工作，如大連船舶重工、煙臺中集來福士海洋工程、中遠(yuǎn)海運(yùn)重工、上海外高橋、招商局工業(yè)集團(tuán)等，這些鉆井平臺上的鉆機(jī)主要配套了美國NOV鉆井包，部分鉆機(jī)配置了Cameron、TSC等廠家的鉆井包，司鉆集成操控系統(tǒng)、管具處理自動化系統(tǒng)等已成為這些自升式鉆井平臺的標(biāo)配[13]。中國移動式鉆機(jī)在用的鉆井集成控制系統(tǒng)幾乎全部被NOV以及Aker MH的操作系統(tǒng)所壟斷。目前國產(chǎn)鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)水平與國外相比存在非常大的差距，已實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的集成操作系統(tǒng)主要集中在陸地鉆機(jī)或者未配套自動化管具處理設(shè)備的自升式鉆井平臺，高端海洋鉆機(jī)操作與控制系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性還未得到充分證明和市場認(rèn)可。近年來中國新建造的海洋深水鉆機(jī)已基本全部實(shí)現(xiàn)了自動化設(shè)備配套，有些鉆機(jī)還配套了雙作業(yè)鉆井系統(tǒng)，如“中集藍(lán)鯨號”，以及大多數(shù)的超深水鉆井船等。

總體來看，目前模塊鉆機(jī)的操作與控制系統(tǒng)以傳統(tǒng)鉆機(jī)為主，與陸地常規(guī)鉆機(jī)相似，仍舊需要大量工人的協(xié)同作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，在設(shè)備的自動化配套、操作系統(tǒng)的自動化作業(yè)流程、設(shè)備之間的安全互鎖保護(hù)方面存在不足[14]。

3.2 管具處理自動化系統(tǒng)

管具處理自動化系統(tǒng)是一個綜合性處理系統(tǒng)，主要完成鉆桿、鉆鋌、套管、隔水管等管具的抓取、運(yùn)移、組裝、拆卸、放置等任務(wù)，保證管材鉆具安全快速、穩(wěn)定高效以及連貫流暢處理[15-17]。模塊鉆機(jī)在堆場、二層臺區(qū)的管具處理與大部分傳統(tǒng)陸地鉆機(jī)相似，在鉆臺區(qū)配置有鐵鉆工、液壓貓頭、液氣大鉗、手動卡瓦、手動吊卡、氣動絞車、常規(guī)鼠洞等設(shè)備，隨著鉆機(jī)自動化技術(shù)不斷發(fā)展，模塊鉆機(jī)開始對人員操作強(qiáng)度大、危險性高的場合增配自動化的管具處理設(shè)備，當(dāng)前逐漸實(shí)施配套的產(chǎn)品有動力卡瓦、液壓吊卡、鐵鉆工、二層臺機(jī)械手及動力指梁等，實(shí)現(xiàn)二層臺和鉆臺區(qū)的少人化作業(yè)。如黃巖1-1氣田“WHPA平臺”模塊鉆機(jī)、錦州25-1油田“WHPA平臺”模塊鉆機(jī)及恩平15-1油田“CEP平臺”模塊鉆機(jī)等配套伸縮臂式鐵鉆工用于管具上卸扣操作；錦州25-1油田“WHPA平臺”模塊鉆機(jī)、恩平15-1油田“CEP平臺”模塊鉆機(jī)等同時配套動力指梁、二層臺機(jī)械手等設(shè)備，用于管具移運(yùn)及排放。

自升式鉆井平臺的自動化管具處理系統(tǒng)因其具有較高的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性，正在逐步取代傳統(tǒng)的人工管具操作，淺水鉆機(jī)配置該系統(tǒng)的比例越來越大，近年來我國新建的自升式鉆井平臺一般配備自動化管具處理系統(tǒng)，如“海洋石油941”“東方龍”“東方鳳”等。但是，中海油部分在用自升式鉆井平臺仍未配備自動化管具處理系統(tǒng)，如“南海一號”“海洋石油935”“海洋石油921”等。中國的半潛式鉆井平臺單井架鉆機(jī)一般不配備自動化管具處理設(shè)備(如“南海二號”“南海五號”等)，僅有少數(shù)平臺(如“南海六號”)配套鐵鉆工、動力卡瓦及半自動排管機(jī)等設(shè)備，管具處理方案與移動式老舊淺水鉆機(jī)和模塊鉆機(jī)類似。

總體來看，中國模塊鉆機(jī)配套的自動化管具處理設(shè)備比較少，仍普遍使用傳統(tǒng)貓道及坡道、氣動絞車吊運(yùn)管具進(jìn)行上下鉆臺操作。有的鉆機(jī)僅配套了鐵鉆工，新設(shè)計或者建造的鉆機(jī)也僅配置了鐵鉆工和二層臺機(jī)械手，僅減少了部分人力，在操作時仍舊需要人工協(xié)助參與，其主要不足有以下幾點(diǎn)：

1)仍舊是傳統(tǒng)的坡道，管具上鉆臺需要人工全面參與，無法實(shí)現(xiàn)管具自動上鉆臺；

2)管具從貓道上鉆臺后，由頂驅(qū)吊卡吊起，但管具下端仍舊采用工人扶持的方式，沒有配套自動化扶持緩沖設(shè)備；

3)配套了二層臺機(jī)械手，避免了工人需要上二層臺拉管具的操作，但是下部管具扶持?jǐn)[放在鉆臺立根盒中仍舊需要工人去推扶操作，沒有自動化扶持機(jī)械手設(shè)備；

4)鉆臺面自動化程序較低，缺少自動化的鼠洞及泥漿收集盒等設(shè)備；

5)由于鉆機(jī)配套設(shè)備的自動化程度低，操作管具需耗費(fèi)工人大量的體力，無法實(shí)現(xiàn)針對特定工作流程的一鍵式操作。

3.3 鉆井液混配與處理系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)鉆井液混配與處理系統(tǒng)包括鉆井液混合、配置和處理系統(tǒng)。鉆井液混合系統(tǒng)一般配有混合漏斗、混合器、混合泵、剪切泵、攪拌器等，其設(shè)備的開啟關(guān)閉控制、管路上閥門的開啟關(guān)閉控制均需要人工手動操作。

鉆井液散料輸送系統(tǒng)包括散裝罐、壓縮空氣系統(tǒng)、緩沖罐、測量與控制系統(tǒng)等。罐裝散料存儲在散料存儲罐中，存儲罐中的散料通過壓縮空氣吹送到緩沖罐內(nèi)，再由緩沖罐添加到混合漏斗中，添加混合到泥漿罐中，實(shí)現(xiàn)鉆井液的配置、加重等。散裝存儲罐的底腳帶有稱重裝置，能夠稱量罐中儲存的散裝材料重量。存儲罐頂部安裝測深開關(guān)，稱重傳感器和測深開關(guān)分別把重量信息和物料深度系統(tǒng)傳送到灰罐就地控制盤，同時在就地控制盤上設(shè)置有物料高報警。在模塊鉆機(jī)上配置的罐裝散料輸送系統(tǒng)上管路閥門均采用手動控制，需要人工開啟和關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)散料輸送。該系統(tǒng)雖然自動化程度不高，但通過灰罐和緩沖罐的就地控制盤可以實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)散料重量和物料高度的實(shí)時監(jiān)測。

模塊鉆機(jī)的固控系統(tǒng)一般由振動篩、除氣器、除砂器、除泥器、離心機(jī)等設(shè)備組成，設(shè)備及管路上閥門的的開啟和關(guān)閉均需人工手動操作。目前，中海油模塊鉆機(jī)固控系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)廠家較多，中海油研究總院2019年研發(fā)成功的四位一體鉆井液處理設(shè)備集振動篩、除氣器、除砂器、除泥器功能于一體[18]，逐步開始海上應(yīng)用，但其遠(yuǎn)程自動化控制功能尚處于研發(fā)階段。

目前，在固控系統(tǒng)和鉆井液混合方面，中國模塊鉆機(jī)未采用自動化控制和監(jiān)測方式。散料輸送系統(tǒng)、鉆井液混合、固控系統(tǒng)都需要人員手動操作，需要操作人員具備鉆井管匯和閥門布置知識基礎(chǔ)，在鉆井過程中依靠經(jīng)驗(yàn)和個人判斷來確保系統(tǒng)正確操作，鉆井效率易受到操作人員數(shù)量和操作效率的影響，操作人員所處的HSE環(huán)境有進(jìn)一步提升的需求，在鉆井液密度自動檢測、自動混合和自動傳輸方面沒有成功應(yīng)用案例。

3.4 原因分析

中國海上模塊鉆機(jī)屬油公司資產(chǎn)，在平臺上主要用于油田初期開發(fā)井作業(yè)和后期修井作業(yè)，相對移動式鉆井平臺鉆井和修井作業(yè)頻率較低，在模塊鉆機(jī)整個壽命周期中存在大量的閑置時間，而昂貴的自動化設(shè)備購置和后期維保成本對油公司來講是一個重要的考慮因素，這在一定程度上限制了自動化技術(shù)在模塊鉆機(jī)上的工業(yè)應(yīng)用。

相對國外來講，過去的幾十年中中國一線作業(yè)人員人力資源成本相對較低，同時大部分自動化設(shè)備的鉆完井作業(yè)效率并不具備顯著的提效效果，甚至有的自動化設(shè)備還需配置國外服務(wù)隊伍，在響應(yīng)時間上不能滿足油公司快速恢復(fù)正常作業(yè)的具體需求。

模塊鉆機(jī)在相對熟悉的地層進(jìn)行開發(fā)井作業(yè)，與所在的生產(chǎn)平臺接口較多，鉆機(jī)所消耗的柴油、壓縮空氣、水、電等均由生產(chǎn)平臺提供。模塊鉆機(jī)置提升系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備參數(shù)冗余度較小，占地面積相對移動式鉆井平臺較小，這也在一定程度上限制了自動化設(shè)備的應(yīng)用。

4 模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)發(fā)展方向展望

4.1 擁抱高集成度司鉆操作系統(tǒng)

隨著鐵鉆工、動力二層臺、動力卡瓦、緩沖機(jī)械手等自動化設(shè)備普及應(yīng)用和智能區(qū)域管理系統(tǒng)不斷發(fā)展應(yīng)用，鉆機(jī)司鉆功能較傳統(tǒng)鉆機(jī)司鉆大為增加，并可實(shí)時監(jiān)測所有設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和鉆井工藝參數(shù)，單司鉆操作系統(tǒng)已不適應(yīng)現(xiàn)代化鉆機(jī)的安全高效作業(yè)需求，模塊鉆機(jī)配置高集成度的司鉆操控系統(tǒng)必然成為未來發(fā)展趨勢。以寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司2021年開發(fā)的二代自動化鉆機(jī)為例，上鉆桿、接單根、下鉆等動作流程實(shí)現(xiàn)了一鍵式操作，中間無需增加人工干預(yù)。鉆機(jī)配套集成控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電子司鉆智能控制平臺，可實(shí)現(xiàn)管柱的自動化處理及鉆機(jī)設(shè)備的整體監(jiān)控自動化控制，大大提高鉆機(jī)自動化水平和作業(yè)安全性[19]。

4.2 發(fā)展視覺識別與測量技術(shù)

視覺識別與測量技術(shù)[20]是指使用攝像頭、檢測計算機(jī)、軟件實(shí)時計算檢測目標(biāo)鉆井設(shè)備周圍是否有干涉物并及時進(jìn)行控制，進(jìn)而保證鉆臺各項(xiàng)自動化系統(tǒng)平穩(wěn)有序高效工作，為管具自動化處理設(shè)備提供更精確和高效的技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)還可與井下測量技術(shù)相結(jié)合，形成隨鉆多參數(shù)測量及井場智能化裝備、智能閉環(huán)自主控制技術(shù)與裝備等[21]。目前NOV公司在排管機(jī)方面有商業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)北京JJC、四川宏華、寶石機(jī)械等在視覺識別方面做了相關(guān)的研究工作，該項(xiàng)技術(shù)依然應(yīng)用前景廣闊。

4.3 普及鉆井液自動混配技術(shù)

自動混漿控制系統(tǒng)在鉆井液自動混配技術(shù)在高端移動式鉆井裝置上應(yīng)用較多，目前在線密度監(jiān)測、配套PLC控制、高性能計算器等配套技術(shù)已比較成熟。江漢石油管理局第四機(jī)械廠和長江大學(xué)曾多次對鉆井液快速自動混配系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)化實(shí)踐[22]。展望“十四五”及未來一段時期內(nèi)，井下早期溢流檢測和井下數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)將有效解決中深層壓力異常導(dǎo)致的泥漿窗口窄等問題[23]。由于海上模塊鉆機(jī)建造成本和占地面積受限等實(shí)際原因，鉆井液自動混合與配置系統(tǒng)至今并未在模塊鉆機(jī)上應(yīng)用。但是海上高昂的用工成本以及更為友好的鉆井液操作環(huán)境需求都對模塊鉆機(jī)鉆井液自動混配系統(tǒng)提出了新需求，閉環(huán)自動調(diào)節(jié)鉆井液性能的混配系統(tǒng)必將成為下一步發(fā)展方向。

4.4 發(fā)展控壓一體化鉆機(jī)

控壓鉆井技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，近年在國內(nèi)移動式鉆井平臺上得到一定程度的應(yīng)用，并且取得了良好的應(yīng)用效果，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在南海某探井項(xiàng)目中提速20%。隨著中國海油向中深層開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，地層壓力異常、鉆井液窄窗口等問題愈發(fā)突出。模塊鉆機(jī)建造時將壓力控制鉆井裝置配置在模塊鉆機(jī)內(nèi)部，該裝置的控制系統(tǒng)與鉆機(jī)控制系統(tǒng)相融合，使常規(guī)模塊鉆機(jī)成為控壓一體化鉆機(jī)。這種控壓一體化鉆機(jī)可以滿足上述中深層地層鉆井提速需求，同時降低儲層損害程度，提高鉆井時效，降低海上鉆完井作業(yè)成本。

4.5 建設(shè)設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)

2012年寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司開始了鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)搭建工作，并在2019年嘗試了基于云平臺的鉆機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和診斷，為鉆機(jī)的預(yù)知維修和按需維修提供數(shù)據(jù)支撐[24-25]。隨著我國海上油氣田的大規(guī)模開發(fā)，目前中海油模塊鉆機(jī)保有量已經(jīng)達(dá)到80余座，這些模塊鉆機(jī)的維修和保養(yǎng)已成為一個重要問題。模塊鉆機(jī)在作業(yè)和維保期間通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)設(shè)備主要參數(shù)在線實(shí)時監(jiān)測、故障遠(yuǎn)程診斷、剩余壽命預(yù)測、設(shè)備配件區(qū)域共享等功能，這為鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化操作、降低事故發(fā)生概率、減少海上鉆完井作業(yè)成本提供了有效技術(shù)手段。

5 結(jié)束語

調(diào)研分析了中國模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)現(xiàn)狀，重點(diǎn)對集成操作控制系統(tǒng)、管具自動化處理系統(tǒng)、鉆井液混合配置和處理系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為模塊鉆機(jī)操作對人工依賴性較強(qiáng)，自動化技術(shù)尚處于初級應(yīng)用階段。通過對海上移動式淺水鉆機(jī)相比，指出了集成操作控制系統(tǒng)和管具自動化處理系統(tǒng)作為常規(guī)技術(shù)已得到大規(guī)模普及應(yīng)用；通過對海上移動式深水鉆機(jī)相比，指出了模塊鉆機(jī)在雙井架、自動排管、鉆井液自動混配等技術(shù)方面差距明顯。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，我國模塊鉆機(jī)在雙司鉆集成操控系統(tǒng)、鉆井液混配、智能井控、設(shè)備在線監(jiān)測和視覺識別與測量等方面存在發(fā)展需求。隨著數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的不斷發(fā)展，中國模塊鉆機(jī)自動化技術(shù)將加快更新?lián)Q代步伐，滿足日益發(fā)展的海洋石油工業(yè)需求。