于國民(中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

0 引言

自動鉆井是世界上最先進的鉆井技術，此技術的廣泛應用，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，我國石油鉆井平臺的自動化程度低，存在著鉆井效率低，勞動強度大，安全隱患大的問題。隨著網(wǎng)絡、計算機、自動控制、鉆探等技術的不斷發(fā)展，鉆井自動化技術得到了越來越多的應用。當前，鉆探市場競爭日益加劇。世界上許多國家的鉆探企業(yè)都在致力于加快鉆速、縮短鉆機周期、保證安全、減輕工人的勞動強度。因為大部分的鉆機工人都是在高空工作，所以工作壓力和身體負荷都很大，必須提高工作環(huán)境，提高工作的自動化程度。為此，必須實現(xiàn)鉆井的自動化與智能化。

1 我國石油鉆機自動化技術現(xiàn)狀

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

主要闡述了交流變頻鉆機控制系統(tǒng)與交流電動機控制中心控制的區(qū)別，其主要特點是電動機的傳動、制動器采用DVM和DC斬波技術，具有更好的轉(zhuǎn)速控制、使用方便、功率因數(shù)高等特點，能夠有效地提高功率和節(jié)能。由于懸浮技術和自動化鉆探技術的發(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)簡化，維護方便，工作效率提高。

2 鉆井機械自動控制系統(tǒng)的應用

在時代的發(fā)展下，各個行業(yè)的生產(chǎn)力逐步提升。在此情況下，各項活動對環(huán)境的污染情況也更加嚴重。對此，在開展石油鉆井工作時，并需要關注其工作對環(huán)境的影響，降低污染現(xiàn)象的發(fā)生幾率。同時，在我國油氣資源合理開發(fā)的情況下，可以有效的提升其核心競爭能力，對其自動化裝備的需求日益增長。中國各大石油裝備生產(chǎn)商也紛紛推出自己的產(chǎn)品，例如：動力走道、二層臺鋪管、鉆工熨斗、鉆臺夾管機械手等。另一些公司則將“關鍵環(huán)節(jié)”與電子控制有機地結(jié)合起來，將兩層鋪管機、鉆臺管架機械手、鐵頸等自動化裝置的操作進行簡化和軟件化，使得相關裝置可以在信息技術和相關參數(shù)的影響下進行自主的工作，保證運行情況的有序性和科學性。該設備僅需要人工對某些重要工序進行驗證，從而使鉆機運行更加簡單，并減少了發(fā)生事故的幾率。采用一體化的鉆臺與二層工作臺邊鉆桿，可將單件鎖緊、松緊、抓取、卸料等功能，實現(xiàn)了每小時20條鉆繩的功能，降低了鉆臺、三樓平臺的人員數(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 動力貓道

動力貓道是實現(xiàn)鉆桿、鉆桿和鉆桿自動輸送的關鍵設備。一般放在鉆機前面，單根動力貓道如圖1所示，雙根動力貓道如圖2所示。在鉆井施工中，該裝置使用了電動走道，產(chǎn)生了鉆機和鉆臺的自動化運行，提高了輸送的效率。同時，有部分廠家為了提升企業(yè)的工作效率，在此基礎上，增加了電動設備，提升了運送平臺的數(shù)量，提高了交通效率[2]。對此，可以明確，動態(tài)穿孔機以及動力貓道的設置可以極大提高運輸效率、減輕工人勞動強度、提高運輸安全性、降低鉆井作業(yè)費用。后期優(yōu)化的動力貓道在實際的運行期間，更具自動化、智能化，適合對已有的陸地平臺進行更新，并與新的裝備相匹配。

圖1 單根動力貓道

圖2 雙根動力貓道

2.2 二層臺排管機

二層臺鋪管機是為起下鉆、起下鉆和鋪管作業(yè)而開發(fā)的自動鉆孔專用輔助設備，它是自動鉆孔系統(tǒng)的重要組成部分。它安裝在井架上，由司鉆室控制，使二層臺指梁不斷向井口中心移動，取代二層臺起重機，在二層平臺上實現(xiàn)了無人值班作業(yè)，使鉆井安全得到了極大改善。擱臺鋪裝機由擱臺、擱臺機械手、監(jiān)測裝置等組成。二層工作臺是儲藏鉆鋌、鉆桿、梁鎖等設備，以保證管線的安全。該系統(tǒng)可幫助鉆機對二層工作臺的機械手、手指鎖進行判斷，并對二層工作臺的控制管和液壓提升機的輸送狀況進行了分析。排水立管的工作是將拆下的立管排放到鉆臺上的立管箱中(起下鉆)，并在鉆機起鉆時將立管從立管箱上移除，然后將其送入吊卡中(起鉆)。這是一項危險、費力、緊張和高壓的工作。為此，在研究和建立根管技術的基礎上，設計了鐵鉆工、緩沖機械手等設備，使井口可以采用單樁法或立樁法。二層工作臺的機械手、鉆機工作臺的管道密封機械手、電動升降機、卡瓦等裝置能夠?qū)Σ倏v桿的抓取、輸送(管路)進行接觸，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上進行修復和破壞的自動化設備。該設備能適用于多種型號、大小的鉆機，具有無線遙控及遠距離有線控制功能。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上、下功能的綜合，使鉆機的安全性能得到極大的改善，同時減輕了工人的勞動強度。新一代鐵節(jié)流閥采用鐵頸式主軸高度感應器及可視辨識系統(tǒng)，可自動辨識目前管繩的高度，并可自行移至井口中央進行裝卸，無須手動調(diào)節(jié)。盡管該系統(tǒng)能有效改善生鐵包裝的自動化程度，但在惡劣的氣候條件和作業(yè)環(huán)境下，還需要進一步完善[4]。

2.4 鉆臺面扶管機械手

近幾年來，國內(nèi)鉆機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，這樣做不但耗費人力，而且有時還會引起鉆桿的過度振動，從而引起鉆柱的崩塌和人身損害。鉆臺鉆桿支架機器人的問世，解決了上述問題。機器人是用于自動控制管柱加工系統(tǒng)的輔助裝置，該裝置是一種自動卸載、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上鉆出繩索。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，自動化程度高。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。因為鉆臺的機械化設置，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。但此設備在實際運行期間，操作效率并不高，一些制造商開發(fā)了一種提升式夾管機械手，以解決傳統(tǒng)鉆臺夾管機械臂工作效率低的問題。通過使用二層臺機械手，管柱可以在垂直的方向上進行移動，從而起下鉆效率可以提高5列/小時以上，新舊鉆機均可改裝[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，鉆井機械自動化程度高，對綜合控制技術的發(fā)展提出了更高的要求。但是，由于傳統(tǒng)的建筑方式會造成對現(xiàn)場及后臺的反應滯后，造成了現(xiàn)場能源管理的效率低下、物資、設備分散、過程可視、不透明等問題，嚴重影響了鉆井作業(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、一臺機械操作平臺和一套機械操作平臺組成，實現(xiàn)了鉆機的電氣、氣體和液體控制以及鉆機的控制和控制。在管柱自動裝置中，應用預先設定的防碰撞聯(lián)鎖程序，利用先進的人工智能技術，可以有效進行監(jiān)控，保障了工作人員的安全。同時，司鉆室結(jié)構(gòu)的改變，使各輔具的自主性、重復性得到了完全的改善；集成傳統(tǒng)的工具，工業(yè)監(jiān)控，設備參數(shù)等。在前部操作屏幕上，對控制界面進行了優(yōu)化，既能減少作業(yè)費用，又能極大改善作業(yè)的舒適度。同時實現(xiàn)了對鉆井平臺故障的實時監(jiān)控及典型輔助診斷，便于現(xiàn)場設備的維修。

4 發(fā)展與建議

21世紀，信息技術迅猛發(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期。隨著時光流逝，從傳統(tǒng)制造到“智能制造”，發(fā)展迅速。為了盡快普及鉆機自動化和智能化技術，本文就如何發(fā)展鉆井平臺家用自動化技術給出了建議。

4.1 鉆井設備自動化、智能化發(fā)展

中國已有部分地、井下自動裝置，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，鉆井技術將朝著智能化的方向發(fā)展。鉆臺，雙層工作臺等都不需要人力。取而代之的是，像鉆井和操縱機器人這樣的智能裝置會代替手工，而鉆井則可以遙控。另外，通過對鉆井平臺進行實時監(jiān)控，并對典型故障進行典型的故障診斷，可以極大提高現(xiàn)場維修和維修工作的效率。

4.2 鉆機信息化技術的發(fā)展

遠程分析技術、無線網(wǎng)絡技術、等技術的發(fā)展，將使油田鉆井裝備實現(xiàn)數(shù)字化。利用傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)技術對鉆井參數(shù)、鉆井位置、地層構(gòu)造進行分析，并將實時數(shù)據(jù)傳送給遠程監(jiān)測中心。利用資料的分析與處理，可以實現(xiàn)對鉆井工藝的自動化規(guī)劃與指導。今后，石油天然氣勘探會朝著無人作業(yè)方向發(fā)展，實現(xiàn)智能化[6]。

4.3 鉆機電驅(qū)化節(jié)能減排

鉆井是石油開采中的重要裝備，同時又是高能耗產(chǎn)業(yè)。長期以來，石油鉆探的動力來源以柴油為主。但是，該工藝能耗較低，必然會產(chǎn)生大量的有毒氣體和噪聲。電鉆是由電驅(qū)動的，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。鉆機工作負荷變化大，待機時間長，造成鉆機能耗大。為了降低鉆機的能耗，可以使用超級電容儲能技術。在鉆井過程中，使用儲能技術來節(jié)省備用能源消耗，利用儲能技術進行能量回收，鉆井過程中可使用輔助制動。并且通過合理的能源分配策略，可以合理地存儲、分配和使用能源，達到節(jié)能的目的。

4.4 鉆機國產(chǎn)化進程

為了保證國內(nèi)鉆井設備產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈的穩(wěn)定性，必須增加國內(nèi)鉆井設備的供應。加快變頻器、PLC、自動化設備、旋轉(zhuǎn)導向等設備國產(chǎn)化，掌握關鍵技術，突破國外技術壁壘，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動鉆機設計制造技術。如果此項自動化制造技術可以順利提出并且投入到使用中，則可以促進我國石油鉆井行業(yè)的自動化和數(shù)字化發(fā)展，推動整個行業(yè)的發(fā)展[7]。

5 結(jié)語

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