石油钻机中的新技术及应用

宋宇峰 吕 龙 耿建璞

(河北建勘钻探设备有限公司,河北 石家庄051134)

1 引言

钻井作业不仅投资大,风险性也比其他行业高,工作环境恶劣、工作载荷大、危险系数高,钻井装备的技术含量直接影响着钻井速度、工作人员及设备的安全和经济效益。目前,我国与国外先进钻井技术相比相对落后。随着石油钻井装备制造企业科研资金投入的加大,石油开采单位新技术在钻机中应用研究的加快,我国将会大幅提高钻井装备水平,缩短与国外钻井技术差距,推动我国石油钻机技术的快速发展。

2 石油钻机中的新技术及应用

2.1 变频驱动技术

上世纪二三十年前,我国的石油钻机还主要靠柴油机驱动,采用的是机械传动,而美国等国家已将以电驱动引入到大型钻机中,在上世纪90年代末期,变频驱动钻机率先使用在海洋开采平台中。我国在上世纪80年代末,研制出第一台直流驱动的2J45D陆地电动钻机。随着信息和电力技术的发展,变频技术作为一项成熟的节能技术,以高效节能的优良特性,被应用到石油钻井领域中,1997年宝石机械(宝鸡石油机械有限责任公司)首次将变频技术用在5000m钻机上,到2002年,变频钻机投入系列化生产。目前,我国研制的交流变频电驱动钻机钻进深度达到3000m－12000m,成为全球第二个能够生产特大型钻机的国家。

在国家“节能减排”的号召下,更为经济环保的电能驱动必然会取代传统的柴油机驱动,变频驱动技术具有调速性能优越、省电节能等优点,有数据显示,在石油系统中使用变频技术可节能约4成,在石油钻机的起升系统、控制系统、传动系统、动力驱动系统等各个环节均可应用,以此技术研制的交流变频电驱动钻机将现代电力电子技术和石油钻井机械技术综合起来,成为当前钻井系统改造的主要方向。近几年,利用交流变频调速技术研制出的全数字交流驱动电动钻机,钻机的机械结构更简单,操作方便灵活、维护保养方便,安全性高、具有更好的可靠性和移运性。

2.2 自动化控制技术

传统石油钻井作业需要多人配合,劳动强度大,效率还不高,同时存在受伤危险。目前,自动化控制技术已渗透到各个工业领域,石油开采行业也不例外,力求通过钻井自动化实现提高开采作业效率和安全性,降低开采成本的目的。自动化钻井系统将自动化控制技术、交流变频驱动技术、传感检测技术和液压驱动技术等结合,能够通过传感器网络把钻井作业过程中的地层结构变化、钻面钻进进度、油藏位置等信息实时传输给地面控制站和远程监测中心,可以做到远程监视和操控指令的下达。

国外关于自动钻井技术的专项研究较早,应用也更成熟,目前我国在钻井深度领域的研究位于世界前列,但在钻机自动化方面稍显落后。国内相关行业技术人员也做了大量研究工作,比如,宝石机械研发的管柱自动化处理系统,使用动力猫道、铁钻工和自动井架工等自动化工具,通过智能控制器和执行机构来代替原来完全依靠人力的高强度体力工作,不仅减轻了工人劳动强度,工作环境也更加安全舒适。

2.3 计算机集成控制技术

石油钻井作业采用自动控制技术后,由于控制对象数量的增加,一方面会造成配置重复,另一方面各个单元控制系统相对独立会加大司钻人员的工作量,集成控制系统采用PLC对石油钻机变频驱动系统、仪表系统、顶驱系统和视频监控系统等各子系统进行统一管理,同时各个设备的信息通过网络上传给集成控制中心,将组成集成控制系统,将钻机各个控制单元有机整合。美国国民油井的电子司钻Cyber Base、阿克公司的钻井可视系统Drillview等,是计算机集成控制的代表。

国内在钻机集成控制技术方面的研究起步相对较晚,上世纪末期,我国开始了全数字钻机电气控制系统的研究,它用微处理器实现软件控制,具有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能,同时软件系统也不断升级,使石油钻机的功能更趋完善、钻井参数配置更优化。司钻室工作台也更简化整洁,司钻人员操作起来更安全便捷和精准,提高了工作效率。

2.4 激光钻井技术

激光钻井技术应用在石油开采行业中具有独特的优点:(1)激光能量极高,更易穿透岩石,美国Phillipse公司用MIRACL激光器进行钻孔试验,激光束在1s内可穿透60mm厚的砂岩－页岩－砂岩夹层,其穿透速度比常规钻井速度高上百倍。(2)激光钻井不需要钻头,套管等设备,不需要下套管和起下钻柱,这样不仅节约了钻井成本,时间也缩短了3成。(3)传统机械钻井过程中,地层中的石油、水等流体会流入井中,易发生井喷事故,而用激光钻井,在岩石上会形成一层陶质层井壁,可以有效的预防此类事故发生,提高钻进的安全性。(4)激光器系统中包含各种井下传感器和图像显示系统,可通过光纤电缆或无线网络与地面进行通讯,使工作人员对钻进过程有更全面的把握与控制。

美国开展的激光钻机的研究计划中使用美国国防部星球大战计划开发的2台强大、有效的高能激光器。一台是中红外高级化学(MIRACL)兆瓦级激光器,具有的能量能烧穿软岩石矿物质固体材料;另一台是化学氧化碘激光器(COIL),该激光器输出功率高,并能在光纤中耦合,可用于深度超过4500m的钻井,可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题。在国内,易先中教授从1998年就开始了激光破岩机理和射孔技术的研究,虽然我国的激光钻井技术研究相对不成熟,但进展迅速,目前已在高功率激光的研究方面取得重大突破。

3 结束语

我国科技起步相对较晚,而且钻机作业的复杂环境对其配套设备的要求也限制了很多新技术的推广。除上述4种钻井新技术外,集网络信息通信技术、自动控制技术和全方位视频监控技术为一体的远程司钻技术、在线故障检测及诊断技术、钻井机器人等技术也是目前研究的热点。随着石油钻井装备制造企业加大科研投入,钻井技术革新脚步的加快,必将会实现钻井作业真正的智能化和自动化。

[1]于兴军,魏培静,张青锋等.石油钻机自动化技术的问题及发展建议[J].石油矿场机械,2014,43(10).

[2]王进全,王维旭.国外钻机技术现状及我国的发展策略[J].石油机械,2011,39(6).

[3]张鹏飞,朱永庆,张青锋等.石油钻机自动化、智能化技术研究和发展建议[J].石油机械,2015,43(10).

[4]马亮.变频器技术在石油钻机中的应用[J].科技创新,2012,(34).