石油钻机自动化技术现状与建议

2020-01-06崔成

科学技术创新 2020年8期

崔成

（辽河油田公司茨榆坨采油厂，辽宁盘锦124010）

石油是现代社会中极为重要的资源，石油技术则是获取资源的最佳方式。伴随着科学技术的高速发展，石油钻井技术逐步实现自动化转变，通过加入了先进的智能化控制方式，全面提升到开采效率[1]。但是在具体的应用环节，石油钻机的自动化还存在着明显的缺陷，因此，要根据目前的石油钻机自动化技术实际情况，总结出切实可行的应对措施，从而可以促进我国石油领域的发展。

1 石油钻机自动化技术发展现状

1.1 变频传动技术及晶闸管整流传动技术。石油钻机技术的持续发展过程中，电力拖动技术被广泛的使用到机械设备领域中，利用传动与调速的装置，极大的影响了当前钻机领域的发展。在交流变频钻机技术的研发和应用中，西门子公司所研发的S120 系列变频器成为钻机中关键性的部件，虽然国产电机能够达到性能的使用需要，但是因为市场的授信度和技术方面的影响，造成国产电机普及率较低[2]。此外，结合交流电机传动差异，可以分成多传动、单传动等方式，多传动的结构性能好且成本低，单传动的方式兼容性好。

在直流石油钻机技术高速发展的过程中，我国主要引入到的是RossHILL公司的驱动技术，并且配合西门子公司的调速器进行使用。从这个方面可以发现，我国的自动化技术领域依然以国外技术为主，国产技术并未取得较好的发展，应用范围也比较较小。

1.2 动力源发展现状。石油钻井技术的应用过程中，最为主要的方式就是柴油发电机，利用发电来控制整个电网系统，同时还能够给铰车、辅助系统等部分供电。该技术实践应用中，利用数字和模拟发电机，来实现多台机组的联合运行。但是当前的柴油发电机实践应用中，依然以美国CAT 公司的产品，对于其他设备来说，即为中国石油集团研发的辅助设备。对于资源较为丰富的地区来说，很多油田已经逐步引入燃气机组的结构形式，这种形式却无法满足负载过大的工程，供电能力稍微差些。

对于这些存在的问题，我国石油企业已经成功研发出燃气与柴油混合动力机组形式，可以按照钻井施工的需要来设置比例，但是还处在试验阶段，应用实践价值较高[3]。此外，对于电网系统便利的地带，可以选择使用变压器来进行电源接入，但是因为该设备并不会增加无功功率，会直接导致电能质量较差，所以并不需要布置无功补偿装置来进行调整，钻井技术可行性和稳定性都比较高。

1.3 PLC技术发展现状。现代科学技术的高速发展，自动化技术被广泛的应用到各个领域中，PLC 技术已经是当前钻机控制技术的核心结构。我国的钻机控制系统内，应用的是西门子S7-300控制器，应用备用设备来进行辅助生产。如果控制系统发生故障，可以通过切换方式来应用备用方案。但是启动环节中极易发生停机问题，目前还没有改进措施。对于这些问题，S7 400H 的开发，逐步的替代原系统。该系统内包含2 套处理器，能够结合实际情况进行自动转换，可以大大提升工作质量和效率。此外，对于通信和操作环节，Profibus 通信技术以及光线技术目前成为了钻机的关键性技术，整个系统的集成化性能比较强。

1.4 自动化工具的应用。我国的石油钻机自动化技术全面发展阶段，石油公司发展速度逐步加快，HSE 要求也逐步达到要求。这种条件之下，石油企业开始重点研发自主技术，并且逐步的应用自动化技术，使得整个系统自动化水平得到很大的提升。

1.5 电机直驱方式以及自动化功能现状。钻机技术高速发展之下，电机直驱的方式由于内部组成简单、体积小等优势，已经被大量的应用到钻机系统内。石油公司投入更多的力量开展研发，直驱钻井泵和顶驱技术被大量的应用到实践中，最为核心的技术就是永磁电机。

自动化技术研发应用阶段，由于融入了PLC技术，可以实现自动送钻、扭矩限定以及电气液的联动功能，可以预警钻机运行的速度、压力与流量，可以提高自动化控制水平。

2 发展问题剖析

从我国的石油钻机自动化系统的研发和应用阶段，还存在很多的现实问题无法解决，具体体现在如下的几个方面：

2.1 缺乏规划。自动化技术研发和应用阶段，很多都是使用第三方设备实现辅助生产，但是因为接口、尺寸等都存在不匹配的情况，造成系统兼容性较差。

2.2 电机功率不匹配。目前的开发环节，还存在电机功率合理化无法达到要求的情况，进而影响整个系统的运行。如在F1600 钻井泵组在开采实施阶段，系统运行功率必须要达到1200kW，但是当前我国只能使用2 台800kW 的电机带动，导致功率存在不匹配的问题。

2.3 缺乏一体化电机。石油钻井技术研发过程中，对于铰车和钻井泵的体系有着严格的限制条件，但是当前电机设计还存在一定的问题，根本不能达到一体化的要求。

2.4 缺乏安全等级高的电机。石油钻井实施阶段，很多施工地区都是海洋或者其他恶劣的条件，电气设备要长期暴露在露天环境下进行施工，我国对于设备的电力安全等级要求为IP56，但是很多设备还无法达到这些安全性的标准，造成设备散热问题无法保证，系统运行成本非常高。

2.5 安装缺陷。石油钻机在设备的安装施工阶段，还存在很多的缺陷，比如电缆安装不合格、密封性不达标、接地质量较差、标识不清晰、隔离措施不当、痛风性不足等，严重影响自动化生产的需要。

2.6 各个元件的使用无法达到我国电气设备的运行标准。从目前的电气设备市场情况分析可以发现，存在供应混乱的问题，根本无法满足设备的使用需要，很多设备供应商还存在伪造证书的情况导致石油钻井安全性无法保证，严重影响整个系统运行质量。

3 石油钻机自动化技术发展建议

3.1 开发自动化工具。石油钻井技术应用到我国的石油钻探领域，逐步的实现地面和管柱自动化设备的研发和应用，但是和国外企业对比分析，还存在着明显的差距。是NOV 公司所研发出的隔水管处理系统图，整体技术水平要高于我国。因此，在目前我国的石油钻井技术研发阶段，要几何实际的作业工艺，在制定出合理的工作流程，实现自动化技术的全面应用。此外，钻机的研发环节，应该全面的提高设备运行的可靠性，从而可以使得设备的总体性能得到提升。

3.2 加强对集成控制技术的应用。当前的钻井技术中，以电动机、仪表、监控技术为主，但是还没有达到信息和运行各个系统的集成，无法达到信息共享的要求，因此，在系统开发阶段，应该实现集成控制的研发和应用。当前世界范围内集成技术已经被NOV等几家大公司垄断，其售价非常高，而我国当前的集成控制技术的研发，还处于落后阶段，只有宝鸡石油公司投入了一定的精力进行集成控制技术的试验阶段，还没有正式投入使用，所以还需要投入更多的精力进行研发，不断的推动我国集成控制技术的发展。

3.3 开发节能技术。石油钻井技术在具体的实践应用中，浪费的情况比较严重，不仅会导致石油资源的浪费，还会导致巨大的损失，所以应该积极的开发先进的节能技术。比如变频绞车技术应用环节，具体就是利用电阻转化以提升热能，容易存在能源浪费的问题。在节能技术应用环节，可以利用超级电容进行电能的回收再利用，以更好的促进我国的钻机技术实现可持续发展。

3.4 开发故障诊断系统。石油钻井技术研发阶段，极易存在设备而运行故障等问题，要通过技术人员来进行设备的故障诊断，导致人力资源浪费比较严重，且这种方式诊断效率和质量都比较低，所以应该开发出智能故障诊断系统，利用数据的材料，计算机进行数据的分析，然后应用符合要求的软件技术，达到故障准确分析和判断。