石油钻机智能控制技术的应用进展

2021-01-29王亚鹏

设备管理与维修 2021年18期

王亚鹏

（中国石油川庆钻探长庆钻井总公司，陕西西安 710018）

0 引言

近年来，石油资源的勘探和开发逐渐向环境复杂地域拓展，普通的石油钻机开采设备已经满足不了需求[1]。随着智能化控制技术的发展，智能石油钻机在石油钻井领域的应用越来越广泛，已经成为石油开采过程的重要力量。将智能控制技术应用在石油钻井领域，不仅可以提高石油开采的效率和质量，同时降低开采成本，更重要的是还能够保障石油工作者以及钻井设备的安全性，减少事故的发生。目前，我国的石油钻机可以在海洋、沙漠、极地低温等区域进行正常作业[2]。将智能控制技术应用在石油开采钻井环节带来的好处显而易见，但是存在的问题也很多，如智能控制系统容易出现问题，电机性能不足，对环境的适应性并不强等等，需要在现有技术的基础上不断优化，以促进石油产业的蓬勃发展。

1 石油钻机智能控制技术发展现状

1.1 国内发展现状

智能化石油控制钻机在我国发展较晚，技术还不成熟。目前我国研制的智能化控制钻机只是具备某种单项功能，仅仅是将设备和自动化技术进行简单集成，仍然需要配备作业人员进行操作，还处在初期阶段。比如，由宝鸡石油机械有限责任公司研发并制造的智能化控制石油钻机[3]在2019 年正式投入使用，其作业深度可达7000 m，且在使用过程中获得了较好的评价。中曼石油研发的智能化控制钻机可以实现远程操作，以此为基础，可以开发出功能更加齐全的产品。

1.2 国外发展现状

智能化石油钻机控制技术在国外的发展较早，尤其是2000 年以后取得了快速发展，并且国外的智能化控制钻机集成度较高，技术先进，其中以挪威、意大利制造的智能控制钻机为代表[4]。

挪威WeST 公司于2010 年开始研发一种连续运动自动钻机（CMR），并在2015 年制造完成并投入使用。CMR 是一种双井架构的设计方式，和普通钻机相比，CMR 中集成了双（高位、低位）提升系统，利用齿轮齿条作为驱动工具，结构简单，使得连续起下钻操作和连续循环操作成为现实；在钻台上安装了立根盒，呈现出双单根作业的模式，立根通过排管机来传送。CMR 在运行时的最大起下钻速度可达到3600 m/h，相比于普通钻机优势明显。此外，CMR 还集成了自动化管柱处理系统，管柱在上下移动时速度恒定，井筒内压力始终处于平衡的状态，减少了井漏、卡钻等事故的发生，大大提高了操作的安全性。同时，对于钻井的经济成本和时间控制成本，CMR 也具有明显优势。

Drillmec 钻机产于意大利，以HH350 型钻机为主要代表。HH350 是一种柱式结构的设计方式，利用液压缸的顶升原理实现钻具的提升和下放，并且配备了垂直管架输送系统，所有立根是由人工提前布置好的，结构简单。HH350 的输入功率强大，可达1150 kW，能够实现3170 kN 的最大静钩载。

2 智能化控制钻机发展中的主要问题

目前，科研人员在实现石油钻机的智能化控制方面取得了很大的进展，但是仍然存在着很多问题。

首先，在石油开采中，企业通常将包括控制系统、显示系统在内的各种智能系统布设在司钻房中，技术人员对钻机的操作是在司钻房中进行的，对于复杂的操作而言，需要保证司钻房内环境良好，有明确的规章管理制度，以保证控制过程无干扰，提高工作效率。但有的企业的司钻房管理很混乱，对于各种系统的管理和检查、维护并不规范，极容易出现操作分神、误操作等问题[5]。因此，需要改革司钻房的管理制度，培养引进掌握智能化操作的管理人员，严格操作规范，加强岗前培训，使得司钻房的管理井井有条，避免出现钻机控制操作不当的情况。

其次，实现钻机的智能化控制，对电机的性能也提出了很高的要求。但是，现如今使用的电机一般只能从整体上对部分参数进行设置，想要实现某些特殊的功能，还比较困难，这就导致钻机不能达到预想的效果，主要体现在：①电机的体积过大，运输不方便。并且在使用过程中，如果频繁移动工作区域，出现故障的概率就会增大，但目前我国还未研发出体积小、集成度高的电机，这是制约我国钻机向智能化发展的一大因素；②由于石油钻机的工作环境通常比较复杂，极易导致电机的损坏，所以需要对电机采取防护措施，建立电机高等级防护体系[6]。但是这种防护体系需要很高的经济成本和技术成本做支撑，这成为了影响钻机智能化发展的另一个因素。

近年来国家大力发展互联网技术，并积极号召企业将互联网融入到自身当中去，实现智能控制[7]。但是，石油开采是传统的能源行业，在这方面还有较大差距。目前，科研人员在不断努力研发智能控制系统，以集成司钻控制系统为例，它能够实现在司钻房内全面监控钻井过程中的设备状态参数，实现了智能化监控，但是这些参数传送到企业机关部门的速度却非常慢，不利于设备管理。因此，需要加强各部门之间信息传输的灵活性和及时性，提高钻机的信息化程度。

3 钻机智能控制发展建议

所谓智能控制，是指设备或者装置能够根据当下发生的事件进行分析判断，并做出相应的动态调整[8]。然而，目前投入使用的钻机并不能实现该项功能，对于将要执行的动作，钻机首先要进行预先判断，收到控制系统的指令信号才能执行该操作，这仅仅可以称为自动化，远远达不到智能控制的水平。对于智能控制钻机的研发，现阶段可以分为两步走：①以国外自动化钻机为基础，设置总体的研发目标，并明确各个模块的功能，研制出集成度高、功能稳定的设备和工具（自动猫道机、多功能顶驱等），实现“半自动智能控制钻机”的研发；②在“半自动智能控制钻机”的基础上，对其进行升级改造，从控制软件入手，提高钻机的逻辑分析和判断能力，以便更加可靠地应用在复杂场景中，最终实现“全自动智能控制钻机”的研发。