石油钻井机械钻速扭矩自动控制方法分析

夏斌，蔡冰，贾荣荣

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁 盘锦 124010）

石油资源作为我国经济的重要组成，也是人们需求量最大的一种能源物资，石油开采的速度也决定着石油资源带来的经济发展，我国目前的石油钻井速度较为缓慢，而钻井速度的快慢也决定着石油企业在市场中的占有率，为了更好的实现经济的增长，需要加强对石油钻机机械钻井速度的控制和提升，而且影响速度的因素也有很多，为了更好的分析并解决这些问题，必须进行钻井技术优化。因此，根据采油企业的需要，结合笔者多年的工作经验，开展加快采油速度的技术攻关工作，对提高采油效率具有重要意义。

1 石油钻井自动化核心技术的应用

目前石油钻井行业的核心技术主要集中在3个方面，

一是智能勘探技术，二是虚拟储存技术，三是自动控制技术，这3 种技术应用于一体，可以实现石油钻井行业的质量提升，提高石油钻井行业的开采效率，为国家带来更多的利益。

1.1 智能勘探技术

钻井勘探技术是钻井行业的一个核心技术，能够有效的实现更细致的勘探，便于钻井行业的施工，同时也能够提升钻井行业的开采质量，并且为钻井行业的后续工作，提供一定的理论基础支持，而智能勘探技术可以从3个方面进行细致的勘探。

一是利用智能勘探技术，可以实现需要开采位置的快速定位。利用智能勘探技术实现开采位置的定位，可以有效的降低时间成本，应用GPS 卫星定位技术，可以查看开采位置的油气分布位置，为后续开采制定良好的开采计划，便于石油开采企业的施工，降低时间成本，提高位置准确率，可以进一步扩大石油企业的利润空间。

二是自动化技术可以使调查更加全面。例如，在石油和原油资源的勘探中，可以在钻井作业建设过程中，利用各种制导技术，有效检测200m 深度以内的原油分布，并结合高清技术的使用。有效地保证了调查的质量。此外，员工可以根据返井的实际情况，利用自动化技术，分析原油资源的开发价值，为后期的各项作业做好准备。

三是利用智能勘探技术，可以更高效地进行数据分析，整合数据，集成数据，为后续开采提供有效的理论支持，并且分析出该井需要利用的一些技术，从而提高钻井勘探的准确率，以此来实现钻井行业自动化水平的提升。

1.2 虚拟存储技术

云计算和云储存的出现，为石油公司的发展提供了更好的平台，通过计算机云储存数据库的构建，可以将施工数据储存在计算机中，便于下一次的更好利用，从而实现石油钻井行业的智能化发展，虚拟储存技术具有以下优势。

一是可以实现数据的动态延展。传统的数据储存中只能进行固定的储存，数据使用时具有一定的局限性，不够方便灵活，利用虚拟储存技术，可以更灵活的进行数据的编辑储存和整理，同时还能进行计算机资源的更好利用，数据储存也处于中动态状态，可以进行数据的实时更新，方便于数据的利用。

二是虚拟储存技术，可以实现数据的分层整理处理和应用，通过虚拟储存技术中的分层应用技术的特点，可以实现不同数据的分层整理，建立垂直向的数据库，从而实现数据的搜索，每一层数据库的储存可以利用不同的标准进行管理，通过云计算的编程，不同的施工部位内容，不同的施工数据，最终实现钻井行业的安全开发，提升钻井行业的数据利用率。

三是虚拟储存的数据出错率较低，利用虚拟储存技术，可以实现各种数据的储存，并且保证数据储存的安全性，预防数据出错，提高数据储存的准确率，同时如果利用计算机进行数据储存时，当受到病毒威胁的时候，数据库会启动自动保护模式，从而降低数据库的损失率，并保证数据的完整性。

1.3 自动控制技术

石油钻井行业的自动化技术应用，可以提高行业的开采水平和效率。而自动控制技术是自动化的核心技术之一，在石油开采行业中可以体现在以下三个方面。

一是可以实现钻井作业的自动驾驶。通过自动控制技术可以减少人力成本的输出，并提高石油钻井行业的安全性，同时可以预防和应对在石油开采过程中遇到的各种问题，每个环节都可以利用程序设计的方式，减少出错率，并更好地提升石油开采过程的自动化水平。

二是可以实现虚拟储存的更好应用，自动控制技术中的逻辑表达方式非常重要，可以更好的实现虚拟储存技术的应用，利用逻辑表达，可以更好的分析各数据之间的关系，为石油钻井施工勘探提供一定的逻辑基础，从而大大的提高石油钻井行业的施工效率。

三是自动化控制，可以实现数据信息的有效传递。自动控制技术可以将在勘探中获得的一些数据信息，整理编辑好之后传输到控制中心，便于接下来的施工操作，更好的进行数据整合应用。基于准确性和及时性，需要不断应用数据传输技术和信息共享技术，提高钻井自动化控制效果，提高钻井施工质量和水平。

2 影响石油钻井速度的因素分析

2.1 钻井液对钻井速度的影响

在石油钻井行业中，钻井液作为石油钻井行业中的重要组成部分，可以影响石油钻井的速度，钻井液中的固相含量的高低可以影响钻井速度的快慢，当钻井液的固相含量高时，会造成钻井口的封锁，降低钻井的速度，同时高密度的钻井液，在钻井过程中的循环使用效果并不好，会降低钻井的速度，同时，高固相含量的钻井液会增加钻头的磨损，降低了钻头的使用寿命，整体上影响钻井的速度。

2.2 钻具组合对钻速的影响

不同的钻具组合对钻井速度有一定的影响，不同的钻井方式需要不同的组合，因为每个井口的地质差异，需要用不同的钻头来进行钻孔，例如在井口轨迹比较好控制的地方，可以使用导向钻具组合的方式进行钻孔，这样就可以更好地实现钻井速度的提升。

2.3 钻头选择对钻速的影响

不同的钻头可以用来进行不同地质的钻孔，不同的地质也需要不同的钻头进行钻孔，这样才能更好的针对地质的方式，选择不同的钻头，钻头选择合理就可以提升钻井的速度，例如在更深地方的位置，可以利用钻头加螺旋杆的方式进行钻井，这样有助于提升钻井的速度，根据不同的情况选择不同的钻头内容，争取缩短钻井的时间成本，从而提升钻井行业的利润率。

3 提高钻井速度的主要方法

3.1 准确描述岩土环境

钻井地理位置的岩土信息需要准确的描述，这才能更好地提高钻井的速度，因为每个地质环境所需要的钻井压力和压强是不同的，且存在一定的分层，而且石油气层也处在不同的位置，准确的描述岩土的位置，需要利用一些先进的信息技术，例如上文中描述的智能勘探技术，就可以有效的实现岩土环境的准确描述，并且根据智能勘探技术的应用得到的数据信息，建立准确的数据模型，从而进行系统的分析，以便于设定钻探的计划，因此地质环境对于钻探的速度有非常重要的影响，整理岩土环境的准确信息，例如压力层的密度、一层的密度等等，以及地下结构的分布，都有利于缩短钻探的时间，提升钻井的速度。

3.2 先进钻井技术的选择

钻井技术决定了石油钻井的水平，会影响石油钻井的质量和效率，先进的钻井技术是提升钻井行业进步与发展的基础，优化钻井技术，需要从钻头钻具和机械设备进行联合提升，利用不同的钻具组合、不同的钻头，满足不同的钻井环境的需求，同时经过不断优化钻井工艺的技术，在钻井过程中使用新的技术和材料，提升钻井设备的防腐性，将提升设备的使用寿命，利用顶驱装置，实现钻井的自动化，基于PLC 平台和物联网，实现石油钻井技术的自动化提升，组合式的钻井技术，可以更好地达到预期的钻井效果，为钻井企业带来更高的利润收入，同时高速钻孔新技术，可以有效的提高钻井机的速度，从而降低时间成本，扩大利润空间。到目前为止，石油钻井行业的主要核心技术集中在智能勘探技术、云储存技术，以及自动控制技术，不同的技术联合使用，对提升钻井的速度非常有利。

3.3 钻井设备和钻井液技术优化

钻井液和钻井设备的选择使用，对于提升钻井速度来说非常重要，上文已经描述过钻井液和钻头对石油钻井速度的影响，因此选择合理的钻井设备和钻井液，对于提升钻井速度来说非常重要，不同的钻井设备和钻井液应用于不同的地质环境，不同的岩土环境也需要不同的钻井液进行中和，才能便于钻头的顺利钻探，同时在勘探的时候，一定要严格的分析钻井液的使用和环境的匹配性，例如井口与井中和井底的岩土环境都有可能存在一定的区别，因此在不同的钻探位置，采用不同的钻井液，目前常用的一些钻井液为有含钾离子的无机盐或者是甲基飓风钻井液，这些钻井液的使用可以有效的防止井口的崩塌，同时避免污垢的产生，在石油钻井过程中，可以选择新型环保的钻具，避免造成污垢堵塞进口，使钻井速度降低，同时钻井设备也需要选择防护性高、自动化程度高的钻井设备，才能保证钻井的顺利进行。

4 石油钻井机械钻速扭矩自动控制方法设计

4.1 自动送钻控制模型的建立

石油钻井钻速的自动控制模型的主要工作原理是通过钻速传感器的电流矢量传递，从而确定电流量，再通过变频调速装置，将电流矢量传递倒扭矩和钻速，从而进行自动送钻控制。在石油钻井工作中，钻井的速度会受到多方面的影响，在进行速度设定的时候需要根据实际情况设定不同的参数，利用杨格模式设定钻速和扭矩，进行数据参数修正之后的公式如下：

式中，v 为机械钻速，单位为r/s；C0为机械定子电流矢量；Qi为电力参数影响系数；P 为钻井机械钻压，单位为kN；P0 为门限钻压，单位为kN；nλ为转盘的转速，单位为r/min；R0为钻头齿轮的磨损系数；m 为钻头齿轮的磨损质量。

钻速扭矩的参数关系如下：

VS=CWS-CP0(S)

式中，V 代表钻井速度；W 代表钻井机械扭矩。

4.2 参数自动调整自动控制设计

利用PID 控制器，可以自动处理送钻模型的参数，在PID 处理器中精准数据模型的优化处理，设定一些辅助参数和准确的条件，然后利用PDA 控制器进行自动推理，结合上文以描述的送钻模型，形成新的参数，从而确定最佳的送转路线，提升自动送钻的效率，并降低送转的容错率。

5 结语

影响石油钻井机钻速的因素有很多，主要的因素分别是钻井液、钻具组合、钻头等3个因素，目前石油钻井自动化技术，主要体现在智能勘探、虚拟储存、自动控制技术等3个方面，想要提升石油钻井的速度，就需要通过准确的描述岩土的环境、选择先进的钻井技术以及优化钻井设备和钻井液，达到提升石油钻井速度的目的，钻井速度的提升是企业在石油行业站稳脚根的重要支撑，也是石油企业扩大自身利润收入的重要措施。