石油钻井设备节能减排技术分析

赵天增 吴小亮

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

在当前可持续发展战略的指导之下，各行各业逐渐加强了对于节能减排、生态环保方面的重视，石油钻井施工也是如此，通过运用节能减排技术，不仅能够降低实际生产以及运营成本，而且有助于减少对于环境的污染影响，实现行业的可持续发展，在提高经济效益的同时，保障生态效益，是当前行业以及社会发展过程中的共同课题。因此，加强对于石油钻井设备节能减排技术的研究和分析是十分有必要的。

1 节能减排视角下石油钻井设备实际运用情况

1.1 对于节能减排技术重视不足

受到当前市场环境的影响，石油企业之间的竞争压力逐渐增强，使得企业在实际发展的过程中，对于经济增长方面的追求较为迫切，以期能够通过扩大生产规模，提升自身收益。导致企业在实际钻井生产的过程中，过分关注运行成本、生产效益等，缺乏对于节能减排方面的重视，仍然使用年久失修、耗能较高的老旧设备，存在节能减排重视程度较低，成本投入不足的情况，难以取得良好的节能减排效果，这不仅难以实现对于实际钻井成本的有效控制，而且还会给生态环境带来一定负担[1]。

1.2 对进口设备技术依赖程度高

在当前节能减排形势较为严峻的情况之下，我国石油钻井企业为提升自身节能减排能力，需要使用先进技术手段和设备，但由于我国在此方面的研究有限，因此需要引进大量进口设备和技术。而且随着当前社会经济的发展，消费规模持续扩大，而且石油勘探开采本身需要消耗大量能量和资源，这也使得国内石油钻井作业对于进口设备和技术的依赖程度不断提高。在国家生态环保治理力度不断加强的情况下，石油生产作为能源消耗的核心产业，企业所面临的环境压力、生产压力也在日益加强，进口设备已经成为当前石油钻井作业过程中不可或缺的组成部分之一。

1.3 节能减排计算分析尚不完善

石油企业在实际生产作业的过程中，需要消耗大量能源，但为提升自身经济效益，企业将更多的精力投入到了成本控制以及如何提升经济收益方面，缺乏对于能源消耗情况，以及污染物排放情况等方面的计算和分析，对于实际钻井作业过程的监控不足，难以实现对生产数据信息的有效利用，这也是导致石油钻井作业能源消耗持续增加的主要因素之一。通过节能减排方面的计算和分析，能够实现对于实际石油钻井工作的指导，以此达到降低能源消耗、减少污染排放的效果。但当前石油企业缺乏对于节能减排计算分析方面的重视，相关统计分析仍不完善。

2 石油钻井设备节能减排技术实际运用分析

2.1 分析井喷事故构建预警系统

影响石油钻井井喷事故的主要原因包括人、物、环境、管理和技术5个方面，通过明确事故影响因素，有助于在实际生产过程中实现对于各种因素的控制、规避和处理，降低事故发生的概率。在此基础上，建立事故因素解释结构模型，还能够为后续预警系统的构建提供良好支持[2]。石油钻井井喷因素如表1所示。

表1 石油钻井井喷因素

经过石油钻井专家的分析，得到事故因素集中各要素之间的直接关系，并构建相邻矩阵，最终得到井喷事故因素解释结构模型如图1所示。

图1 井喷事故因素解释结构模型

然后采用层次分析法，对井喷事故机理展开分析，使用判断矩阵进行一致性以及随机性检验。检验过程中，使用到的公式如下：

CR=CI/RI

式中，CR表示判断矩阵的随机一致性比率；CI表示判断矩阵的一致性指标；RI表示矩阵的平均随机一致性指标。

在上述分析的基础上，运用系统论，构建事故预警指标体系，将影响因素特征量，转化为预警信号输出图，并科学划分指标的正常波动范围、可控范围以及危险范围，直接反映钻井工作的安全情况。

井喷事故预警系统的构建和运用，能够有效实现对于实际钻井过程的监控和分析，并及时发现设备安全隐患，实现预防性维修，强化对于井喷事故的控制能力，不仅能够保障实际生产安全，而且还能够有效避免停机、资源浪费等情况，降低设备维修和管理成本，减少企业经济损失，达到良好节能效果。

2.2 强化钻井监控以及状态评价

通过对于钻井过程中相关设备的监控以及状态的评价分析，能够充分了解实际设备运行情况，了解设备运行过程中的生产效率，并为后续生产方案的制定和调整提供参考，有助于提高设备运行效率和质量，达到节能减排目标。钻井状态评价过程中，需要注意的主要参数如表2所示。

表2 钻井参数

在实际生产时，需要根据钻井参数，合理进行设备调控，以提高生产质量、效率。除此之外，还应加强对于钻柱应力的分析，以便充分了解设备运行状态。钻柱应力主要包括以下几个方面。

（1）轴向应力，主要是在外部荷载、钻压等作用下产生的。计算公式如下：

式中，σz表示轴向应力，N；Fb表示动载钻压，N；q1表示单位长度钻杆质量，kg；l1表示钻杆长度，m；q2表示单位长度钻挺质量，kg；l2表示钻挺长度，m；q表示单位长度钻柱质量，kg；l表示钻柱长度，m；D表示钻柱外径，m；d表示钻柱内径，m。

（2）弯曲应力，是由钻柱横向振动引起的，实际生产过程中，钻柱不仅会正常转动，还会逆时针绕井眼旋转。在钻柱运动时，弯曲应力会受到钻杆截面惯性矩、截面下钻柱浮重等的影响。

（3）剪切应力，该力主要是在钻盘、顶驱扭矩作用下产生的，会受到钻柱扭矩以及内外径大小的影响。

（4）交变应力，在实际钻井过程中，钻柱通过井眼时，所受应力的方向和大小都会发生改变，且呈现出交替变化特点，此时钻柱就处于交变应力状态，应力比为最小应力与最大应力之比[3]。

基于上述分析，构建钻井实时监控系统，将基础参数导入其中，并根据基础参数计算钻柱应力，通过应力分析，识别钻柱受力状态以及钻井工况，以实现对于钻井过程和状态的实时监控，并展开时效分析，不断提高单井作业效率，缩短作业时间，进而减少能源消耗以及污染排放。

2.3 运用数据技术优化石油钻井

将大数据技术运用到石油钻井设备节能减排研究当中，可以建立钻井数据库，并通过对相关数据的分析挖掘，为钻井作业参数控制调整提供参考，同时还有助于故障诊断分析、设备运行状态监测，对于钻进优化有着积极作用，同时还可以将其用于对钻进设备性能的评估分析，是实现故障预测、自动诊断，以及实时监控的必要技术手段。

首先，需要选择特征参数，包括钻压、泵压、转速、扭矩等，并采集数据，作为训练样本和后续测试样本。其次，基于支持向量机，建立预测模型，先确定输入变量，以及输出变量，并对其展开归一化处理，获得数据样本集，再确定核函数、敏感性系数。最后，后建立支持向量机回归模型，预测钻进过程。预测流程如图2所示。通过对实际钻进过程的预测和分析，有助于强化对于作业情况的控制，降低作业风险，达到降低石油钻井成本的效果，能够帮助石油企业，实现节能减排目标。

图2 钻井过程预测流程

3 强化石油钻井设备节能减排效果的对策

结合上述分析，为强化提升石油钻井设备节能减排效果，有针对性地提出了以下对策建议，以期能够降低石油钻井施工作业过程中的能源消耗，减少污染排放，帮助石油企业提升自身经济以及生态效益。

（1）重视设备节能减排技术。石油企业应加强对于节能减排的重视和研究，强化相关技术、设备的投入，以此降低实际钻井生产过程中的能源消耗，同时减少污染排放，这不仅可以帮助企业降低实际生产成本，而且也减少了污染排放方面的资金投入，有助于企业的可持续发展。

（2）积极开发节能减排设备以及相关技术。加强对于石油钻井作业节能减排设备的开发和研究，提高研究投入资金，积极引进先进技术手段，以此不断提高钻井作业的质量和效率，缩短钻井周期，达到节约成本、减少能源消耗、降低污染排放的目的。随着当前大数据技术、人工智能技术以及物联网技术的不断发展，此类技术将会逐渐应用到石油钻井设备当中，帮助企业强化生产控制，降低人为因素影响，达到良好节能减排效果。

（3）深化完善数据分析工作。为保障石油钻井作业的节能减排效果，科学制定节能减排方案，应加强对于实际生产数据的应用和分析，实现对于能源消耗、污染排放的准确计算，并通过分析不同技术、设备运用下石油钻井作业的节能减排效果，不断优化实际生产方案，合理运用相关技术设备，最大程度上提升节能减排效果，提高石油钻井生产的经济以及生态效益[4]。

4 结束语

综上所述，在实际展开石油钻井生产的过程中，应充分结合生产需求，合理运用相关技术手段，更新生产设备，通过对井喷事故的分析，构建事故预警系统，以此实现对于事故问题的有效预测，提前采取预防措施，降低生产损失，保障生产作业的顺利性以及安全性。此外，还应加强对于钻井过程的监控和管理，并及时对作业状态展开评价，构建相应状态评价系统，并以此为基础对生产作业方案进行优化调整，降低实际生产能耗以及污染排放。同时，还应加强对于大数据技术的运用分析，实现对于生产数据的科学分析和运用，准确预测钻井过程，优化钻井控制，以此降低钻井风险，控制生产成本。相信随着对设备节能减排技术的分析和实践运用，石油钻井水平将会得到进一步提升。