石油鉆機智能控制技術的應用進展

王亞鵬

（中國石油川慶鉆探長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

近年來，石油資源的勘探和開發逐漸向環境復雜地域拓展，普通的石油鉆機開采設備已經滿足不了需求[1]。隨著智能化控制技術的發展，智能石油鉆機在石油鉆井領域的應用越來越廣泛，已經成為石油開采過程的重要力量。將智能控制技術應用在石油鉆井領域，不僅可以提高石油開采的效率和質量，同時降低開采成本，更重要的是還能夠保障石油工作者以及鉆井設備的安全性，減少事故的發生。目前，我國的石油鉆機可以在海洋、沙漠、極地低溫等區域進行正常作業[2]。將智能控制技術應用在石油開采鉆井環節帶來的好處顯而易見，但是存在的問題也很多，如智能控制系統容易出現問題，電機性能不足，對環境的適應性并不強等等，需要在現有技術的基礎上不斷優化，以促進石油產業的蓬勃發展。

1 石油鉆機智能控制技術發展現狀

1.1 國內發展現狀

智能化石油控制鉆機在我國發展較晚，技術還不成熟。目前我國研制的智能化控制鉆機只是具備某種單項功能，僅僅是將設備和自動化技術進行簡單集成，仍然需要配備作業人員進行操作，還處在初期階段。比如，由寶雞石油機械有限責任公司研發并制造的智能化控制石油鉆機[3]在2019 年正式投入使用，其作業深度可達7000 m，且在使用過程中獲得了較好的評價。中曼石油研發的智能化控制鉆機可以實現遠程操作，以此為基礎，可以開發出功能更加齊全的產品。

1.2 國外發展現狀

智能化石油鉆機控制技術在國外的發展較早，尤其是2000 年以后取得了快速發展，并且國外的智能化控制鉆機集成度較高，技術先進，其中以挪威、意大利制造的智能控制鉆機為代表[4]。

挪威WeST 公司于2010 年開始研發一種連續運動自動鉆機（CMR），并在2015 年制造完成并投入使用。CMR 是一種雙井架構的設計方式，和普通鉆機相比，CMR 中集成了雙（高位、低位）提升系統，利用齒輪齒條作為驅動工具，結構簡單，使得連續起下鉆操作和連續循環操作成為現實；在鉆臺上安裝了立根盒，呈現出雙單根作業的模式，立根通過排管機來傳送。CMR 在運行時的最大起下鉆速度可達到3600 m/h，相比于普通鉆機優勢明顯。此外，CMR 還集成了自動化管柱處理系統，管柱在上下移動時速度恒定，井筒內壓力始終處于平衡的狀態，減少了井漏、卡鉆等事故的發生，大大提高了操作的安全性。同時，對于鉆井的經濟成本和時間控制成本，CMR 也具有明顯優勢。

Drillmec 鉆機產于意大利，以HH350 型鉆機為主要代表。HH350 是一種柱式結構的設計方式，利用液壓缸的頂升原理實現鉆具的提升和下放，并且配備了垂直管架輸送系統，所有立根是由人工提前布置好的，結構簡單。HH350 的輸入功率強大，可達1150 kW，能夠實現3170 kN 的最大靜鉤載。

2 智能化控制鉆機發展中的主要問題

目前，科研人員在實現石油鉆機的智能化控制方面取得了很大的進展，但是仍然存在著很多問題。

首先，在石油開采中，企業通常將包括控制系統、顯示系統在內的各種智能系統布設在司鉆房中，技術人員對鉆機的操作是在司鉆房中進行的，對于復雜的操作而言，需要保證司鉆房內環境良好，有明確的規章管理制度，以保證控制過程無干擾，提高工作效率。但有的企業的司鉆房管理很混亂，對于各種系統的管理和檢查、維護并不規范，極容易出現操作分神、誤操作等問題[5]。因此，需要改革司鉆房的管理制度，培養引進掌握智能化操作的管理人員，嚴格操作規范，加強崗前培訓，使得司鉆房的管理井井有條，避免出現鉆機控制操作不當的情況。

其次，實現鉆機的智能化控制，對電機的性能也提出了很高的要求。但是，現如今使用的電機一般只能從整體上對部分參數進行設置，想要實現某些特殊的功能，還比較困難，這就導致鉆機不能達到預想的效果，主要體現在：①電機的體積過大，運輸不方便。并且在使用過程中，如果頻繁移動工作區域，出現故障的概率就會增大，但目前我國還未研發出體積小、集成度高的電機，這是制約我國鉆機向智能化發展的一大因素；②由于石油鉆機的工作環境通常比較復雜，極易導致電機的損壞，所以需要對電機采取防護措施，建立電機高等級防護體系[6]。但是這種防護體系需要很高的經濟成本和技術成本做支撐，這成為了影響鉆機智能化發展的另一個因素。

近年來國家大力發展互聯網技術，并積極號召企業將互聯網融入到自身當中去，實現智能控制[7]。但是，石油開采是傳統的能源行業，在這方面還有較大差距。目前，科研人員在不斷努力研發智能控制系統，以集成司鉆控制系統為例，它能夠實現在司鉆房內全面監控鉆井過程中的設備狀態參數，實現了智能化監控，但是這些參數傳送到企業機關部門的速度卻非常慢，不利于設備管理。因此，需要加強各部門之間信息傳輸的靈活性和及時性，提高鉆機的信息化程度。

3 鉆機智能控制發展建議

所謂智能控制，是指設備或者裝置能夠根據當下發生的事件進行分析判斷，并做出相應的動態調整[8]。然而，目前投入使用的鉆機并不能實現該項功能，對于將要執行的動作，鉆機首先要進行預先判斷，收到控制系統的指令信號才能執行該操作，這僅僅可以稱為自動化，遠遠達不到智能控制的水平。對于智能控制鉆機的研發，現階段可以分為兩步走：①以國外自動化鉆機為基礎，設置總體的研發目標，并明確各個模塊的功能，研制出集成度高、功能穩定的設備和工具（自動貓道機、多功能頂驅等），實現“半自動智能控制鉆機”的研發；②在“半自動智能控制鉆機”的基礎上，對其進行升級改造，從控制軟件入手，提高鉆機的邏輯分析和判斷能力，以便更加可靠地應用在復雜場景中，最終實現“全自動智能控制鉆機”的研發。

4 結束語

在石油開采過程中，實現鉆機的智能化控制具有重要意義。一方面，它可以使鉆機應用到復雜的環境中去，提高鉆井效率和安全性，減少風險；另一方面，智能化控制節約了勞動力，減輕了企業成本。因此，科研人員要加強智能化控制鉆機的研發，完善培訓制度，提高實操能力，推動石油企業的發展。