石油鉆機自動化技術的研究

楊中興，王德余，王基龍

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300450；2.中國石油技術開發有限公司，北京 100028）

石油是非常重要的資源，石油技術是獲得石油的最佳途徑。石油鉆采設備是一種大型機電設備，其性能與自動化技術的應用密切相關。隨著科學技術的飛速發展，石油鉆探技術已逐漸實現了自動化改造。通過增加先進的智能控制模式，石油鉆探技術的生產效率得到了全面提高。隨著石油鉆探技術的不斷發展，石油鉆機的結構形式、傳輸方式和運輸方式發生了重大變化。有機械驅動鉆機、液壓驅動鉆機、電動鉆機、船用模塊化鉆機、沙漠高速行進鉆機和垂直提升鉆機。為了進一步提高石油鉆機的整體性能，有必要不斷增加對相關自動化技術的研究。

1 石油鉆機自動化技術現狀

自動化技術是石油鉆機的核心技術，它直接關系到鉆機的整體性能，對油氣資源的開采效率有一定的影響。下面以市場占有率最高的電動鉆機為例，簡要介紹石油鉆機自動化技術的現狀。

（1）電機驅動技術。電動機驅動器是一種相對先進的傳動技術，也稱為電傳動，具體是指如何將電動機用作驅動機械設備的動力機械。傳統的電動機驅動系統由電動機和自動控制單元組成。當前，大多數石油鉆機基本上都使用電動機驅動技術，其核心是變頻驅動。在這一領域，中國進行了大量研究并開發了其產品。但是，由于各種因素影響，該產品的本地化尚未得到廣泛使用。

（2）PLC技術。PLC代表可編程邏輯控制器。由于其穩定可靠的性能和自動編程功能，已被廣泛用于工業控制中。近年來，PLC已被引入到石油鉆機中，并逐漸成為石油鉆機的主要控制系統。德國西門子公司開發的S7系列PLC產品基本應用于石油鉆機。在實際應用中，發現早期的S7系列產品具有啟動和停止現象。為了解決此問題，新一代PLC產品具有兩組功能強大且功能強大的處理器，并且可以自動轉換兩組處理器。通過解決原來的PLC問題，極大地提高了石油鉆機的工作效率。

（3）能源多樣化。在運行過程中，對電能的需求比較高，電源性能必須穩定可靠。石油鉆機主要使用柴油發電機組發電，實現控制系統的并網，形成局部電網，為鉆機的電氣設備和系統提供穩定的動力輸出。

（4）變頻驅動技術。討論傳統晶閘管整流技術的現狀。在采油技術的不斷發展過程中，電驅動技術已進入生產過程，并且該生產過程已被廣泛使用，特別是在機械設備中。通過傳動和調速的優勢迅速占領市場份額。這部分內容對采油操作非常重要，其本身的操作價值很高，整體性能非常重要。但是，就目前的情況而言，一些進口逆變器仍占主導地位。電機可以展現自己的價值和出色的性能，但在整體技術和可靠性方面不亞于其他鉆機。因此，國產挖掘機的推廣面臨許多困難和困難，應進一步推廣和應用實際生產和應用，并應擴大應用范圍和技術優勢。當前，根據傳輸模式，機器的使用可分為多驅動器和單驅動器。多個驅動器在結構和成本方面均具有優勢，而單個驅動器具有兼容性強且成本低的優勢。

2 當前自動化技術存在的問題

（1）自動化系統的一體性不足。目前，國內主要的鉆機制造商基本上生產機械結構零件，而其他設備，油井動力和視頻監控系統均由第三方生產。盡管這種精細的分工在促進經濟發展方面具有明顯的優勢，但從技術角度來看也有一些劣勢。上述外圍設備制造商生產的子系統在原理，接口和外部尺寸上都不同。更重要的是，由于它們是獨立的并且彼此匹配，因此它們很容易引起諸如重復配置和接口不兼容之類的問題，這可能給鉆機的用戶和總承包商帶來特定的問題。以絞車卷筒的編碼器為例，為了檢測吊鉤速度和行駛位置信息，必須分別安裝儀器系統，電力驅動系統，數字顯示防撞裝置，測井設備和測井設備。如果可以進行集成計劃信息共享，將會更加方便。

（2）電機定制化開發不足。鉆井泵，絞車，轉盤和其他設備設備應由大功率交流變頻或直流電動機驅動，并且鉆井電動機主要由專業支持公司開發。因此，當為單個項目提出定制改進或設計時，對大訂單的需求不足以激勵制造商，并且存在某些瓶頸。

（3）高防護等級等特殊電機存在壁壘。對于海上模塊化鉆機，按照船級社的要求，室外電氣設備（如甲板）的防護等級不應低于IP56。目前，在中國，由于散熱等問題，在中國很難開發這種高等級的保護電動機，并且只能通過進口來解決，從而導致成本增加和交貨期延長。

（4）缺乏一體化設計。電動機頻繁移動的模塊化鉆機對絞車和鉆井泵的數量有嚴格的限制。因此，基于傳動結構的優化，還需要電動機的整體設計。但是，國內汽車供應商通常對這些定制產品不感興趣。所以我國相關企業還是需要擁有自己的電機生產和設計能力。

3 當前自動化技術發展建議

（1）注意自動化技術的發展。自動化技術對石油鉆探技術的實際應用影響很大。目前，中國已經實現了管弦和地面鉆探設備的自動化，但與其他發達國家相比仍存在很大差異。當然，中國的鉆井設備自動化技術水平也在不斷提高，已經在全國范圍內得到推廣，也有效提高了鉆井設備自動化的應用效果。相關人員應事先制定最科學合理的工作流程，善于自動化技術的應用和推廣，并注意挖掘設備在使用過程中的安全性和可靠性。在開發各種自動化工具時，有必要注意應用程序的可靠性，以更好地滿足企業生產的實際需求。

（2）專注于集成控制技術的研發。集成控制技術已應用于鉆機，以避免在現有作業過程中出現過多的人力和能源消耗問題。目前，中國鉆機技術中使用的各種鉆機和電動機基本是獨立運行的。在實際的操作過程中，需要進行人工調試，以實現操作與信息技術之間的集成管理和存儲，并且不能實現較大的缺陷下的數據和信息共享，這在一定程度上影響了鉆井設備的后續工作。平穩的發展也影響了鉆機的正常運行。因此，有必要不斷地對此進行研究，以提高鉆井設備的自動化程度。相關研究人員應注意鉆機集成控制系統的開發和應用，以促進鉆井技術的快速改進和發展。

（3）專注節能技術研發。根據過去的經驗，已經表明，無論是實際的鉆井技術還是石油資源開采過程，都存在大量的能源消耗問題，在某種程度上是浪費石油資源。因此，我們需要加大節能技術的研發和應用。例如，在變頻絞車的實際應用中，熱能的供應主要是通過電阻轉換，造成嚴重的資源浪費，給企業帶來一定的經濟損失。為了實現此過程的節能效果，超級電容器可以循環使用，以不斷提高鉆井作業的經濟效率。傳統采礦技術的過度能源消耗得到了很好的改善和補償，自動化技術研發的有效性也在不斷提高。

（4）專門的故障診斷系統的開發。連續鉆機后續增值服務專家故障診斷系統可以對鉆機在實際工作中的運行參數進行收集和分類，并以無線傳輸的形式將其傳輸給鉆機制造商和鉆機管理部門。該系統自動對需要更換或維修的設備進行分類和分析，以改善鉆機的故障保護能力。這使施工人員可以提前計劃設備維護，并使制造商有時間制造配件而不會延遲設備更換。美國NOV的“eHawk”優化服務可以被視為具有代表性的工作之一，可以提供在線技術支持，錯誤分析，遠程維護和其他功能。該技術可以看作是設備制造商全面服務水平的主要體現，并且在鉆機的整個生命周期中都得到了實施。

4 結語

石油鉆機自動化技術不僅可以實現鉆井過程和設備維護與檢查的自動化，在一定程度上節省人力和物力，還可以有助于提高石油鉆機的性能以及各方面的實際效率和質量。因此，我們需要重視石油鉆機自動化技術的研究，加快新產品的研發，逐步縮小與國外產品的差距。