石油鉆機生產與智能控制系統研究

田德新

（山東科瑞機械制造有限公司，山東 東營 257000）

當前，經濟發展、社會進步、市場繁榮，使得石油資源的需求不斷提升，在石油開采不斷深入發展的背景下，對機械設備的要求也隨之提升。在進行石油開采生產過程中，石油鉆機的應用屬于必不可少的設備，可促進石油鉆機智能化水平的提升，本文就石油鉆機生產過程中存在的問題進行分析，并探究引入智能系統的具體方式。

1 石油鉆機智能化發展背景

1.直流變頻驅動技術的應用。電傳動技術具有調速方便靈活、傳動功能強等特點，在20 世紀末動鉆機在我國開始制作和改進。直流傳動具有良好的性價比，占有一定的市場地位。變頻傳動簡化了鉆機結構，提高了鉆機的穩定性。鉆機智能化的發展需要直流和變頻調速技術的不斷的提升技術（如圖1 所示）。

圖1 智能鉆井系統組成

2.石油鉆機工作方式。這個鉆井平臺由柴油發電機、電網和替代能源供電。柴油發電機是一個舊的驅動程序，使用數字控制，使多個單位一起工作。供電系統適用于電力資源充足的地區，但需要電力補償和諧波抑制裝置來提高用電的穩定性。新能源驅動模式是我國大發展的驅動模式。由于地域條件的限制，這種驅動模式難以推廣。驅動方式的多樣性為鉆機的智能化提供了動力支持。

3.石油鉆機智能化開發。智能技術的發展推動了新的工業革命。智能技術在液壓系統控制、變頻系統控制、傳感器檢測、設備運行監控等方面具有獨特的優勢。目前，智能鉆井平臺已經上市，以德國本特克公司生產的智能鉆機為例，智能鉆機可以把修井作業具體工作信息反饋給控制中心，自動調節速度、流量、壓力等工作參數。國內石油鉆機鉆井控制系統方面取得了很大突破，智能化發展也越來越迅速。

2 石油鉆機生產中存在的缺陷

當前，自動起下鉆技術可應用于交流變頻小電機送鉆工作之中，該工作的應用原理大都是依據傳感器進行懸重信息數據及游車高度信息數據的選擇，以利用內置程序開展計算分析，以最優數值對石油鉆機進行調控。這一形式的應用，可減少司鉆人員工作量，促進鉆機工作自動化水平的提升，但是由于鉆機程序中進行了出廠預設值，使得其在不同環境下，鉆采工況的適應能力也各不相同，從而缺少完善的控制系統，直接導致石油鉆機工作中停站及報警頻繁事故時有發生，其應用中問題主要包括以下幾點。

2.1 鉆井工作環境問題

鉆機打鉆的工作環境大都氣候變化多樣、環境惡劣、地質環境復雜程度較高，包括沼澤區域、沙漠區域及嚴寒區域等地域，這直接對精密儀器的應用質量產生不利影響，但是由于鉆井工作的應用存在特殊性質，工作地點不確定，所以必須在鉆探前對地址結構進行勘探，成本投入較大。

2.2 鉆機工作狀態問題

鉆機打鉆的距離比較長，最長可高達上萬米，在距離不斷增加的情況下，鉆機的信號傳輸速度也會隨之下降，直接對自動控制的判斷和響應產生負面影響，雖然鉆機在應用過程中，將模糊控制模式引入了其中，但是，這一技術的應用同時也受到發展水平的影響[1]。

3 提高石油鉆機的智能控制系統化程度的幾點對策

3.1 學習智能控制系統運行

首先，鉆井的時候，這個區域被分成多個區塊用于鉆井。由于同一區塊的工作環境基本相同，環境變化引起的問題可以在一定程度上得到緩解。其次，引入學習控制系統，即模擬人的控制和調節機制，通過重復輸入信號對系統進行校正，使系統能夠響應具體的輸入，逐步獲取實際工作環境的信息，并根據相應的標準進行評估、分類、決策和改進。最后，智能控制系統的程度非常高。學習控制系統的具體操作步驟如下:

（1）記憶學習。在鉆井過程中，記錄了不同地層的工作環境和特征，建立了對應關系，建立了地層變動作業模型；（2）設計優化。通過對勘探井作業過程數據的整理和編輯，結合作業經驗，對系統進行了二次優化，以滿足實際作業環境的需要；（3）自動控制方式:鉆井采用半自動控制方式，主要是自動控制和輔助人工監控，不僅降低了人工勞動強度，而且更接近實際工作環境；（4）設置偏差值:設置相關參數的允許范圍，當超過允許范圍時，機器會發出報警，同時進入手動模式。

3.2 鉆井設備的智能控制

當前應用鉆機的情況下，生產商在完成送鉆工作以后，就會忽略應用環境問題，這極大程度上會對石油鉆機的實際應用產生不利影響，依據實現輸入的程序，完成執行、控制、測量等各部分內容的工作，由于這一過程僅在通用環境下適用，一旦地質結構或者鉆探環境發生變化，無法有效開展針對性調整，無法適應新的鉆探環境，最具代表性的鉆機為交流變頻小電機送鉆，其應用過程中，鉆機頻率、扭矩、電流與電壓水平均屬于采集的重要參數，設備通過對泵壓實際數值及預設數據之間的差異性進行分析后，依靠總線發出相關治理，并開展數控程序信號的傳送，對電機的轉速和扭矩進行動態傳送，以實現鉆研自動井下工作的目的，對鉆研的起伏變化情況進行補償，以此保障鉆電機可在正常狀態下工作，但是這一鉆機應用過程中，出廠設置無法進行針對性的調整，直接導致其使用中一旦地形比較復雜，將會發生報警情況，對打鉆工作的正常開展產生不利影響[2]。在這一情況下，雖然采用了專家控制技術及神經網絡技術開展控制，但是在惡劣條件下的應用也極大程度受到制約，對石油行業自動化發展產生制約作用。

4 優化措施

打井過程中，必須對區塊進行劃分，確保同一區塊內的地貌特征及地質環境相似，對地層變化所產生的困擾問題進行改善，在同一區塊內，井隊必須先開展鉆探，對不同地層的樣本信息進行收集，以為鉆探提供參考依據，以更好的幫助學習控制系統引入石油鉆探之中。學習控制屬于人類自身調節模擬的一種形式，其可依靠重復的進行信號輸入，從外部實現系統校正的目的，保持系統輸入對系統發生特定響應，使其在運行過程中，能夠對環境及受控過程中的非預知信息進行獲取，可在設置的評價標準下開展決策、分類、估值和優化，以此促進自動控制系統質量的提升[3]。

在具體應用過程中，首先，需要依靠其學習過程的開展，在鉆井過程中，機械會對不同底層的工作信息及鉆井特點進行記錄，并對地層及操作之間的對應關系進行掌握，包括巖石層、泥沙層、土層及鵝卵石層等，其分別對應不同的司鉆控制形式、懸重及泵充值。通過建立彼此對應的聯系，可保障操作模式-地層變化的關系，并進行機器記錄和傳感器數據記錄。其次，需要進行優化設計，在開展探井操作的過程中，必須整理和編輯相關數據，依靠成熟司鉆的控制經驗，對其開展二次優化處理，以此獲取操作邏輯判斷和對應的控制關系，以對工程狀況提出具體要求。在此過程中，必須保障其能夠在復雜的地址條件下，結合自動化發展水平，盡可能的建立適應工況的控制方式，對個性問題進行解決，以促進自動控制發展水平的提升，通過建立在某一具體情況上的自動化控制系統，在完成探井作業以后進行過程優化，以保障其鉆探針對性的增強。此外，采用半自動控制模式，在同一區塊內部施工過程中，必須將自動控制作為主要形式，將人員監督與管理作為次要方式，對打度進行控制，以保障其能夠與實際情況相符合，做出本土化的決策。進行偏差值的設計，對跳鉆機溜鉆的范圍進行確定，一旦超過這一氛圍，及時報警，并進入手動模式，由工作人員對下一步進行具體控制，待其回到控制范圍以后，開展原工作模式，以此依靠人機切換方式開展鉆探工作。

5 結語

綜上所述，石油企業想要安全生產，不斷提升生產經營效益，就必須重視自動化設備的引入，通過智能控制系統的應用，保證石油鉆機能適應不同的鉆探環境，提升鉆探效率，并不斷向著無人值守、無人作業的方向發展，以保障石油企業在市場激烈的競爭機制下能夠立于不敗之地。