自動化設備在石油鉆機中的應用

李文強

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司裝備管理部，黑龍江 大慶 163000）

隨著科技的不斷發展，自動化技術和設備不斷應用于各種行業，其節省人力、提高效率以及安全可靠性強的優點不斷被人們所認可。鉆井施工由于工序復雜，環境惡劣，作業連續性強，人員勞動強度高，因此引入自動化設備勢在必行。2018年以來，國內各大鉆機制造廠陸續開始研發制造自動化鉆機，經過幾年的探索與應用，目前以寶雞石油機械有限責任公司為代表生產的“一代”自動化鉆機在國內鉆井領域已形成相當規模，正在向“二代”自動化鉆機轉型。在這一關鍵時期有必要將自動化鉆機配套設備在實際應用中的具體表現、存在問題以及發展方向以用戶的角度進行分析與討論。

1 石油鉆機自動化設備概況

1．1 設備分類及功能

目前，應用于石油鉆機配套的自動化設備按照功能可分為管住自動化處理設備和井口自動化操作設備兩大類。管住自動化處理設備主要完成鉆井管具從場地儲存、移運，到輸送至鉆臺，完成接立柱以及完井后拆甩單根等功能，主要設備有液壓鉆桿盒、液壓鉆桿支架、動力貓道、鉆臺機械手、二層臺機械手和液壓吊卡等。井口自動化操作設備主要完成鉆井管具的井口自動化操作和上卸扣功能，主要設備有鐵鉆工、動力卡瓦、鉆具絲扣油涂抹和泥漿防噴濺裝置等設備。

1．2 設備控制技術

國內石油鉆機所應用自動化設備的控制主要是基于PLC（可編程序控制器）為核心，通過外加各種位置、轉速傳感器和各種I/O信號，以及應用伺服電機控制技術等實現設備的自動化控制。其主要選用的控制器品牌與鉆機控制系統一樣，均是德國西門子公司生產的S7系列PLC（S7200/300）。這種PLC模塊化設計，結構緊湊，性能穩定，通訊功能強大，而且易于和鉆機控制系統PLC進行對接。由于自動化設備生產廠家的不同，每個設備都有其獨立的一套控制系統，既可單獨操作也可根據用戶需求與其它自動化設備一起嵌入到鉆機控制系統里實現一體化控制。目前國內使用的寶雞石油機械有限責任公司制造的“一代”自動化鉆機就實現了雙司鉆模式的集成一體化操作功能。

2 自動化設備在石油鉆機中的應用

2．1 運行情況

（1）節省人力方面。以國內目前在大慶油田頁巖油項目施工中應用的ZJ70DB“一代”自動化鉆機為例，在實際應用中，使用管住自動化處理和井口自動化操作設備與常規ZJ70鉆機用工數量對比如表1所示。

表1

自動化鉆機對比常規鉆機：接立柱作業可節省3人；鉆進作業可節省2人；起下鉆作業可節省3人；下套管作業可節省3人；甩鉆具作業可節省4人。可見在用工數量上，自動化鉆機起到了明顯減員的作用。同時由于自動化設備機械化水平高，員工在操作上或是使用按鈕、手柄，或是遠程集中控制，因此，自動化設備的應用也大大降低了員工的勞動強度。

（2）安全可靠性。自動化設備大多是遠程操作，人員一般遠離設備運轉范圍，因此造成人身傷害的風險較常規鉆機明顯降低。而且集成一體化控制的自動化鉆機在操作上可利用程序互鎖的原理，設置一些設備的連鎖保護功能，限制并防止出現各種誤操作的情況發生，以增加設備的安全可靠運行。因此，自動化鉆機設備的安全可靠性較常規鉆機更強。

（3）效率對比。同樣以大慶油田頁巖油項目施工的ZJ70DB“一代”自動化實際應用為例，與常規ZJ70鉆機幾種鉆井工況下的平均時效進行對比，如表2、表3所示。

通過表2，可看出自動化鉆機除了在接立柱環節，其它工況作業時效已經能夠達到常規鉆機的生產時效，特別是鉆進接單根和起下鉆環節，由于自動化管住系統的密切配合、流水作業，在時效上已經超過了常規鉆機，一定程度上提升了鉆井生產效率。

表2

通過表3，可看出在鉆機搬遷、安和鉆前準備環節，自動化鉆機的時效花費還是明顯多于常規鉆機的。主要原因在于自動化設備的拆卸、安裝、調試時間要多于常規鉆機，特別是安裝后的調試工作，通常較常規鉆機多花費1天左右時間。

表3

2．2 存在問題

（1）配件及維保服務問題。目前，雖然自動化鉆機配套設備已有相當規模的批量生產，但是部分設備尚未定型，還處于探索應用階段。后期維保方面還存在以下問題：一是設備配件供應不足。經過1～2年的生產運行，設備部件磨損、損壞的情況逐漸發生，易損配件更換是設備維保的主要保障，但是由于自動化設備配件的多樣性以及市場保有量有限，而且存在大量進口配件，造成生產廠家無法及時儲備和供應充足的配件，再有國有企業體質受限，自動化設備配件采購編碼申請難度大、采購周期長，設備實際使用中很難保證及時供應配件。二是主要設備故障維修處理困難。自動化鉆機設備技術先進，大多還處于技術保密階段，故障處理需要廠家技術人員到井服務，維修等待期較長。集成一體化運行的自動化鉆機，在設備配備上往往牽扯多個設備生產廠家，實際維修中經常會發生故障原因相互推諉和判斷不清的情況發生，造成維修時間過長，嚴重影響正常鉆機生產時效。

（2）局限性問題。目前，石油鉆機配套和試驗的自動化設備僅限于鉆井管柱處理和井口自動化操作領域方面發展，在鉆井液固控處理和循環系統操作方面涉獵較少。以現有ZJ70DB自動化鉆機為例，雖然解決了鉆臺區域操作減員和降低勞動強度的問題，但是在鉆井液配置、固控循環設備操作和鉆井液沉沙處理上仍需要大量的人力去完成（例如，鉆井液配置時加注各種藥品完全依靠人力完成，勞動強度非常大；完井清理鉆井液循環罐既費時又費力，每次清罐需要10人以上，2～3天時間才能完成）。綜合考慮，現有自動化鉆機配套設備沒能完全達到減員和降低勞動強度的目的，具有一定的局限性。

（3）效率提升上有待加強。通過自動化鉆機與常規鉆機各工況下生產時效的對比可看出，目前自動化鉆機在特定工況的效率上已經達到常規鉆機的水平。但是在實際應用中，還沒有達到預期的目的，仍有提升的空間。目前現場還存在以下影響效率提升的問題：一是自動化設備之間的配合不默契，在程序設計上還需進一步優化。鉆井工況復雜多變，中途出現異常情況比較多，而自動化鉆機各種操作流程相對固定，不能完全滿足現場實際需求，部分界面操作比較繁瑣，需要進一步結合實際工況優化程序設計，簡化操作流程，以提升自動化鉆機生產時效。二是自動化設備自身設計上存在缺陷，實用性有待進一步優化。以鐵鉆工為例，國內生產鐵鉆工的廠家不下3～4家，但是真正實用性強的就那么1～2個品牌，只有將設計思路與實際操作緊密結合，才能生產出實用性強的自動化設備。三是沒有必要追求理想的井口“無人化”操作。例如，井口絲扣油自動涂抹裝置和鉆具自動清扣、丈量裝置等，目前技術瓶頸尚未攻破，大量的投入使用只會降低生產效率，還會造成投資浪費。

3 自動化設備在石油鉆機中的發展趨勢

經過幾年的探索與應用，鉆機自動化設備已從開始的摸索、試驗到成熟應用，分別以新設備配套、老舊鉆機改造等形式出現在石油鉆機行列，已經由“一代”開始向“二代”自動化鉆機轉型。結合實際應用，石油鉆機自動化設備的發展趨勢主要有以下幾個方向：（1）向規范化和集成一體化發展。主要用于新鉆機配套，隨著用戶對自動化鉆機優點的不斷認可，規范化和集成一體化發展是必然趨勢，鉆機生產和配套廠要進一步規范自動化鉆機的配套標準，優化技術規格；各自動化設備生產廠在設計上要統籌考慮集成一體化控制和兼容性，最大限度的提升自動化鉆機的可靠性和運行效率。只有這樣才有利于體現自動化鉆機的技術先進性和更好發揮自動化設備的優勢，使自動化鉆機更好的為鉆井行業貢獻力量。（2）單一設備進行應用推廣。對于成熟應用的單一功能自動化設備，可用于常規鉆機的改造升級和更新迭代。例如，單獨更換動力貓道、鐵鉆工和二層臺機械手等，解決部分減員和降低人員勞動強度的目的。（3）加大研發力度，盡快補齊短板。針對目前鉆井泥漿不落地的環保要求和鉆井液加重、加藥需要大量人力的實際，需要加大對鉆井液配置和固控循環罐清罐作業所需自動化設備的研發力度，以提升自動化鉆機的綜合效率。（4）快速定型，同步發展維保服務。對已經成熟應用的自動化設備產品，生產廠要快速定型，形成行業標準，使用方要加大推廣力度，進行優先選配。同時，生產廠還要積極拓展設備的配件供應和技術服務，及時申請專利，放開對用戶的技術保密，保障設備后期安全可靠運行。

4 結語

總之，自動化設備在石油鉆機中已經占據了一席之地，并且以其節省人力、安全可靠、技術先進等優點已經逐漸被鉆井行業所認可，雖然在其應用過程中尚存在配件供應、售后維保以及效率等方面的問題，但是通過一些措施和優化方案是可以解決和完善的，因此，自動化設備在石油鉆機中的推廣應用是非常必要的，而且根據用戶的各種需求，將會以不同方式朝著多方面進行發展。建議鉆機自動化設備在發展上優先考慮效率問題，沒有必要實現完全的無人化操作，應當加大在設備的可靠性上進行研究，以提升自動化設備的硬件可靠性為關鍵，同時以解決現場突出問題為抓手，全方位發展鉆井自動化設備的探索與應用。