石油鉆機自動化發(fā)展探討

李靜（中石化石油工程機械公司第四機械廠,湖北荊州434024）

石油鉆機自動化發(fā)展探討

李靜
（中石化石油工程機械公司第四機械廠,湖北荊州434024）

摘要：鉆機的自動化能夠最大程度地減少人工作業(yè)的工作量與工作風(fēng)險，提高鉆井作業(yè)效率。近年陸地鉆機對自動化、智能化、高安全性需求也日益提高，鉆機自動化技術(shù)成為鉆機技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。目前，我國的自動化鉆機作為先進鉆機的代表，不僅能取代常規(guī)的鉆井裝備，消除傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)效率低、成本高、勞動強度大等缺點，還能減少井隊人員配置，降低海外人工作業(yè)成本，規(guī)避國外作業(yè)的風(fēng)險。鉆機自動化升級可以形成鉆機成套自動化控制技術(shù)的研究，為提高鉆機自動化研制打下良好基礎(chǔ)。此外還可以向海洋鉆機進行技術(shù)輻射，以帶動現(xiàn)有鉆機技術(shù)水平的升級。

關(guān)鍵詞：石油鉆機；自動化；發(fā)展

1引言

（1）初級自動化鉆機是應(yīng)用了鐵鉆工、自動吊卡、自動卡瓦及管子排放系統(tǒng)等部分自動化工具及裝置的普通鉆機。主、副司鉆集中操作，依靠現(xiàn)場作業(yè)人員輔助來完成基本的鉆井操作。除主機的常規(guī)配置外，它主要增配的裝置包括鉆機游動系統(tǒng)自動化控制、鐵鉆工、管子排放系統(tǒng)、自動吊卡及自動卡瓦等。其目的是最大化減少人工作業(yè)的工作量與工作風(fēng)險，減少作業(yè)人員。

（2）高級自動化鉆機在鉆井作業(yè)的所有環(huán)節(jié)都應(yīng)用了自動化工具及裝置。并且實現(xiàn)了集成控制，鉆井作業(yè)在司鉆監(jiān)控下，由計算機上的鉆井專家系統(tǒng)按照程序智能控制有序進行。最基本的配置可保證正常作業(yè)時，鉆臺上不需要直接操作人員。目前最先進的自動化鉆機每班僅需4人即可完成全部鉆井作業(yè)。

（3）鉆機的自動化能夠最大程度地減少人工作業(yè)的工作量與工作風(fēng)險，提高鉆井作業(yè)效率。早期鉆機自動化技術(shù)與裝備多應(yīng)用于海洋鉆機，近年陸地鉆機對自動化、智能化、高安全性需求也日益提高，鉆機自動化技術(shù)成為鉆機技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。鉆機自動化的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)鉆井管柱操作的自動化，即通過研制和配套相應(yīng)的管柱處理系統(tǒng)實現(xiàn)鉆井管柱從地面到鉆臺面的輸送、測量——管柱在鉆臺面的上、卸扣和緊、崩扣——鉆進中送鉆——起下鉆時立根的排放等一系列動作機械化、自動化操作。上述操作主要依賴先進的自動貓道，鉆臺機械手、鐵鉆工、自動卡瓦、自動吊卡、二層臺管柱自動排放裝置及相應(yīng)司鉆集成控制技術(shù)。

2石油鉆機國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢

國外鉆機經(jīng)過柴油機驅(qū)動→直流電驅(qū)動→交流電驅(qū)動，已發(fā)展到高度自動化和智能化階段。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對鉆機的作業(yè)效率有更高的要求。常規(guī)鉆機采用人工操作管柱系統(tǒng)的模式越來越不適應(yīng)發(fā)展的需要。另外對鉆機的自動化操作要求也越來越迫切。??1949年,ByronJackson公司研制出第1臺三臂管柱排放裝置樣機,并于1952年獲得成功應(yīng)用。1956年,第1套鉆柱操作系統(tǒng)在CUSS—1鉆井船上應(yīng)用，該鉆井船的鉆柱水平排放在甲板上,操作系統(tǒng)主要用于排放水平放置的管柱。20世紀70年代以后,隨著一些新的井口操作自動化工具(如液壓大鉗、動力卡瓦)的應(yīng)用,同時各種用途的鉆柱排放裝置不斷出現(xiàn),這些裝置與井口自動化工具配合使用,使得鉆井作業(yè)過程中對管柱的各種操作不再需要人工直接參與,鉆柱排放技術(shù)開始從機械化向半自動化發(fā)展。1973年,挪威的SmedvigWestVenture鉆井船上安裝了BJ2Hughes公司研制的機械化、半自動化鉆柱排放系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計,該鉆井平臺利用機械化管柱排放系統(tǒng)1a節(jié)省了28d的時間,平均一趟鉆節(jié)省1h。管柱排放系統(tǒng)在WestVenture平臺的成功應(yīng)用,使得北海地區(qū)的其他鉆井船也配備了管柱排放系統(tǒng)。

20世紀80年代,由于一些國家法規(guī)的制定和實施,促進了鉆柱自動排放技術(shù)的快速發(fā)展。各種不同結(jié)構(gòu)特點的鉆柱自動化操作系統(tǒng)相繼研制成功,新建海洋石油鉆井平臺上全部配備了管柱自動排放系統(tǒng)。

20世紀90年代以后,鉆柱自動排放裝置由最初的專為特定鉆井船設(shè)計發(fā)展為模塊化、系列化設(shè)計,鉆柱自動排放技術(shù)的應(yīng)用也由海洋鉆井平臺走向陸地鉆機,逐步實現(xiàn)了模塊化和系列化?，F(xiàn)已可以根據(jù)鉆機的類型選擇不同的操作系統(tǒng),滿足不同類型鉆機的需要。

1993年,Varco公司開發(fā)了可以遙控操作的管柱自動排放系統(tǒng),1996年,第1個模塊化設(shè)計的鉆柱排放系統(tǒng)研制成功。1990年,精密鉆井公司建造了SuperSingle鉆機,該鉆機為新型自動化鉆機,帶有管柱處理和排放裝置,可以完全實現(xiàn)自動化鉆井作業(yè)。1996年,斯倫貝謝SedcoForex公司制造了一部基于簡單概念的新鉆機,該鉆機配備了全自動管柱操作系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)管柱在放置區(qū)、鉆臺、起下鉆和鉆臺與地面之間的全自動化運移操作。

美國W-NApache聯(lián)合公司研制的自動化鉆機：采用動力水龍頭鉆井方法，配備了自動移運和排放立根系統(tǒng)；采用微機控制系統(tǒng)，以監(jiān)控鉆機操作各工序正常作業(yè)，鉆井深度為6096m。其特點是鉆機的總重量較輕，安裝拆卸時間減少50%；采用自動化控制系統(tǒng)，可在1min之內(nèi)完成接單根作業(yè)，節(jié)約鉆井時間12%—15%；全鉆機只需要2人進行操作。英國石油公司與PhonexAlaskaTechnology公司共同研制的一種輕型自動化鉆井系統(tǒng)(LADS)，主要由常規(guī)鉆機模塊和移動系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)組成，質(zhì)量輕(不到鉆深能力相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)鉆機的50%)，靈活性高，能適應(yīng)惡劣路況搬遷和在狹窄井場進行鉆井作業(yè)。另外，由于采用自動化管理，整個系統(tǒng)僅需1名操作工便可通過計算機控制站完成所有鉆進、起下鉆和鉆桿排放等作業(yè)。

在鉆機自動化配套設(shè)備方面，國外石油設(shè)備供應(yīng)商已有成熟的技術(shù)和相應(yīng)的產(chǎn)品。在自動貓道方面，美國NOV、加拿大的CARING和TESCO等公司能夠生產(chǎn)，部分公司的產(chǎn)品不僅能為陸地鉆機配套，還能為海洋鉆機配套，自動貓道已系列化并成功應(yīng)用于現(xiàn)場；在鐵鉆工方面，美國的NOV和Weatherford等公司能夠生產(chǎn)，有手臂式和軌道式2種類型并已形成系列化，得到廣泛應(yīng)用；在液壓吊卡方面，美國的NOV和德國的B+V等公司能夠生產(chǎn)，主要有對開門和雙開門結(jié)構(gòu)，部分帶有自翻轉(zhuǎn)功能，產(chǎn)品規(guī)格全；在動力卡瓦方面：美國的DEN-CON公司和NOV等公司能夠生產(chǎn)，有氣動和液動兩種類型，形成系列化，得到廣泛應(yīng)用；在立根排放系統(tǒng)方面：挪威的MH和美國的NOV、Weatherford等公司能夠生產(chǎn)，類型多，系列化。

目前生產(chǎn)制造自動化鉆機的廠家主要包括NOV、DRILLMEC、Arkersolution、Huisman、SCHRAMM、AtlasCopco、GEFCO、DIETSWELL、BAUER、HERRENKNECHTVERTICAL等公司。

SCHRAMM

Huisman

2.2國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國石油鉆采設(shè)備制造規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)超過180多家，從業(yè)人員4.7萬人，已形成了比較完整的生產(chǎn)制造體系。已形成生產(chǎn)15、20、30、50、70、90、120系列鉆機的能力，開發(fā)了電驅(qū)動鉆機、叢式井鉆機和頂部驅(qū)動裝置。

近年來，國內(nèi)相關(guān)單位在鉆機自動化控制及管子處理裝置方面持續(xù)不斷地進行了探索和實踐。寶石機械近年來陸續(xù)完成包括動力貓道、二層臺自動化排管、鐵鉆工等關(guān)鍵井口自動化工具的研制，相繼形成適用于陸地、海洋的半自動化及全自動化管柱處理系統(tǒng)的解決方案。

第四機械廠于2009年開始對HXJ90液壓海洋修井機開始研制，該鉆機通過配置管柱自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了海洋鉆修機單根作業(yè)的自動化；2010年成功研制出全液壓煤層氣鉆機，2012年底陸續(xù)完成吊掛式鐵鉆工、動力貓道及多馬達可旋轉(zhuǎn)動力頭的研制，已形成煤層氣鉆機專用半自動管柱處理系統(tǒng)。該廠設(shè)計研制的BE550/ BE770系列鉆機已經(jīng)配套了頂驅(qū)、動力貓道、鐵鉆工等自動化工具；同時，開始了常規(guī)陸地鉆機的管子處理系統(tǒng)研制工作。

南陽二機近年來通過自主研發(fā)和項目合作等方式，陸續(xù)成功研制液壓煤層氣鉆機、齒輪齒條鉆機及自動化斜直井鉆機。尤其是HH75自動化斜直井鉆機，通過配置全自動化管柱處理系統(tǒng)，逐步具備了集成配套自動化鉆機的能力。

四川宏華集團年近年來致力于海洋鉆機包及鉆井平臺的研發(fā)，陸續(xù)成功研發(fā)了適用于海洋鉆井作業(yè)的動力貓道、接立根裝置及管具排放裝置，在陸地鉆機方面，目前也成功研制出動力貓道與鐵鉆工兩個關(guān)鍵性自動化工具。宏華集團重點發(fā)展海洋自動化工具，同時滿足陸地自動化鉆機的配套需求。

在國內(nèi)，海洋的自動化管柱處理系統(tǒng)基本依靠進口。陸地鉆機方面，各種自動化工具已初步應(yīng)用油田現(xiàn)場，例如大慶石油2011年開始試用鐵鉆工，渤海、川慶鉆探已經(jīng)試用鐵鉆工、動力貓道等自動化工具，二層臺自動排管也開始在油田進行工業(yè)試驗。總體而言，僅鐵鉆工已成熟應(yīng)用，動力貓道及二層臺排管裝置尚處于試用階段，自動化工具的集成及工程應(yīng)用處于試驗階段，技術(shù)的可靠性及適應(yīng)性有待提高，集成控制的自動化鉆機在國內(nèi)尚未成熟，未形成成熟的集成應(yīng)用。

隨著國際合作的日益增多，國內(nèi)石油勘探開發(fā)的工程隊伍更多的走出國門，為降低海外人工成本及適應(yīng)國外油田的環(huán)境和安全要求，對石油裝備提出了自動化、人性化及安全化的要求。自動化鉆機作為先進鉆機的代表，不僅能取代常規(guī)的鉆井裝備，消除傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)效率低、成本高、勞動強度大等缺點，還能減少井隊人員配置，降低海外人工作業(yè)成本，規(guī)避國外作業(yè)的風(fēng)險。

3總結(jié)

因此，對常規(guī)鉆機進行自動化升級很有必要，不僅能滿足鉆井作業(yè)高效率、高安全、高可靠性的要求，更能提高中石化鉆井隊伍的競爭實力。此外，通過對常規(guī)鉆機自動化升級，在現(xiàn)有鉆機上配套頂部驅(qū)動鉆井裝置、鉆柱自動化處理系統(tǒng)、網(wǎng)電模塊、叢式井移動裝置等先進設(shè)備能夠提高鉆機的自動化程度，達到減少生產(chǎn)班組的人員配備，降低人工成本；縮短非作業(yè)的輔助時間，提高鉆井時效；減輕勞動強度，提高作業(yè)安全性；增強鉆井隊伍在國際鉆井市場的競爭能力。

另外鉆機自動化升級可以形成鉆機成套自動化控制技術(shù)的研究，為提高鉆機自動化研制打下良好基礎(chǔ)。此外還可以向海洋鉆機進行技術(shù)輻射，以帶動現(xiàn)有鉆機技術(shù)水平的升級。

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