石油鉆機(jī)中的新技術(shù)及應(yīng)用

宋宇峰 呂 龍 耿建璞

(河北建勘鉆探設(shè)備有限公司,河北 石家莊051134)

1 引言

鉆井作業(yè)不僅投資大,風(fēng)險(xiǎn)性也比其他行業(yè)高,工作環(huán)境惡劣、工作載荷大、危險(xiǎn)系數(shù)高,鉆井裝備的技術(shù)含量直接影響著鉆井速度、工作人員及設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)效益。目前,我國與國外先進(jìn)鉆井技術(shù)相比相對(duì)落后。隨著石油鉆井裝備制造企業(yè)科研資金投入的加大,石油開采單位新技術(shù)在鉆機(jī)中應(yīng)用研究的加快,我國將會(huì)大幅提高鉆井裝備水平,縮短與國外鉆井技術(shù)差距,推動(dòng)我國石油鉆機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。

2 石油鉆機(jī)中的新技術(shù)及應(yīng)用

2.1 變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)

上世紀(jì)二三十年前,我國的石油鉆機(jī)還主要靠柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),采用的是機(jī)械傳動(dòng),而美國等國家已將以電驅(qū)動(dòng)引入到大型鉆機(jī)中,在上世紀(jì)90年代末期,變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)率先使用在海洋開采平臺(tái)中。我國在上世紀(jì)80年代末,研制出第一臺(tái)直流驅(qū)動(dòng)的2J45D陸地電動(dòng)鉆機(jī)。隨著信息和電力技術(shù)的發(fā)展,變頻技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的節(jié)能技術(shù),以高效節(jié)能的優(yōu)良特性,被應(yīng)用到石油鉆井領(lǐng)域中,1997年寶石機(jī)械(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司)首次將變頻技術(shù)用在5000m鉆機(jī)上,到2002年,變頻鉆機(jī)投入系列化生產(chǎn)。目前,我國研制的交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)深度達(dá)到3000m－12000m,成為全球第二個(gè)能夠生產(chǎn)特大型鉆機(jī)的國家。

在國家“節(jié)能減排”的號(hào)召下,更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保的電能驅(qū)動(dòng)必然會(huì)取代傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有調(diào)速性能優(yōu)越、省電節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),有數(shù)據(jù)顯示,在石油系統(tǒng)中使用變頻技術(shù)可節(jié)能約4成,在石油鉆機(jī)的起升系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等各個(gè)環(huán)節(jié)均可應(yīng)用,以此技術(shù)研制的交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)將現(xiàn)代電力電子技術(shù)和石油鉆井機(jī)械技術(shù)綜合起來,成為當(dāng)前鉆井系統(tǒng)改造的主要方向。近幾年,利用交流變頻調(diào)速技術(shù)研制出的全數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)鉆機(jī),鉆機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,操作方便靈活、維護(hù)保養(yǎng)方便,安全性高、具有更好的可靠性和移運(yùn)性。

2.2 自動(dòng)化控制技術(shù)

傳統(tǒng)石油鉆井作業(yè)需要多人配合,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率還不高,同時(shí)存在受傷危險(xiǎn)。目前,自動(dòng)化控制技術(shù)已滲透到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,石油開采行業(yè)也不例外,力求通過鉆井自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)提高開采作業(yè)效率和安全性,降低開采成本的目的。自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)將自動(dòng)化控制技術(shù)、交流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)和液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)等結(jié)合,能夠通過傳感器網(wǎng)絡(luò)把鉆井作業(yè)過程中的地層結(jié)構(gòu)變化、鉆面鉆進(jìn)進(jìn)度、油藏位置等信息實(shí)時(shí)傳輸給地面控制站和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心,可以做到遠(yuǎn)程監(jiān)視和操控指令的下達(dá)。

國外關(guān)于自動(dòng)鉆井技術(shù)的專項(xiàng)研究較早,應(yīng)用也更成熟,目前我國在鉆井深度領(lǐng)域的研究位于世界前列,但在鉆機(jī)自動(dòng)化方面稍顯落后。國內(nèi)相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員也做了大量研究工作,比如,寶石機(jī)械研發(fā)的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng),使用動(dòng)力貓道、鐵鉆工和自動(dòng)井架工等自動(dòng)化工具,通過智能控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來代替原來完全依靠人力的高強(qiáng)度體力工作,不僅減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,工作環(huán)境也更加安全舒適。

2.3 計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)

石油鉆井作業(yè)采用自動(dòng)控制技術(shù)后,由于控制對(duì)象數(shù)量的增加,一方面會(huì)造成配置重復(fù),另一方面各個(gè)單元控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立會(huì)加大司鉆人員的工作量,集成控制系統(tǒng)采用PLC對(duì)石油鉆機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理,同時(shí)各個(gè)設(shè)備的信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳給集成控制中心,將組成集成控制系統(tǒng),將鉆機(jī)各個(gè)控制單元有機(jī)整合。美國國民油井的電子司鉆Cyber Base、阿克公司的鉆井可視系統(tǒng)Drillview等,是計(jì)算機(jī)集成控制的代表。

國內(nèi)在鉆機(jī)集成控制技術(shù)方面的研究起步相對(duì)較晚,上世紀(jì)末期,我國開始了全數(shù)字鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究,它用微處理器實(shí)現(xiàn)軟件控制,具有完善的故障自診斷、運(yùn)行、顯示和保護(hù)功能,同時(shí)軟件系統(tǒng)也不斷升級(jí),使石油鉆機(jī)的功能更趨完善、鉆井參數(shù)配置更優(yōu)化。司鉆室工作臺(tái)也更簡(jiǎn)化整潔,司鉆人員操作起來更安全便捷和精準(zhǔn),提高了工作效率。

2.4 激光鉆井技術(shù)

激光鉆井技術(shù)應(yīng)用在石油開采行業(yè)中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(1)激光能量極高,更易穿透巖石,美國Phillipse公司用MIRACL激光器進(jìn)行鉆孔試驗(yàn),激光束在1s內(nèi)可穿透60mm厚的砂巖－頁巖－砂巖夾層,其穿透速度比常規(guī)鉆井速度高上百倍。(2)激光鉆井不需要鉆頭,套管等設(shè)備,不需要下套管和起下鉆柱,這樣不僅節(jié)約了鉆井成本,時(shí)間也縮短了3成。(3)傳統(tǒng)機(jī)械鉆井過程中,地層中的石油、水等流體會(huì)流入井中,易發(fā)生井噴事故,而用激光鉆井,在巖石上會(huì)形成一層陶質(zhì)層井壁,可以有效的預(yù)防此類事故發(fā)生,提高鉆進(jìn)的安全性。(4)激光器系統(tǒng)中包含各種井下傳感器和圖像顯示系統(tǒng),可通過光纖電纜或無線網(wǎng)絡(luò)與地面進(jìn)行通訊,使工作人員對(duì)鉆進(jìn)過程有更全面的把握與控制。

美國開展的激光鉆機(jī)的研究計(jì)劃中使用美國國防部星球大戰(zhàn)計(jì)劃開發(fā)的2臺(tái)強(qiáng)大、有效的高能激光器。一臺(tái)是中紅外高級(jí)化學(xué)(MIRACL)兆瓦級(jí)激光器,具有的能量能燒穿軟巖石礦物質(zhì)固體材料;另一臺(tái)是化學(xué)氧化碘激光器(COIL),該激光器輸出功率高,并能在光纖中耦合,可用于深度超過4500m的鉆井,可以解決井控、側(cè)鉆和定向鉆井等問題。在國內(nèi),易先中教授從1998年就開始了激光破巖機(jī)理和射孔技術(shù)的研究,雖然我國的激光鉆井技術(shù)研究相對(duì)不成熟,但進(jìn)展迅速,目前已在高功率激光的研究方面取得重大突破。

3 結(jié)束語

我國科技起步相對(duì)較晚,而且鉆機(jī)作業(yè)的復(fù)雜環(huán)境對(duì)其配套設(shè)備的要求也限制了很多新技術(shù)的推廣。除上述4種鉆井新技術(shù)外,集網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和全方位視頻監(jiān)控技術(shù)為一體的遠(yuǎn)程司鉆技術(shù)、在線故障檢測(cè)及診斷技術(shù)、鉆井機(jī)器人等技術(shù)也是目前研究的熱點(diǎn)。隨著石油鉆井裝備制造企業(yè)加大科研投入,鉆井技術(shù)革新腳步的加快,必將會(huì)實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)真正的智能化和自動(dòng)化。

[1]于興軍,魏培靜,張青鋒等.石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的問題及發(fā)展建議[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2014,43(10).

[2]王進(jìn)全,王維旭.國外鉆機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及我國的發(fā)展策略[J].石油機(jī)械,2011,39(6).

[3]張鵬飛,朱永慶,張青鋒等.石油鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化技術(shù)研究和發(fā)展建議[J].石油機(jī)械,2015,43(10).

[4]馬亮.變頻器技術(shù)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新,2012,(34).