石油鉆機自動化技術(shù)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(shù)開發(fā)有限公司，北京 100028）

石油是非常重要的資源，石油技術(shù)是獲得石油的最佳途徑。石油鉆采設(shè)備是一種大型機電設(shè)備，其性能與自動化技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，石油鉆探技術(shù)已逐漸實現(xiàn)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(shù)的生產(chǎn)效率得到了全面提高。隨著石油鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，石油鉆機的結(jié)構(gòu)形式、傳輸方式和運輸方式發(fā)生了重大變化。有機械驅(qū)動鉆機、液壓驅(qū)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(guān)自動化技術(shù)的研究。

1 石油鉆機自動化技術(shù)現(xiàn)狀

自動化技術(shù)是石油鉆機的核心技術(shù)，它直接關(guān)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(shù)的現(xiàn)狀。

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

（2）PLC技術(shù)。PLC代表可編程邏輯控制器。由于其穩(wěn)定可靠的性能和自動編程功能，已被廣泛用于工業(yè)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(tǒng)。德國西門子公司開發(fā)的S7系列PLC產(chǎn)品基本應(yīng)用于石油鉆機。在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)早期的S7系列產(chǎn)品具有啟動和停止現(xiàn)象。為了解決此問題，新一代PLC產(chǎn)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(zhuǎn)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(wěn)定可靠。石油鉆機主要使用柴油發(fā)電機組發(fā)電，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的并網(wǎng)，形成局部電網(wǎng)，為鉆機的電氣設(shè)備和系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動力輸出。

（4）變頻驅(qū)動技術(shù)。討論傳統(tǒng)晶閘管整流技術(shù)的現(xiàn)狀。在采油技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，電驅(qū)動技術(shù)已進入生產(chǎn)過程，并且該生產(chǎn)過程已被廣泛使用，特別是在機械設(shè)備中。通過傳動和調(diào)速的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)市場份額。這部分內(nèi)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(dǎo)地位。電機可以展現(xiàn)自己的價值和出色的性能，但在整體技術(shù)和可靠性方面不亞于其他鉆機。因此，國產(chǎn)挖掘機的推廣面臨許多困難和困難，應(yīng)進一步推廣和應(yīng)用實際生產(chǎn)和應(yīng)用，并應(yīng)擴大應(yīng)用范圍和技術(shù)優(yōu)勢。當前，根據(jù)傳輸模式，機器的使用可分為多驅(qū)動器和單驅(qū)動器。多個驅(qū)動器在結(jié)構(gòu)和成本方面均具有優(yōu)勢，而單個驅(qū)動器具有兼容性強且成本低的優(yōu)勢。

2 當前自動化技術(shù)存在的問題

（1）自動化系統(tǒng)的一體性不足。目前，國內(nèi)主要的鉆機制造商基本上生產(chǎn)機械結(jié)構(gòu)零件，而其他設(shè)備，油井動力和視頻監(jiān)控系統(tǒng)均由第三方生產(chǎn)。盡管這種精細的分工在促進經(jīng)濟發(fā)展方面具有明顯的優(yōu)勢，但從技術(shù)角度來看也有一些劣勢。上述外圍設(shè)備制造商生產(chǎn)的子系統(tǒng)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(fù)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(tǒng)，電力驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)字顯示防撞裝置，測井設(shè)備和測井設(shè)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(fā)不足。鉆井泵，絞車，轉(zhuǎn)盤和其他設(shè)備設(shè)備應(yīng)由大功率交流變頻或直流電動機驅(qū)動，并且鉆井電動機主要由專業(yè)支持公司開發(fā)。因此，當為單個項目提出定制改進或設(shè)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(shè)備（如甲板）的防護等級不應(yīng)低于IP56。目前，在中國，由于散熱等問題，在中國很難開發(fā)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(dǎo)致成本增加和交貨期延長。

（4）缺乏一體化設(shè)計。電動機頻繁移動的模塊化鉆機對絞車和鉆井泵的數(shù)量有嚴格的限制。因此，基于傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，還需要電動機的整體設(shè)計。但是，國內(nèi)汽車供應(yīng)商通常對這些定制產(chǎn)品不感興趣。所以我國相關(guān)企業(yè)還是需要擁有自己的電機生產(chǎn)和設(shè)計能力。

3 當前自動化技術(shù)發(fā)展建議

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

（2）專注于集成控制技術(shù)的研發(fā)。集成控制技術(shù)已應(yīng)用于鉆機，以避免在現(xiàn)有作業(yè)過程中出現(xiàn)過多的人力和能源消耗問題。目前，中國鉆機技術(shù)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(diào)試，以實現(xiàn)操作與信息技術(shù)之間的集成管理和存儲，并且不能實現(xiàn)較大的缺陷下的數(shù)據(jù)和信息共享，這在一定程度上影響了鉆井設(shè)備的后續(xù)工作。平穩(wěn)的發(fā)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(shè)備的自動化程度。相關(guān)研究人員應(yīng)注意鉆機集成控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，以促進鉆井技術(shù)的快速改進和發(fā)展。

（3）專注節(jié)能技術(shù)研發(fā)。根據(jù)過去的經(jīng)驗，已經(jīng)表明，無論是實際的鉆井技術(shù)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(jié)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。例如，在變頻絞車的實際應(yīng)用中，熱能的供應(yīng)主要是通過電阻轉(zhuǎn)換，造成嚴重的資源浪費，給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失。為了實現(xiàn)此過程的節(jié)能效果，超級電容器可以循環(huán)使用，以不斷提高鉆井作業(yè)的經(jīng)濟效率。傳統(tǒng)采礦技術(shù)的過度能源消耗得到了很好的改善和補償，自動化技術(shù)研發(fā)的有效性也在不斷提高。

（4）專門的故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)。連續(xù)鉆機后續(xù)增值服務(wù)專家故障診斷系統(tǒng)可以對鉆機在實際工作中的運行參數(shù)進行收集和分類，并以無線傳輸?shù)男问綄⑵鋫鬏斀o鉆機制造商和鉆機管理部門。該系統(tǒng)自動對需要更換或維修的設(shè)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(shè)備維護，并使制造商有時間制造配件而不會延遲設(shè)備更換。美國NOV的“eHawk”優(yōu)化服務(wù)可以被視為具有代表性的工作之一，可以提供在線技術(shù)支持，錯誤分析，遠程維護和其他功能。該技術(shù)可以看作是設(shè)備制造商全面服務(wù)水平的主要體現(xiàn)，并且在鉆機的整個生命周期中都得到了實施。

4 結(jié)語

石油鉆機自動化技術(shù)不僅可以實現(xiàn)鉆井過程和設(shè)備維護與檢查的自動化，在一定程度上節(jié)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(zhì)量。因此，我們需要重視石油鉆機自動化技術(shù)的研究，加快新產(chǎn)品的研發(fā)，逐步縮小與國外產(chǎn)品的差距。