石油鉆機電氣自動化系統(tǒng)研究

王亞妮

（四川宏華電氣有限責(zé)任公司，四川 成都 610036）

自動化鉆井是目前現(xiàn)代鉆井的最高水平，是一個多世紀(jì)以來眾多石油鉆井界一直追求與奮斗的目標(biāo)。但長期以來，我國石油鉆機系統(tǒng)的自動化程度不高，導(dǎo)致鉆井效率低下，鉆井工人體力勞動量大，作業(yè)時發(fā)生事故的風(fēng)險越來越高。隨著互聯(lián)網(wǎng)、計算機、自動控制技術(shù)的普及，石油勘探工作的不斷發(fā)展和石油鉆探技術(shù)的不斷進步，自動化系統(tǒng)在石油鉆機上的應(yīng)用越來越普遍。

目前鉆井作業(yè)市場競爭日益激烈，各個國家鉆探公司都希望加快鉆井速度，縮短鉆井周期，同時保障安全作業(yè)，降低工人的勞動強度。由于鉆井工人大多是在高空作業(yè)，而且立根和吊卡都很重，操作非常費力，因而工作時精神緊張、壓力大、體力消耗也大，因此迫切要求改善勞動環(huán)境、提高自動化水平。所以石油鉆機的自動化、智能化勢在必行。

1 我國石油鉆機自動化技術(shù)現(xiàn)狀

目前，電動石油鉆機占據(jù)了國內(nèi)外鉆機市場約90%的份額，其核心的交流變頻傳動和直流傳動技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用于石油鉆機電控系統(tǒng)。

直流傳動鉆機電控系統(tǒng)主要包括柴油發(fā)電機組控制單元、直流傳動控制單元、司鉆操作控制單元、電磁剎車控制單元和交流電動機控制中心五個部分。由于當(dāng)代石油鉆機傳動系統(tǒng)需要具有很高的動態(tài)響應(yīng)和高過載能力，而直流電機換向器及電刷等維護工作量巨大，使其在降低轉(zhuǎn)動慣量和提高過載能力方面受到了很大的限制，不能滿足石油鉆機高速化、智能化的發(fā)展。

交流變頻傳動鉆機電控系統(tǒng)的柴油發(fā)電機組控制單元和交流電動機控制中心部分與直流控制系統(tǒng)基本相同。區(qū)別在于電機驅(qū)動和制動部分采用了先進的全數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)和直流斬波技術(shù)，使電機的調(diào)速性能更加優(yōu)越，系統(tǒng)操控更加簡便，功率因數(shù)高，有效地提高了柴油發(fā)電機的使用功率，節(jié)能效果更加明顯。懸停技術(shù)的出現(xiàn)和自動送鉆技術(shù)的發(fā)展，徹底改變了傳統(tǒng)司鉆的操作方式，使交流變頻石油鉆機結(jié)構(gòu)更加簡單，維護更簡便，效率更高。

2 自動化系統(tǒng)在石油鉆機上的應(yīng)用

目前，各鉆探公司對HSE的要求越來越高，而且為了保障油氣資源勘探開發(fā)力度，提高我國石油鉆井裝備的核心競爭力，用戶對自動化機具的需求也越來越高。國內(nèi)各個石油裝備廠家也都在研制各自的產(chǎn)品，如動力貓道、二層臺排管機、鐵鉆工、鉆臺面扶管機械手等。甚至有些公司在實現(xiàn)電控系統(tǒng)與自動化機具融合得基礎(chǔ)上開發(fā)出“一鍵聯(lián)動”系統(tǒng)，通過將二層臺排管機、鉆臺面扶管機械手、鐵鉆工、動力貓道以及液壓吊卡等自動化裝備的動作流程化、軟件化，讓自動化設(shè)備有序交叉作業(yè)，減少操作等待時間，司鉆僅需在關(guān)鍵步驟進行手動確認(rèn)，簡化司鉆操作的同時降低了誤操作可能性。再配合鉆井區(qū)域安全管理，有效避免設(shè)備自動運行過程中的碰撞及管具掉落風(fēng)險，從而實現(xiàn)管柱從地面、鉆臺面及二層臺一體化移運、接單根旋扣、松扣、鉆桿自動抓取及排放，系統(tǒng)起、下鉆效率能達到20柱每小時，達到了鉆臺面及二層臺作業(yè)少人化無人化，提高了工作效率及安全性，減少了人工勞作，鉆井作業(yè)更加安全、可靠、高效。

2．1 動力貓道

動力貓道屬于自動化管柱處理系統(tǒng)核心設(shè)備之一，可實現(xiàn)管柱堆場和臺面間自動輸送鉆桿、鉆挺和套管等。管柱一般包括鉆桿、套管等，通常運至井場后，是擺放在鉆臺前的平地上，如圖1所示。其在鉆井或修井過程中，使用動力貓道后，可實現(xiàn)管柱在排管架與鉆臺面之間的自動化輸送。動力貓道機在提高管柱輸送效率、減小工人勞動強度、增加鉆具輸送安全性、降低鉆井作業(yè)成本等方面優(yōu)勢顯著。而且有些廠家動力貓道設(shè)備一次可以運送兩根或多根鉆具，大大提高了運送的效率。該設(shè)備適應(yīng)陸地鉆井裝備自動化、智能化發(fā)展需求，適用于現(xiàn)役陸地鉆機升級改造和新鉆機配套，如圖2所示。

圖1 單根動力貓道

圖2 雙根動力貓道

2．2 二層臺排管機

二層臺排管機是針對起下鉆排管作業(yè)研制的自動化鉆機專用配套設(shè)備，是自動化管柱處理系統(tǒng)重要組成設(shè)備之一，安裝在井架上，通過司鉆房控制，完成管柱從二層臺指梁到井口中心的往復(fù)運動，有效替代了二層臺井架工，實現(xiàn)二層臺作業(yè)無人化，大大提升了起下鉆安全性。二層臺排管機主要由動力二層臺、二層臺機械手、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，其中動力二層臺用于儲存鉆鋌和鉆桿，通過梁鎖保證管柱排放安全，而視頻監(jiān)控系統(tǒng)則用于輔助司鉆判斷二層臺機械手和指梁鎖工作狀態(tài)以及二層臺機械手與液壓吊卡的管柱交接狀態(tài)。排放立根是鉆機在起下鉆過程中將卸開的立根排放入鉆臺上的立根盒中（起鉆）和從立根盒中取出立根送至吊卡鎖緊（下鉆）的作業(yè)，是一項危險、費力、緊張、壓力大的作業(yè)。因此，通過對建立根工藝的研究，設(shè)計了鐵鉆工和緩沖機械手等設(shè)備，實現(xiàn)了管柱在井口由單根連接為立根或由立根拆卸為單根，如圖3所示。通過司鉆房遠程控制二層臺機械手、鉆臺面扶管機械手、動力吊卡和卡瓦的協(xié)同作業(yè)，完成抓、取、送桿（管）一鍵操作，消除安全隱患，提升作業(yè)效率，二層排管機如圖4所示。

圖3 三鉗頭鐵鉆工

圖4 二層排管機

2．3 鐵鉆工

鐵鉆工是安裝在鉆臺面上進行上扣和卸扣的鉆井自動化工具，可以適應(yīng)各種類型、各種尺寸的鉆具，它具有無線遙控模式和遠程有線操作箱兩種控制模式。由立柱總成、支撐臂總成、鉗體總成、旋扣器總成、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)緊湊，占用鉆臺面積小，不僅可應(yīng)用于新制鉆機，也可用于已有鉆機的升級改造。該設(shè)備可以安全、快速、平穩(wěn)地實現(xiàn)鉆具連接、松扣和緊扣。它集成了鉆臺上所有上扣卸扣工具的作用（液壓大鉗、B型鉗、套管鉗等），可以實現(xiàn)各種型號鉆具的上卸扣，大大提升了鉆井作業(yè)安全性和降低了作業(yè)人員的勞動強度，如圖5所示。為自動匹配上卸扣的管柱接頭高度，實現(xiàn)自動上卸扣，最新一代鐵鉆工配置了鐵鉆工鉗頭高度傳感器以及視覺識別系統(tǒng)，能夠自動識別當(dāng)前管柱的接頭高度，從而自動運動到井口中心進行上卸扣作業(yè)，無需手動調(diào)節(jié)鐵鉆工高度。雖然視覺識別系統(tǒng)能夠有效提高鐵鉆工的自動化程度，但是其對惡劣天氣及鉆井施工環(huán)境的適應(yīng)性還有待進一步提高。

圖5 雙鉗頭鐵鉆工

2．4 鉆臺面扶管機械手

早期，我國石油鉆井鉆臺面扶管主要是靠人工來完成，至少需要2－3名操作人員輔助進行上鉆桿、鉆桿進洞、拍立柱、下立柱等操作，不僅浪費人力，有時鉆桿的擺動幅度較大，使鉆桿傾倒，也會對人造成傷害。鉆臺面扶管機械手的出現(xiàn)大大改變了這一現(xiàn)狀，它是自動化管柱處理系統(tǒng)輔助設(shè)備之一，安裝于鉆臺面，可實現(xiàn)石油鉆井臺面鉆桿、鉆鋌和套管的排放、取出、立根等的自動化操作，也能適應(yīng)坡道與貓道進行管柱上下鉆臺面扶管操作。其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，自動化程度高，能夠一鍵調(diào)節(jié)鉗頭大小，輕松適應(yīng)不同管徑，如圖6所示。鉆臺面扶管機械手替代了鉆臺面作業(yè)人員、降低了扶管作業(yè)的風(fēng)險，但是其工作效率相對人工扶管較低，因此部分廠家為解決常規(guī)鉆臺面扶管機械手工作效率低下的問題，研發(fā)出了舉升式鉆臺面機械手，通過與二層臺機械手協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)管柱豎直移動，起下鉆效率提升5柱／小時以上，新鉆機和老舊鉆機改造均可適用。

圖6 鉆臺面扶管機械手

3 雙司鉆集成控制系統(tǒng)

近年來，隨著各鉆探公司對減員增效及HSE等方面要求的提高，作為鉆井運營商，還需要時刻保證鉆井現(xiàn)場生產(chǎn)運營的平穩(wěn)高效。這就要求鉆機配備大量的自動化工具和先進的集成控制系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)方式下的現(xiàn)場與管理后方響應(yīng)延誤，現(xiàn)場能源管理效率低下、資產(chǎn)和設(shè)備分布廣泛、過程可視化與透明度低下，這對鉆機的運營效率與項目管理提高十分不利。

為改變當(dāng)前局面，雙司鉆集成控制系統(tǒng)成為各大設(shè)備廠家的首選。雙司鉆集成控制系統(tǒng)由兩套互為冗余的司鉆操作椅或一套一體化操控座椅加一套機具操作臺組成，集鉆機電、氣、液控制于一體，將系統(tǒng)控制和設(shè)備檔案信息識別融為一體。通過預(yù)設(shè)防碰互鎖子程序?qū)苤詣踊O(shè)備進行防碰管理，同時輔以先進的AI系統(tǒng)，智能識別自動化設(shè)備工作區(qū)域內(nèi)的操作人員，實現(xiàn)設(shè)備與工作人員的安全互鎖，極大提升了井場的設(shè)備和人員安全。同時，雙司鉆集成控制系統(tǒng)改變了原有司鉆房的布局模式，徹底改變了鉆機多個配套子系統(tǒng)相互獨立及配置重復(fù)的局面，將傳統(tǒng)的物理硬件和控制單元全集成到一體化座椅上；將傳統(tǒng)儀表、工業(yè)監(jiān)視和設(shè)備參數(shù)設(shè)定全整合到前端操作顯示屏上，從而優(yōu)化了控制界面，不僅降低了鉆機運營成本還大大提高了司鉆操作的舒適性。同時，鉆機遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)和典型故障輔助診斷系統(tǒng)的接入，也為現(xiàn)場設(shè)備維護提供了方便。

4 發(fā)展與建議

21世紀(jì)是信息技術(shù)快速發(fā)展的時代，隨著5G進入市場，全球的信息化、數(shù)字化、智能化正在加速發(fā)展，人類正面臨著一個智能化的新時代。伴隨著時代的前進，傳統(tǒng)的制造向“智造”轉(zhuǎn)型升級，蓬勃發(fā)展，迅猛異常。圍繞鉆井作業(yè)“省時、省人、省錢、省力”的生產(chǎn)需求，開展獨立建立鉆機模塊化、輕量化技術(shù)研究，為了突破“一鍵式”人機交互操控技術(shù)、遠程監(jiān)測與診斷技術(shù)，早日實現(xiàn)和普及石油鉆機自動化和智能化技術(shù)，緊跟并超過國際先進技術(shù)步伐，讓我國石油勘探行業(yè)走向世界，參考國外一些標(biāo)桿企業(yè)的做法，就國內(nèi)鉆機自動化技術(shù)的發(fā)展提出如下建議：

4．1 鉆井設(shè)備自動化、智能化發(fā)展

現(xiàn)如今，雖然國內(nèi)部分地面及井口已有自動化設(shè)備，但與NOV、AKER、MH、斯倫貝謝等公司相比在種類和型式上還有很大差距。未來的鉆井作業(yè)將實現(xiàn)智能化，鉆臺面、二層臺和固控等區(qū)域均不用人為干預(yù)，通過智能化的鉆機設(shè)備、作業(yè)機器人等代替人力完成作業(yè)任務(wù)，司鉆只需要通過遠程集中操控，即可完成所有地面和井下作業(yè)。而且通過鉆機遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)和典型故障輔助診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，大大提高現(xiàn)場維護、解決售后服務(wù)問題的工作效率。

4．2 鉆機信息化技術(shù)的發(fā)展

隨著遠程分析技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠程故障診斷及系統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，石油鉆機也必將朝著信息化方向發(fā)展。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)，分析鉆井中所有的鉆井參數(shù)、鉆井位置、地層結(jié)構(gòu)等將實時數(shù)據(jù)傳輸給遠程控制中心，通過自適應(yīng)控制技術(shù)，快速數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)就可實現(xiàn)自動規(guī)劃和引導(dǎo)鉆井作業(yè)。未來的油氣勘探必將朝著鉆機作業(yè)無人化方向發(fā)展，真正實現(xiàn)智能鉆井。

4．3 鉆機電驅(qū)化節(jié)能減排

由于鉆機是油氣田開發(fā)的重要設(shè)備，而且屬于能耗大戶。一直以來，陸上石油鉆機大多是以柴油機作為動力源。但是這種動力方式利用效率低下，而且難免產(chǎn)生有害氣體，并伴隨有較大噪音。而鉆機電驅(qū)化以后，動力源以電能驅(qū)動為主，這樣不僅沒有了尾氣排放，大幅降低了能耗，還降低了噪音，節(jié)約了成本支出。

由于鉆井過程中載荷變化大、待機時間長，因此鉆機在使用過程中存在能量浪費。為降低鉆機能耗，可以利用超級電容蓄能技術(shù)，在鉆井過程中通過蓄能技術(shù)節(jié)約待機能耗、在下鉆過程中利用蓄能技術(shù)實現(xiàn)能量回收，同時實現(xiàn)輔助剎車功能。還可利用合理的能量調(diào)度策略實現(xiàn)能量的合理儲存、調(diào)配與利用，進一步系統(tǒng)節(jié)能。

4．4 鉆機國產(chǎn)化進程

為了提升產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和競爭力，需要進一步提高我國石油鉆機國產(chǎn)化供給。變頻器、PLC系統(tǒng)、自動化機具，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等應(yīng)該盡快進行國產(chǎn)化研發(fā)，掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，打破國外技術(shù)壁壘，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化鉆機設(shè)計制造技術(shù)。這對我國鉆井全產(chǎn)業(yè)鏈的自動化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，保障國家能源產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈自主可控具有非常重要的意義。

5 結(jié)論

作為國家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，油氣工程裝備，特別是海洋油氣生產(chǎn)裝備，是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和新材料技術(shù)等高新技術(shù)的綜合體，而石油鉆機又是油氣開發(fā)的重要設(shè)備。石油鉆機作業(yè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到電、氣、液等各個專業(yè)。為了提升鉆機的自動化及智能化水平，需要各個配套廠家及專業(yè)公司來共同協(xié)作，共同攻克難關(guān)，在國際油氣裝備制造的高地上不斷攀登。我們堅信，中國制造，中國創(chuàng)造，一定會站在世界之巔。