自動(dòng)化設(shè)備在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用

李文強(qiáng)

（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(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備不斷應(yīng)用于各種行業(yè)，其節(jié)省人力、提高效率以及安全可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)不斷被人們所認(rèn)可。鉆井施工由于工序復(fù)雜，環(huán)境惡劣，作業(yè)連續(xù)性強(qiáng)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度高，因此引入自動(dòng)化設(shè)備勢在必行。2018年以來，國內(nèi)各大鉆機(jī)制造廠陸續(xù)開始研發(fā)制造自動(dòng)化鉆機(jī)，經(jīng)過幾年的探索與應(yīng)用，目前以寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司為代表生產(chǎn)的“一代”自動(dòng)化鉆機(jī)在國內(nèi)鉆井領(lǐng)域已形成相當(dāng)規(guī)模，正在向“二代”自動(dòng)化鉆機(jī)轉(zhuǎn)型。在這一關(guān)鍵時(shí)期有必要將自動(dòng)化鉆機(jī)配套設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的具體表現(xiàn)、存在問題以及發(fā)展方向以用戶的角度進(jìn)行分析與討論。

1 石油鉆機(jī)自動(dòng)化設(shè)備概況

1．1 設(shè)備分類及功能

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

1．2 設(shè)備控制技術(shù)

國內(nèi)石油鉆機(jī)所應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)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(zhuǎn)速傳感器和各種I/O信號(hào)，以及應(yīng)用伺服電機(jī)控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制。其主要選用的控制器品牌與鉆機(jī)控制系統(tǒng)一樣，均是德國西門子公司生產(chǎn)的S7系列PLC（S7200/300）。這種PLC模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，通訊功能強(qiáng)大，而且易于和鉆機(jī)控制系統(tǒng)PLC進(jìn)行對(duì)接。由于自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠家的不同，每個(gè)設(shè)備都有其獨(dú)立的一套控制系統(tǒng)，既可單獨(dú)操作也可根據(jù)用戶需求與其它自動(dòng)化設(shè)備一起嵌入到鉆機(jī)控制系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)一體化控制。目前國內(nèi)使用的寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司制造的“一代”自動(dòng)化鉆機(jī)就實(shí)現(xiàn)了雙司鉆模式的集成一體化操作功能。

2 自動(dòng)化設(shè)備在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用

2．1 運(yùn)行情況

（1）節(jié)省人力方面。以國內(nèi)目前在大慶油田頁巖油項(xiàng)目施工中應(yīng)用的ZJ70DB“一代”自動(dòng)化鉆機(jī)為例，在實(shí)際應(yīng)用中，使用管住自動(dòng)化處理和井口自動(dòng)化操作設(shè)備與常規(guī)ZJ70鉆機(jī)用工數(shù)量對(duì)比如表1所示。

表1

自動(dòng)化鉆機(jī)對(duì)比常規(guī)鉆機(jī)：接立柱作業(yè)可節(jié)省3人；鉆進(jìn)作業(yè)可節(jié)省2人；起下鉆作業(yè)可節(jié)省3人；下套管作業(yè)可節(jié)省3人；甩鉆具作業(yè)可節(jié)省4人?？梢娫谟霉?shù)量上，自動(dòng)化鉆機(jī)起到了明顯減員的作用。同時(shí)由于自動(dòng)化設(shè)備機(jī)械化水平高，員工在操作上或是使用按鈕、手柄，或是遠(yuǎn)程集中控制，因此，自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用也大大降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）安全可靠性。自動(dòng)化設(shè)備大多是遠(yuǎn)程操作，人員一般遠(yuǎn)離設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，因此造成人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)較常規(guī)鉆機(jī)明顯降低。而且集成一體化控制的自動(dòng)化鉆機(jī)在操作上可利用程序互鎖的原理，設(shè)置一些設(shè)備的連鎖保護(hù)功能，限制并防止出現(xiàn)各種誤操作的情況發(fā)生，以增加設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。因此，自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備的安全可靠性較常規(guī)鉆機(jī)更強(qiáng)。

（3）效率對(duì)比。同樣以大慶油田頁巖油項(xiàng)目施工的ZJ70DB“一代”自動(dòng)化實(shí)際應(yīng)用為例，與常規(guī)ZJ70鉆機(jī)幾種鉆井工況下的平均時(shí)效進(jìn)行對(duì)比，如表2、表3所示。

通過表2，可看出自動(dòng)化鉆機(jī)除了在接立柱環(huán)節(jié)，其它工況作業(yè)時(shí)效已經(jīng)能夠達(dá)到常規(guī)鉆機(jī)的生產(chǎn)時(shí)效，特別是鉆進(jìn)接單根和起下鉆環(huán)節(jié)，由于自動(dòng)化管住系統(tǒng)的密切配合、流水作業(yè)，在時(shí)效上已經(jīng)超過了常規(guī)鉆機(jī)，一定程度上提升了鉆井生產(chǎn)效率。

表2

通過表3，可看出在鉆機(jī)搬遷、安和鉆前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，自動(dòng)化鉆機(jī)的時(shí)效花費(fèi)還是明顯多于常規(guī)鉆機(jī)的。主要原因在于自動(dòng)化設(shè)備的拆卸、安裝、調(diào)試時(shí)間要多于常規(guī)鉆機(jī)，特別是安裝后的調(diào)試工作，通常較常規(guī)鉆機(jī)多花費(fèi)1天左右時(shí)間。

表3

2．2 存在問題

（1）配件及維保服務(wù)問題。目前，雖然自動(dòng)化鉆機(jī)配套設(shè)備已有相當(dāng)規(guī)模的批量生產(chǎn)，但是部分設(shè)備尚未定型，還處于探索應(yīng)用階段。后期維保方面還存在以下問題：一是設(shè)備配件供應(yīng)不足。經(jīng)過1～2年的生產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)備部件磨損、損壞的情況逐漸發(fā)生，易損配件更換是設(shè)備維保的主要保障，但是由于自動(dòng)化設(shè)備配件的多樣性以及市場保有量有限，而且存在大量進(jìn)口配件，造成生產(chǎn)廠家無法及時(shí)儲(chǔ)備和供應(yīng)充足的配件，再有國有企業(yè)體質(zhì)受限，自動(dòng)化設(shè)備配件采購編碼申請(qǐng)難度大、采購周期長，設(shè)備實(shí)際使用中很難保證及時(shí)供應(yīng)配件。二是主要設(shè)備故障維修處理困難。自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，大多還處于技術(shù)保密階段，故障處理需要廠家技術(shù)人員到井服務(wù)，維修等待期較長。集成一體化運(yùn)行的自動(dòng)化鉆機(jī)，在設(shè)備配備上往往牽扯多個(gè)設(shè)備生產(chǎn)廠家，實(shí)際維修中經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障原因相互推諉和判斷不清的情況發(fā)生，造成維修時(shí)間過長，嚴(yán)重影響正常鉆機(jī)生產(chǎn)時(shí)效。

（2）局限性問題。目前，石油鉆機(jī)配套和試驗(yàn)的自動(dòng)化設(shè)備僅限于鉆井管柱處理和井口自動(dòng)化操作領(lǐng)域方面發(fā)展，在鉆井液固控處理和循環(huán)系統(tǒng)操作方面涉獵較少。以現(xiàn)有ZJ70DB自動(dòng)化鉆機(jī)為例，雖然解決了鉆臺(tái)區(qū)域操作減員和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的問題，但是在鉆井液配置、固控循環(huán)設(shè)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(shí)加注各種藥品完全依靠人力完成，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大；完井清理鉆井液循環(huán)罐既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，每次清罐需要10人以上，2～3天時(shí)間才能完成）。綜合考慮，現(xiàn)有自動(dòng)化鉆機(jī)配套設(shè)備沒能完全達(dá)到減員和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，具有一定的局限性。

（3）效率提升上有待加強(qiáng)。通過自動(dòng)化鉆機(jī)與常規(guī)鉆機(jī)各工況下生產(chǎn)時(shí)效的對(duì)比可看出，目前自動(dòng)化鉆機(jī)在特定工況的效率上已經(jīng)達(dá)到常規(guī)鉆機(jī)的水平。但是在實(shí)際應(yīng)用中，還沒有達(dá)到預(yù)期的目的，仍有提升的空間。目前現(xiàn)場還存在以下影響效率提升的問題：一是自動(dòng)化設(shè)備之間的配合不默契，在程序設(shè)計(jì)上還需進(jìn)一步優(yōu)化。鉆井工況復(fù)雜多變，中途出現(xiàn)異常情況比較多，而自動(dòng)化鉆機(jī)各種操作流程相對(duì)固定，不能完全滿足現(xiàn)場實(shí)際需求，部分界面操作比較繁瑣，需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際工況優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，簡化操作流程，以提升自動(dòng)化鉆機(jī)生產(chǎn)時(shí)效。二是自動(dòng)化設(shè)備自身設(shè)計(jì)上存在缺陷，實(shí)用性有待進(jìn)一步優(yōu)化。以鐵鉆工為例，國內(nèi)生產(chǎn)鐵鉆工的廠家不下3～4家，但是真正實(shí)用性強(qiáng)的就那么1～2個(gè)品牌，只有將設(shè)計(jì)思路與實(shí)際操作緊密結(jié)合，才能生產(chǎn)出實(shí)用性強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)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(dòng)涂抹裝置和鉆具自動(dòng)清扣、丈量裝置等，目前技術(shù)瓶頸尚未攻破，大量的投入使用只會(huì)降低生產(chǎn)效率，還會(huì)造成投資浪費(fèi)。

3 自動(dòng)化設(shè)備在石油鉆機(jī)中的發(fā)展趨勢

經(jīng)過幾年的探索與應(yīng)用，鉆機(jī)自動(dòng)化設(shè)備已從開始的摸索、試驗(yàn)到成熟應(yīng)用，分別以新設(shè)備配套、老舊鉆機(jī)改造等形式出現(xiàn)在石油鉆機(jī)行列，已經(jīng)由“一代”開始向“二代”自動(dòng)化鉆機(jī)轉(zhuǎn)型。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，石油鉆機(jī)自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方向：（1）向規(guī)范化和集成一體化發(fā)展。主要用于新鉆機(jī)配套，隨著用戶對(duì)自動(dòng)化鉆機(jī)優(yōu)點(diǎn)的不斷認(rèn)可，規(guī)范化和集成一體化發(fā)展是必然趨勢，鉆機(jī)生產(chǎn)和配套廠要進(jìn)一步規(guī)范自動(dòng)化鉆機(jī)的配套標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化技術(shù)規(guī)格；各自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠在設(shè)計(jì)上要統(tǒng)籌考慮集成一體化控制和兼容性，最大限度的提升自動(dòng)化鉆機(jī)的可靠性和運(yùn)行效率。只有這樣才有利于體現(xiàn)自動(dòng)化鉆機(jī)的技術(shù)先進(jìn)性和更好發(fā)揮自動(dòng)化設(shè)備的優(yōu)勢，使自動(dòng)化鉆機(jī)更好的為鉆井行業(yè)貢獻(xiàn)力量。（2）單一設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用推廣。對(duì)于成熟應(yīng)用的單一功能自動(dòng)化設(shè)備，可用于常規(guī)鉆機(jī)的改造升級(jí)和更新迭代。例如，單獨(dú)更換動(dòng)力貓道、鐵鉆工和二層臺(tái)機(jī)械手等，解決部分減員和降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。（3）加大研發(fā)力度，盡快補(bǔ)齊短板。針對(duì)目前鉆井泥漿不落地的環(huán)保要求和鉆井液加重、加藥需要大量人力的實(shí)際，需要加大對(duì)鉆井液配置和固控循環(huán)罐清罐作業(yè)所需自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)力度，以提升自動(dòng)化鉆機(jī)的綜合效率。（4）快速定型，同步發(fā)展維保服務(wù)。對(duì)已經(jīng)成熟應(yīng)用的自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)品，生產(chǎn)廠要快速定型，形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用方要加大推廣力度，進(jìn)行優(yōu)先選配。同時(shí)，生產(chǎn)廠還要積極拓展設(shè)備的配件供應(yīng)和技術(shù)服務(wù)，及時(shí)申請(qǐng)專利，放開對(duì)用戶的技術(shù)保密，保障設(shè)備后期安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

總之，自動(dòng)化設(shè)備在石油鉆機(jī)中已經(jīng)占據(jù)了一席之地，并且以其節(jié)省人力、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸被鉆井行業(yè)所認(rèn)可，雖然在其應(yīng)用過程中尚存在配件供應(yīng)、售后維保以及效率等方面的問題，但是通過一些措施和優(yōu)化方案是可以解決和完善的，因此，自動(dòng)化設(shè)備在石油鉆機(jī)中的推廣應(yīng)用是非常必要的，而且根據(jù)用戶的各種需求，將會(huì)以不同方式朝著多方面進(jìn)行發(fā)展。建議鉆機(jī)自動(dòng)化設(shè)備在發(fā)展上優(yōu)先考慮效率問題，沒有必要實(shí)現(xiàn)完全的無人化操作，應(yīng)當(dāng)加大在設(shè)備的可靠性上進(jìn)行研究，以提升自動(dòng)化設(shè)備的硬件可靠性為關(guān)鍵，同時(shí)以解決現(xiàn)場突出問題為抓手，全方位發(fā)展鉆井自動(dòng)化設(shè)備的探索與應(yīng)用。