石油鉆井機(jī)械鉆速扭矩自動(dòng)控制方法分析

夏斌，蔡冰，賈榮榮

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

石油資源作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要組成，也是人們需求量最大的一種能源物資，石油開采的速度也決定著石油資源帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)目前的石油鉆井速度較為緩慢，而鉆井速度的快慢也決定著石油企業(yè)在市場(chǎng)中的占有率，為了更好的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，需要加強(qiáng)對(duì)石油鉆機(jī)機(jī)械鉆井速度的控制和提升，而且影響速度的因素也有很多，為了更好的分析并解決這些問(wèn)題，必須進(jìn)行鉆井技術(shù)優(yōu)化。因此，根據(jù)采油企業(yè)的需要，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，開展加快采油速度的技術(shù)攻關(guān)工作，對(duì)提高采油效率具有重要意義。

1 石油鉆井自動(dòng)化核心技術(shù)的應(yīng)用

目前石油鉆井行業(yè)的核心技術(shù)主要集中在3個(gè)方面，

一是智能勘探技術(shù)，二是虛擬儲(chǔ)存技術(shù)，三是自動(dòng)控制技術(shù)，這3 種技術(shù)應(yīng)用于一體，可以實(shí)現(xiàn)石油鉆井行業(yè)的質(zhì)量提升，提高石油鉆井行業(yè)的開采效率，為國(guó)家?guī)?lái)更多的利益。

1.1 智能勘探技術(shù)

鉆井勘探技術(shù)是鉆井行業(yè)的一個(gè)核心技術(shù)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)更細(xì)致的勘探，便于鉆井行業(yè)的施工，同時(shí)也能夠提升鉆井行業(yè)的開采質(zhì)量，并且為鉆井行業(yè)的后續(xù)工作，提供一定的理論基礎(chǔ)支持，而智能勘探技術(shù)可以從3個(gè)方面進(jìn)行細(xì)致的勘探。

一是利用智能勘探技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)需要開采位置的快速定位。利用智能勘探技術(shù)實(shí)現(xiàn)開采位置的定位，可以有效的降低時(shí)間成本，應(yīng)用GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)，可以查看開采位置的油氣分布位置，為后續(xù)開采制定良好的開采計(jì)劃，便于石油開采企業(yè)的施工，降低時(shí)間成本，提高位置準(zhǔn)確率，可以進(jìn)一步擴(kuò)大石油企業(yè)的利潤(rùn)空間。

二是自動(dòng)化技術(shù)可以使調(diào)查更加全面。例如，在石油和原油資源的勘探中，可以在鉆井作業(yè)建設(shè)過(guò)程中，利用各種制導(dǎo)技術(shù)，有效檢測(cè)200m 深度以內(nèi)的原油分布，并結(jié)合高清技術(shù)的使用。有效地保證了調(diào)查的質(zhì)量。此外，員工可以根據(jù)返井的實(shí)際情況，利用自動(dòng)化技術(shù)，分析原油資源的開發(fā)價(jià)值，為后期的各項(xiàng)作業(yè)做好準(zhǔn)備。

三是利用智能勘探技術(shù)，可以更高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，整合數(shù)據(jù)，集成數(shù)據(jù)，為后續(xù)開采提供有效的理論支持，并且分析出該井需要利用的一些技術(shù)，從而提高鉆井勘探的準(zhǔn)確率，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井行業(yè)自動(dòng)化水平的提升。

1.2 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)

云計(jì)算和云儲(chǔ)存的出現(xiàn)，為石油公司的發(fā)展提供了更好的平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)云儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，可以將施工數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，便于下一次的更好利用，從而實(shí)現(xiàn)石油鉆井行業(yè)的智能化發(fā)展，虛擬儲(chǔ)存技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)。

一是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)延展。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中只能進(jìn)行固定的儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)使用時(shí)具有一定的局限性，不夠方便靈活，利用虛擬儲(chǔ)存技術(shù)，可以更靈活的進(jìn)行數(shù)據(jù)的編輯儲(chǔ)存和整理，同時(shí)還能進(jìn)行計(jì)算機(jī)資源的更好利用，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存也處于中動(dòng)態(tài)狀態(tài)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，方便于數(shù)據(jù)的利用。

二是虛擬儲(chǔ)存技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分層整理處理和應(yīng)用，通過(guò)虛擬儲(chǔ)存技術(shù)中的分層應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的分層整理，建立垂直向的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搜索，每一層數(shù)據(jù)庫(kù)的儲(chǔ)存可以利用不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，通過(guò)云計(jì)算的編程，不同的施工部位內(nèi)容，不同的施工數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)鉆井行業(yè)的安全開發(fā)，提升鉆井行業(yè)的數(shù)據(jù)利用率。

三是虛擬儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率較低，利用虛擬儲(chǔ)存技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，并且保證數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的安全性，預(yù)防數(shù)據(jù)出錯(cuò)，提高數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的準(zhǔn)確率，同時(shí)如果利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)，當(dāng)受到病毒威脅的時(shí)候，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)模式，從而降低數(shù)據(jù)庫(kù)的損失率，并保證數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 自動(dòng)控制技術(shù)

石油鉆井行業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用，可以提高行業(yè)的開采水平和效率。而自動(dòng)控制技術(shù)是自動(dòng)化的核心技術(shù)之一，在石油開采行業(yè)中可以體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

一是可以實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的自動(dòng)駕駛。通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)可以減少人力成本的輸出，并提高石油鉆井行業(yè)的安全性，同時(shí)可以預(yù)防和應(yīng)對(duì)在石油開采過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，每個(gè)環(huán)節(jié)都可以利用程序設(shè)計(jì)的方式，減少出錯(cuò)率，并更好地提升石油開采過(guò)程的自動(dòng)化水平。

二是可以實(shí)現(xiàn)虛擬儲(chǔ)存的更好應(yīng)用，自動(dòng)控制技術(shù)中的邏輯表達(dá)方式非常重要，可以更好的實(shí)現(xiàn)虛擬儲(chǔ)存技術(shù)的應(yīng)用，利用邏輯表達(dá)，可以更好的分析各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，為石油鉆井施工勘探提供一定的邏輯基礎(chǔ)，從而大大的提高石油鉆井行業(yè)的施工效率。

三是自動(dòng)化控制，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效傳遞。自動(dòng)控制技術(shù)可以將在勘探中獲得的一些數(shù)據(jù)信息，整理編輯好之后傳輸?shù)娇刂浦行模阌诮酉聛?lái)的施工操作，更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)整合應(yīng)用。基于準(zhǔn)確性和及時(shí)性，需要不斷應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和信息共享技術(shù)，提高鉆井自動(dòng)化控制效果，提高鉆井施工質(zhì)量和水平。

2 影響石油鉆井速度的因素分析

2.1 鉆井液對(duì)鉆井速度的影響

在石油鉆井行業(yè)中，鉆井液作為石油鉆井行業(yè)中的重要組成部分，可以影響石油鉆井的速度，鉆井液中的固相含量的高低可以影響鉆井速度的快慢，當(dāng)鉆井液的固相含量高時(shí)，會(huì)造成鉆井口的封鎖，降低鉆井的速度，同時(shí)高密度的鉆井液，在鉆井過(guò)程中的循環(huán)使用效果并不好，會(huì)降低鉆井的速度，同時(shí)，高固相含量的鉆井液會(huì)增加鉆頭的磨損，降低了鉆頭的使用壽命，整體上影響鉆井的速度。

2.2 鉆具組合對(duì)鉆速的影響

不同的鉆具組合對(duì)鉆井速度有一定的影響，不同的鉆井方式需要不同的組合，因?yàn)槊總€(gè)井口的地質(zhì)差異，需要用不同的鉆頭來(lái)進(jìn)行鉆孔，例如在井口軌跡比較好控制的地方，可以使用導(dǎo)向鉆具組合的方式進(jìn)行鉆孔，這樣就可以更好地實(shí)現(xiàn)鉆井速度的提升。

2.3 鉆頭選擇對(duì)鉆速的影響

不同的鉆頭可以用來(lái)進(jìn)行不同地質(zhì)的鉆孔，不同的地質(zhì)也需要不同的鉆頭進(jìn)行鉆孔，這樣才能更好的針對(duì)地質(zhì)的方式，選擇不同的鉆頭，鉆頭選擇合理就可以提升鉆井的速度，例如在更深地方的位置，可以利用鉆頭加螺旋桿的方式進(jìn)行鉆井，這樣有助于提升鉆井的速度，根據(jù)不同的情況選擇不同的鉆頭內(nèi)容，爭(zhēng)取縮短鉆井的時(shí)間成本，從而提升鉆井行業(yè)的利潤(rùn)率。

3 提高鉆井速度的主要方法

3.1 準(zhǔn)確描述巖土環(huán)境

鉆井地理位置的巖土信息需要準(zhǔn)確的描述，這才能更好地提高鉆井的速度，因?yàn)槊總€(gè)地質(zhì)環(huán)境所需要的鉆井壓力和壓強(qiáng)是不同的，且存在一定的分層，而且石油氣層也處在不同的位置，準(zhǔn)確的描述巖土的位置，需要利用一些先進(jìn)的信息技術(shù)，例如上文中描述的智能勘探技術(shù)，就可以有效的實(shí)現(xiàn)巖土環(huán)境的準(zhǔn)確描述，并且根據(jù)智能勘探技術(shù)的應(yīng)用得到的數(shù)據(jù)信息，建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型，從而進(jìn)行系統(tǒng)的分析，以便于設(shè)定鉆探的計(jì)劃，因此地質(zhì)環(huán)境對(duì)于鉆探的速度有非常重要的影響，整理巖土環(huán)境的準(zhǔn)確信息，例如壓力層的密度、一層的密度等等，以及地下結(jié)構(gòu)的分布，都有利于縮短鉆探的時(shí)間，提升鉆井的速度。

3.2 先進(jìn)鉆井技術(shù)的選擇

鉆井技術(shù)決定了石油鉆井的水平，會(huì)影響石油鉆井的質(zhì)量和效率，先進(jìn)的鉆井技術(shù)是提升鉆井行業(yè)進(jìn)步與發(fā)展的基礎(chǔ)，優(yōu)化鉆井技術(shù)，需要從鉆頭鉆具和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合提升，利用不同的鉆具組合、不同的鉆頭，滿足不同的鉆井環(huán)境的需求，同時(shí)經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化鉆井工藝的技術(shù)，在鉆井過(guò)程中使用新的技術(shù)和材料，提升鉆井設(shè)備的防腐性，將提升設(shè)備的使用壽命，利用頂驅(qū)裝置，實(shí)現(xiàn)鉆井的自動(dòng)化，基于PLC 平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)石油鉆井技術(shù)的自動(dòng)化提升，組合式的鉆井技術(shù)，可以更好地達(dá)到預(yù)期的鉆井效果，為鉆井企業(yè)帶來(lái)更高的利潤(rùn)收入，同時(shí)高速鉆孔新技術(shù)，可以有效的提高鉆井機(jī)的速度，從而降低時(shí)間成本，擴(kuò)大利潤(rùn)空間。到目前為止，石油鉆井行業(yè)的主要核心技術(shù)集中在智能勘探技術(shù)、云儲(chǔ)存技術(shù)，以及自動(dòng)控制技術(shù)，不同的技術(shù)聯(lián)合使用，對(duì)提升鉆井的速度非常有利。

3.3 鉆井設(shè)備和鉆井液技術(shù)優(yōu)化

鉆井液和鉆井設(shè)備的選擇使用，對(duì)于提升鉆井速度來(lái)說(shuō)非常重要，上文已經(jīng)描述過(guò)鉆井液和鉆頭對(duì)石油鉆井速度的影響，因此選擇合理的鉆井設(shè)備和鉆井液，對(duì)于提升鉆井速度來(lái)說(shuō)非常重要，不同的鉆井設(shè)備和鉆井液應(yīng)用于不同的地質(zhì)環(huán)境，不同的巖土環(huán)境也需要不同的鉆井液進(jìn)行中和，才能便于鉆頭的順利鉆探，同時(shí)在勘探的時(shí)候，一定要嚴(yán)格的分析鉆井液的使用和環(huán)境的匹配性，例如井口與井中和井底的巖土環(huán)境都有可能存在一定的區(qū)別，因此在不同的鉆探位置，采用不同的鉆井液，目前常用的一些鉆井液為有含鉀離子的無(wú)機(jī)鹽或者是甲基颶風(fēng)鉆井液，這些鉆井液的使用可以有效的防止井口的崩塌，同時(shí)避免污垢的產(chǎn)生，在石油鉆井過(guò)程中，可以選擇新型環(huán)保的鉆具，避免造成污垢堵塞進(jìn)口，使鉆井速度降低，同時(shí)鉆井設(shè)備也需要選擇防護(hù)性高、自動(dòng)化程度高的鉆井設(shè)備，才能保證鉆井的順利進(jìn)行。

4 石油鉆井機(jī)械鉆速扭矩自動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)

4.1 自動(dòng)送鉆控制模型的建立

石油鉆井鉆速的自動(dòng)控制模型的主要工作原理是通過(guò)鉆速傳感器的電流矢量傳遞，從而確定電流量，再通過(guò)變頻調(diào)速裝置，將電流矢量傳遞倒扭矩和鉆速，從而進(jìn)行自動(dòng)送鉆控制。在石油鉆井工作中，鉆井的速度會(huì)受到多方面的影響，在進(jìn)行速度設(shè)定的時(shí)候需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的參數(shù)，利用楊格模式設(shè)定鉆速和扭矩，進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)修正之后的公式如下：

式中，v 為機(jī)械鉆速，單位為r/s；C0為機(jī)械定子電流矢量；Qi為電力參數(shù)影響系數(shù)；P 為鉆井機(jī)械鉆壓，單位為kN；P0 為門限鉆壓，單位為kN；nλ為轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；R0為鉆頭齒輪的磨損系數(shù)；m 為鉆頭齒輪的磨損質(zhì)量。

鉆速扭矩的參數(shù)關(guān)系如下：

VS=CWS-CP0(S)

式中，V 代表鉆井速度；W 代表鉆井機(jī)械扭矩。

4.2 參數(shù)自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

利用PID 控制器，可以自動(dòng)處理送鉆模型的參數(shù)，在PID 處理器中精準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化處理，設(shè)定一些輔助參數(shù)和準(zhǔn)確的條件，然后利用PDA 控制器進(jìn)行自動(dòng)推理，結(jié)合上文以描述的送鉆模型，形成新的參數(shù)，從而確定最佳的送轉(zhuǎn)路線，提升自動(dòng)送鉆的效率，并降低送轉(zhuǎn)的容錯(cuò)率。

5 結(jié)語(yǔ)

影響石油鉆井機(jī)鉆速的因素有很多，主要的因素分別是鉆井液、鉆具組合、鉆頭等3個(gè)因素，目前石油鉆井自動(dòng)化技術(shù)，主要體現(xiàn)在智能勘探、虛擬儲(chǔ)存、自動(dòng)控制技術(shù)等3個(gè)方面，想要提升石油鉆井的速度，就需要通過(guò)準(zhǔn)確的描述巖土的環(huán)境、選擇先進(jìn)的鉆井技術(shù)以及優(yōu)化鉆井設(shè)備和鉆井液，達(dá)到提升石油鉆井速度的目的，鉆井速度的提升是企業(yè)在石油行業(yè)站穩(wěn)腳根的重要支撐，也是石油企業(yè)擴(kuò)大自身利潤(rùn)收入的重要措施。