現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用及展望

王施權(quán)，鐘志偉，劉冰

（1中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830013；2中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，遼寧 盤錦 124010）

在21世紀(jì)，現(xiàn)代化信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并成為世界科技發(fā)展的前沿技術(shù)。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，能源和信息被認(rèn)為是現(xiàn)代科技的發(fā)展基礎(chǔ)，石油化工企業(yè)作為重要能源產(chǎn)業(yè)的支柱，其發(fā)展融合了技術(shù)、知識(shí)、數(shù)據(jù)、信息等多種技術(shù)形式。因此，為了能夠更好的促進(jìn)石油化工企業(yè)的發(fā)展，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)各類先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的重視。文章結(jié)合石油鉆機(jī)行業(yè)發(fā)展實(shí)際情況，就基于先進(jìn)技術(shù)的石油鉆機(jī)工業(yè)系統(tǒng)建設(shè)和管理應(yīng)用問題進(jìn)行探究。

1 基于先進(jìn)技術(shù)的石油鉆機(jī)系統(tǒng)

在先進(jìn)技術(shù)的支持下能夠完成對(duì)石油鉆機(jī)設(shè)備運(yùn)行的全過程監(jiān)督控制，幫助施工人員更為全面地了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況、系統(tǒng)運(yùn)作工況，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候及時(shí)采取措施予以處理。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）監(jiān)控系統(tǒng)。石油鉆機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)集控集散系統(tǒng)、終端監(jiān)控機(jī)、監(jiān)控主機(jī)等共同組成。在多個(gè)系統(tǒng)的綜合作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆機(jī)過程各參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制。（2）硬件組成。①監(jiān)控主機(jī)和終端監(jiān)控機(jī)。石油鉆機(jī)系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的研華工控機(jī)作為上位機(jī)，控制器內(nèi)部配置了80G硬盤，具有RS-232標(biāo)準(zhǔn)通訊接口和21寸液晶顯示器。②現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、工控機(jī)、PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線打造的監(jiān)控集散系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)集散控制系統(tǒng)融合了錄井儀、隨鉆測(cè)量?jī)x、鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、自動(dòng)送鉆、泥漿泵控制系統(tǒng)，具體組成如圖1所示。（3）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、終端監(jiān)控器和全球定位系統(tǒng)；監(jiān)控主機(jī)和全球定位系統(tǒng)構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)。收集到的石油鉆機(jī)信息會(huì)通過全球定位系統(tǒng)終端來予以處理，在協(xié)議封裝后會(huì)被發(fā)送到全球定位系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)上。

圖1 基于先進(jìn)技術(shù)的石油鉆機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主程序

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主程序使用STEP7V5.3軟件在PC機(jī)上完成編程，之后下載到PLC中完成操作?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控程序的主要控制程序如下：（1）系統(tǒng)初始化部分。整個(gè)程序完成了系統(tǒng)的初始化分析、故障診斷、連鎖保護(hù)。在系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)問題的時(shí)候可以及時(shí)自動(dòng)切換備用設(shè)備并用聲光進(jìn)行報(bào)警。（2）系統(tǒng)控制部分。PLC通過調(diào)用SCR鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子程序、自動(dòng)送鉆控制子系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各部門的控制。

1.3 監(jiān)控子程序設(shè)計(jì)

（1）SCR鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)。SCR鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)會(huì)采集鉆速、扭矩等信號(hào)，在整合信號(hào)之后將信號(hào)輸入到PLC。（2）自動(dòng)送鉆控制子程序。自動(dòng)送鉆控制子程序采集鉆壓、大鉤負(fù)荷等參數(shù)信號(hào)，在信號(hào)收集之后將其送入到PLC中，根據(jù)實(shí)際鉆壓的變化來控制實(shí)際的送鉆速度。（3）泥漿泵控制子程序。泥漿泵控制子程序會(huì)將采集的泵沖、泵壓等信號(hào)送入到PLC中，之后根據(jù)實(shí)際信號(hào)不同時(shí)刻誤差和誤差變化率輸入來控制系統(tǒng)。

智能化鉆機(jī)的打造能夠在保障鉆機(jī)穩(wěn)定使用的同時(shí)大幅度減少操作人員，每個(gè)鉆臺(tái)僅僅需要一個(gè)人到兩個(gè)人就能夠完成一系列的操作。自動(dòng)化鉆機(jī)中擁有了更加靈活、方便、完善的設(shè)備，在未來如何整合這些設(shè)備的性能是相關(guān)人員需要進(jìn)一步思考和解決的。

2 現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用

2.1 電力拖動(dòng)技術(shù)

在時(shí)代的進(jìn)步發(fā)展下，石油鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式發(fā)生了變化，出現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，特別是全數(shù)字交流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)化了鉆機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，減輕了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作勞動(dòng)力，最終能夠提升鉆機(jī)設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。另外，將電力拖動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到石油鉆機(jī)領(lǐng)域能夠提升鉆井的時(shí)效，優(yōu)化鉆機(jī)工藝，處理井下事故。

2.2 自動(dòng)化控制技術(shù)

將自動(dòng)化控制技術(shù)引入到石油鉆機(jī)領(lǐng)域會(huì)提升石油鉆機(jī)作業(yè)能力，增強(qiáng)石油鉆機(jī)的安全性，降低石油鉆機(jī)成本。在石油鉆機(jī)領(lǐng)域，將自動(dòng)化控制技術(shù)和交流變頻技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合在一起能夠增強(qiáng)鉆機(jī)裝備的智能化水平。

其中，智能化鉆井是自動(dòng)化技術(shù)在鉆機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的最高級(jí)應(yīng)用表現(xiàn)，在自動(dòng)化控制技術(shù)的支持下，鉆機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)隨和地面環(huán)境的變化、井下數(shù)據(jù)參數(shù)的變化來實(shí)時(shí)性的調(diào)整司鉆參數(shù)，完成自動(dòng)送鉆。

自動(dòng)化控制技術(shù)在鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的支持下來實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)的交互控制，最終為鉆井系統(tǒng)的運(yùn)作整合出更多有效的數(shù)據(jù)信息。

2.3 傳感器檢測(cè)技術(shù)

傳感器檢測(cè)技術(shù)是石油鉆機(jī)自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器檢測(cè)技術(shù)水平直接影響鉆機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作效率。石油鉆機(jī)早期傳感器會(huì)被設(shè)定在儀表系統(tǒng)上，借助傳感器來完成對(duì)鉆井工藝參數(shù)的監(jiān)督控制。

在鉆井控制系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備的完善下，各種先進(jìn)的傳感器檢測(cè)技術(shù)被人們應(yīng)用到鉆機(jī)系統(tǒng)中，比如位移傳感器、編碼器、非接觸式探頭、超聲波、紅外線、電磁波等，在這些先進(jìn)技術(shù)的支持下會(huì)為石油鉆機(jī)工作的順利發(fā)展提供更多的支持。鉆機(jī)配套傳感器接口是鉆機(jī)配套檢測(cè)技術(shù)形式，在直接信號(hào)的輸出、演變后轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.4 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人的打造融合了機(jī)械工程、電子控制、計(jì)算機(jī)、傳感檢測(cè)、伺服驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)形式，在20世紀(jì)后期被人們應(yīng)用到石油鉆機(jī)領(lǐng)域。

2.5 網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)

石油鉆機(jī)領(lǐng)域所應(yīng)用到的網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)形式包含電纜、光纖、無線等通信形式，在多個(gè)通信技術(shù)的支持下會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)以及關(guān)聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換和高效率共享應(yīng)用。

2.6 計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展支持下計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域的到了廣泛的應(yīng)用。將計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)引入到石油鉆機(jī)領(lǐng)域 會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)作的安全性和穩(wěn)定性。石油鉆機(jī)領(lǐng)域阻礙使用PLC自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上在施工現(xiàn)場(chǎng)還引入了冗余結(jié)構(gòu)，打造出了冷備份方案，在基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)備的復(fù)雜程度，需要盡可能的實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一臺(tái)控制器，并借助先進(jìn)的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制器之間的互通互聯(lián)，最終提高數(shù)據(jù)信息的共享效率。

在石油鉆機(jī)配置日益完善的背景下，石油鉆機(jī)系統(tǒng)融入了控制站、視頻監(jiān)控、參數(shù)監(jiān)控、操作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等多個(gè)設(shè)備組成的計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)。在石油鉆機(jī)硬件設(shè)施日益完善的同時(shí)，相應(yīng)的軟件系統(tǒng)也加快了更新，在軟硬件系統(tǒng)的支持下使得石油鉆機(jī)功能更加完善、操作更加邊界、人機(jī)界面更加友好、鉆井參數(shù)配置得到優(yōu)化。在軟硬件系統(tǒng)完善下的石油鉆機(jī)系統(tǒng)不僅能夠動(dòng)態(tài)化的顯示出鉆井過程和設(shè)備參數(shù)，而且還能夠?qū)⒐I(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化顯示，通過將系統(tǒng)接入局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的網(wǎng)上，能夠幫助有需要的人隨時(shí)隨地的查看各類數(shù)據(jù)信息。

3 現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用展望

3.1 智能鉆井

當(dāng)前，在石油化工領(lǐng)域雖然實(shí)現(xiàn)了石油鉆機(jī)的自動(dòng)化發(fā)展，但是支從實(shí)際運(yùn)作上來看，在石油鉆機(jī)建設(shè)的過程中仍然會(huì)遇到一些關(guān)鍵性的技術(shù)問題亟待解決。

從基本構(gòu)成上來看，智能鉆井技術(shù)包含隨鉆監(jiān)測(cè)和決策系統(tǒng)兩個(gè)方面的內(nèi)容，隨鉆監(jiān)測(cè)是石油鉆機(jī)運(yùn)作的基礎(chǔ)，能夠?yàn)槭豌@機(jī)運(yùn)作提供原始分析數(shù)據(jù)，為保證石油鉆機(jī)運(yùn)行安全提供重要支持。決策系統(tǒng)是石油鉆機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作的關(guān)鍵，具體包含專家系統(tǒng)、在線建模、模型優(yōu)化等。決策系統(tǒng)的完善化建設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析是石油鉆機(jī)智能化建設(shè)在未來需要持續(xù)研究的內(nèi)容。為了能夠更好地進(jìn)行智能鉆井建設(shè)，需要鉆機(jī)研發(fā)生產(chǎn)單位和鉆井作業(yè)隊(duì)伍、鉆井工藝研究院密切配合，在充分發(fā)揮各自在鉆進(jìn)技術(shù)研發(fā)中優(yōu)勢(shì)的情況下來打造出完善的鉆機(jī)決策系統(tǒng)，充分發(fā)揮出決策系統(tǒng)在石油鉆機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用作用。

3.2 集散控制

集散控制系統(tǒng)也被稱作是分散系統(tǒng)，是由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)共同組成的以通信網(wǎng)絡(luò)作為重要紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在建設(shè)的過程中融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、顯示技術(shù)，具有集中化控制、分散化操作、分級(jí)化管理、靈活配置的特點(diǎn)。

在自動(dòng)化設(shè)備的普及下，單一的控制器不再能夠滿足鉆機(jī)的控制需求，基于多控制站的協(xié)同作業(yè)、多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)分散系統(tǒng)開始被廣泛的應(yīng)用到石油鉆機(jī)中，在現(xiàn)有石油鉆機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上打造出了更加完善的石油鉆機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，重新加入了工程師站平臺(tái)，為各個(gè)型號(hào)的石油鉆機(jī)提供了更多柔性接口。

3.3 遠(yuǎn)程司鉆

當(dāng)前石油鉆機(jī)操控系統(tǒng)被設(shè)定在井口旁邊的司鉆房，關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)在井口的周圍，作業(yè)環(huán)境惡劣，加上鉆機(jī)井口本身就具有易燃易爆的屬性，因此，在遠(yuǎn)程司鉆打造之后除了會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)本身的防護(hù)防爆提出較高要求，對(duì)遠(yuǎn)程司鉆操作人員的自身安全也會(huì)帶來威脅。

而將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、全方位監(jiān)控技術(shù)引入到遠(yuǎn)程司鉆中能夠通過必要的防控和完善的監(jiān)督控制來減少外界環(huán)境對(duì)石油鉆機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作的干擾，并在先進(jìn)技術(shù)的支持下來提升石油鉆機(jī)系統(tǒng)化、機(jī)械化水平，打造出完善的石油鉆機(jī)運(yùn)作系統(tǒng)。

3.4 在線故障檢測(cè)和診斷

在石油化工領(lǐng)域，如果石油鉆機(jī)出現(xiàn)了設(shè)備故障，那么就會(huì)威脅到石油工業(yè)的發(fā)展，甚至還會(huì)帶來較多的經(jīng)濟(jì)損失。比如海洋平臺(tái)石油鉆機(jī)在作業(yè)的時(shí)候，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障問題將會(huì)對(duì)石油鉆機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利的影響，甚至還會(huì)誘發(fā)比較大的事故損失。

石油鉆機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，包含比較多的機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中的設(shè)備維護(hù)工作量大，且系統(tǒng)設(shè)備的故障具有隱蔽性的特點(diǎn)，在平時(shí)工作的時(shí)候很難被發(fā)現(xiàn)。因此，為了能夠更好地找到石油鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的故障隱患，需要在系統(tǒng)運(yùn)作的過程中引入集成在線故障檢測(cè)技術(shù)和診斷技術(shù)。從應(yīng)用實(shí)際情況來看，將在線故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)引入到石油鉆機(jī)領(lǐng)域不僅能夠提升發(fā)現(xiàn)石油鉆機(jī)設(shè)備遇到的故障，根據(jù)故障表現(xiàn)消除故障隱患，而且還會(huì)為石油設(shè)備的改進(jìn)提供更全面的數(shù)據(jù)信息支持。

3.5 強(qiáng)化對(duì)智能石油鉆機(jī)的研發(fā)

當(dāng)前，在石油化工領(lǐng)域?qū)κ豌@機(jī)的研發(fā)可以分兩個(gè)步驟進(jìn)行：（1）將現(xiàn)有的國(guó)外自動(dòng)化鉆機(jī)作為藍(lán)本支持，在參考過往石油鉆機(jī)工作實(shí)際情況的基礎(chǔ)上研究出具有中國(guó)技術(shù)特色的半自動(dòng)智能鉆機(jī)，通過研究半自動(dòng)化智能鉆機(jī)來使得鉆機(jī)各個(gè)單體設(shè)備能夠達(dá)到行業(yè)先進(jìn)的水平。在研究半自動(dòng)智能鉆機(jī)的過程中要在熟悉智能鉆機(jī)運(yùn)作目標(biāo)的基礎(chǔ)上，因地制宜的研究出系統(tǒng)功能更加完善、系統(tǒng)運(yùn)作安全可靠、自動(dòng)化、集成化為幼體的多功能設(shè)備。（2）在半自動(dòng)智能化鉆機(jī)研究的基礎(chǔ)上加快研究出滿足國(guó)際通行智能設(shè)備定義的全自動(dòng)智能鉆機(jī)，對(duì)之前的半自動(dòng)智能鉆機(jī)實(shí)施進(jìn)一步升級(jí)改造，通過對(duì)鉆機(jī)應(yīng)用軟件的開發(fā)應(yīng)用來提升智能鉆機(jī)的智能化水平，增強(qiáng)自動(dòng)化智能鉆機(jī)的邏輯分析能力以及適應(yīng)外界各個(gè)環(huán)境的能力。

4 結(jié)語

綜上所述，石油鉆井工作具有環(huán)境惡劣、工作載荷大、危險(xiǎn)系數(shù)高的特點(diǎn)，隨著智能技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等信息技術(shù)在石油行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，智能石油鉆機(jī)已經(jīng)成為石油鉆井裝備領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。在自動(dòng)化、智能化、信息化技術(shù)的支持下，石油鉆機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作效率以及運(yùn)作安全性將會(huì)得到保障，在鉆井作業(yè)操作的時(shí)候還會(huì)降低作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)，最終會(huì)提升石油鉆井工作效率。但是統(tǒng)觀整體來看，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都只是在鉆井領(lǐng)域的某個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，完整的智能鉆井閉環(huán)鏈尚未形成，制造出嚴(yán)格意義上的智能化鉆機(jī)仍然還有比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的路需要走。為此，在未來，需要石油化工企業(yè)加大對(duì)石油鉆井設(shè)備的科研投入力度，并立足石油鉆井工作發(fā)展實(shí)際情況來引進(jìn)更多的技術(shù)形式，強(qiáng)化對(duì)新技術(shù)的研發(fā)，從而更好的促進(jìn)我國(guó)石油化工企業(yè)的發(fā)展，提高油氣資源開發(fā)利用成效。