電氣自動(dòng)化在海洋石油深水鉆井中的應(yīng)用

龔勁松

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北廊坊 065200）

0 引言

隨著海洋鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是近年來電氣自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了海上鉆井的自動(dòng)化水平，為海洋鉆井的安全和效率提升、以及推動(dòng)海洋石油行業(yè)的發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。

1 海洋石油鉆井作業(yè)中的電氣自動(dòng)化技術(shù)概況

（1）電氣自動(dòng)化技術(shù)在海洋石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析。由于海上鉆井作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，作業(yè)流程嚴(yán)謹(jǐn)和嚴(yán)格，但在實(shí)際使用中易受各種不穩(wěn)定因素的影響，導(dǎo)致油田生產(chǎn)效率無(wú)法有效的快速提高。若不加以有效的治理，將很難實(shí)現(xiàn)海洋油氣資源的綜合開發(fā)和利用效率。近年來，隨著科技的發(fā)展和國(guó)家“科技強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，以電力自動(dòng)化技術(shù)為代表的先進(jìn)技術(shù)內(nèi)容被廣泛地推廣和運(yùn)用于各行各業(yè)，并收到很好的效果。

在海上石油鉆探方面，通過電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，可以使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理，比如利用電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行海上油田的鉆探以及設(shè)備的自動(dòng)化管理，從而使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能夠提高生產(chǎn)效率，提升安全管理水平，降低人力勞動(dòng)強(qiáng)度。推廣應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，可以促進(jìn)海上石油鉆井工作的高質(zhì)量發(fā)展，并獲得較好的開發(fā)效益。

（2）傳統(tǒng)石油鉆井作業(yè)主要缺點(diǎn)：①常規(guī)的采油方式具有較高的生產(chǎn)成本，不利于成本的控制；②由于常規(guī)的鉆井作業(yè)工作量大，鉆井質(zhì)量得不到完全的保證，因此，在一定程度上制約了油田后期的開發(fā)；③常規(guī)的石油鉆探工作存在著較高的危險(xiǎn)性，且缺少自動(dòng)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)，操作不當(dāng)容易引發(fā)井噴等事故。

2 電氣自動(dòng)化技術(shù)在海洋石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用

2.1 海洋石油勘探技術(shù)應(yīng)用

（1）精準(zhǔn)定位。石油作為一種不可或缺的能源，目前國(guó)內(nèi)的石油開采面臨著資源緊缺等問題，石油勘探也由淺海向深海探索。因此，在海上鉆井作業(yè)中，快速找到新的勘探油田位置，或者在不同井位之間的拖航后精準(zhǔn)定位在開發(fā)油田的井位點(diǎn)，降低在海上的定位成本，可以提高船舶和鉆探的使用效率。主要內(nèi)容有：一是地理信息系統(tǒng)的自動(dòng)化；二是智能GPS 技術(shù)，特別是目前鉆井平臺(tái)已使用北斗系統(tǒng)的定位，擺脫對(duì)GPS 的依賴。該技術(shù)的最關(guān)鍵之處在于節(jié)約勘探及后續(xù)開發(fā)定位的時(shí)間，并在某種程度上決定石油開采的水平。

（2）鉆井信息采集。海洋鉆井信息采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、鉆井生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、鉆井專業(yè)輔助應(yīng)用、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。海上鉆井信息的來源是生產(chǎn)資料的采集。自動(dòng)采集技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種，它是以鉆機(jī)參數(shù)儀、綜合錄井儀、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析軟件和統(tǒng)一通信協(xié)議，對(duì)所有的資料進(jìn)行譯碼、預(yù)處理，然后傳送到下一個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)@井過程中的各種鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到信息采集系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示，以便對(duì)鉆探結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并對(duì)下一步的工作進(jìn)行決策。另一方面，該系統(tǒng)以海洋鉆井?dāng)?shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，包括生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、科研管理、輔助決策等，并將其作為最終決策的依據(jù)。

（3）油田開發(fā)信息分析。在海上油田開發(fā)過程中，通過對(duì)鉆井信息的采集分析，利用智能化技術(shù)，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采油過程中的數(shù)據(jù)資源的自動(dòng)分析。實(shí)例表明，通過智能化的技術(shù)，可以較為精確地獲得油田的儲(chǔ)量和勘探范圍內(nèi)以及油田開發(fā)的深度和開發(fā)周期等關(guān)鍵信息。

2.2 海洋石油鉆井自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

隨著海洋鉆井技術(shù)的成熟應(yīng)用，自動(dòng)化鉆井得到廣泛的發(fā)展和提升，特別是無(wú)人主機(jī)運(yùn)行、電子司鉆、動(dòng)力定位技術(shù)等的使用逐步得到越來越多的運(yùn)用，中國(guó)海洋石油鉆井平臺(tái)上的電氣自動(dòng)化也在學(xué)習(xí)、借鑒國(guó)外先進(jìn)鉆井平臺(tái)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過十多年的引進(jìn)吸收消化，以及針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，通過持續(xù)性的創(chuàng)新，電氣自動(dòng)化水平得到長(zhǎng)足的發(fā)展。應(yīng)該繼續(xù)吸收創(chuàng)新新的國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，逐步形成具有中國(guó)海油石油特色的發(fā)展道路。

3 電氣自動(dòng)化在鉆井平臺(tái)上的典型應(yīng)用

3.1 自動(dòng)化主機(jī)運(yùn)行及供配電方面

目前新建設(shè)的鉆井平臺(tái)基本上都配備主機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行及自動(dòng)負(fù)載分配系統(tǒng)，特別是當(dāng)前最先進(jìn)的DP3 動(dòng)力定位的鉆井平臺(tái)，通過對(duì)鉆井平臺(tái)的鉆井及工藝流程優(yōu)化，平臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及安全監(jiān)控等的高度集成化設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的安全、高效和節(jié)能環(huán)保的要求。如在外部負(fù)載增大的情況下，通過預(yù)先設(shè)定好的程序自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)主機(jī)投入使用，并自動(dòng)分配配電系統(tǒng)，保證鉆井作業(yè)的安全進(jìn)行，消除井下的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。同樣，在外部負(fù)載減少的情況下，可自動(dòng)根據(jù)負(fù)載的變化，卸載非必要的負(fù)載使用，通過優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，自動(dòng)將一臺(tái)發(fā)電機(jī)解列，可以有效降低能耗，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)的無(wú)人值守。在配電方面，當(dāng)一個(gè)母線回路出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換到另一個(gè)母線，減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，提高鉆井作業(yè)的使用效率。

3.2 自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)方面

新型鉆井平臺(tái)配備自動(dòng)化操作的鉆井系統(tǒng)，司鉆通過司鉆房?jī)?nèi)的智能操作椅和人機(jī)交互界面可以對(duì)各種鉆井設(shè)備如頂部驅(qū)動(dòng)、鉆井絞車、泥漿泵、貓道機(jī)、抓管機(jī)、鐵鉆工等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。目前在國(guó)內(nèi)的主流的鉆井平臺(tái)配備的是NOV 的Cyberbase系統(tǒng)和Amphion 系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的核心邏輯是通過網(wǎng)絡(luò)化對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，主要是由PLC 控制器、數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)算單元和顯示單元等構(gòu)成，PLC 主要用于鉆井設(shè)備的控制、處理傳感器反饋數(shù)據(jù)以及接收司鉆的操作指令；數(shù)據(jù)庫(kù)用于不同部件和設(shè)備PLC 之間的數(shù)據(jù)交換。計(jì)算單元用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、曲線擬合、PID 控制、防碰管理和安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估，為用戶提供安全穩(wěn)定的操作保障。顯示單元主要是圖形化的人機(jī)界面（圖1），用于鉆機(jī)各設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和操作指令提示等。通過內(nèi)部的程序化設(shè)計(jì)，司鉆只需要操作智能操作椅就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井設(shè)備的各種操作以及緊急情況下的應(yīng)急關(guān)停。通過自動(dòng)化的鉆井系統(tǒng)，減少鉆臺(tái)的人員操作，提高工作的效率，并且大大的降低人員的意外風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集顯示及人機(jī)交互界面

3.3 動(dòng)力定位方面

常見的鉆井平臺(tái)的定位主要是插樁式定位、錨泊定位和動(dòng)力定位。常規(guī)的定位已經(jīng)不適應(yīng)深海的海洋石油鉆探的要求，配備DP2 和DP3 的動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)，才能在今后的深水石油開發(fā)中占據(jù)主導(dǎo)的低位，電氣自動(dòng)化技術(shù)在動(dòng)力定位中得到最直接的體現(xiàn)。其主要的原理是通過對(duì)外界環(huán)境條件改變的自動(dòng)檢測(cè)，相應(yīng)的由高度集成的中央控制單元自動(dòng)分配指令給動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，來抵抗外部力對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的干擾。鉆井平臺(tái)DP 系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置傳感器配置如圖2 所示。例如當(dāng)船體的位置單元檢測(cè)到船體受到風(fēng)力的改變、浪涌的改變等對(duì)船體產(chǎn)生某種方向的運(yùn)動(dòng)力的時(shí)候，中央控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算外部的力的大小和方向，然后通過對(duì)安裝在船體的推進(jìn)器發(fā)出指令，改變螺旋槳的推力和方向，從而保證船體的穩(wěn)定。

圖2 鉆井平臺(tái)DP 系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置傳感器配置

4 結(jié)束語(yǔ)

為了保證電氣自動(dòng)化技術(shù)在海上石油鉆探中的廣泛應(yīng)用和推廣，操作人員首先要充分認(rèn)識(shí)到電氣自動(dòng)化在海上石油鉆探中的重要作用，深刻思考自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)踐生產(chǎn)中能起到的替代作用；同時(shí)，企業(yè)的高層管理人員也要了解及跟蹤國(guó)內(nèi)外電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)向，及時(shí)掌握電氣自動(dòng)化技術(shù)中的最新技術(shù)，根據(jù)行業(yè)的發(fā)展需求加強(qiáng)對(duì)海上石油鉆井作業(yè)的自動(dòng)化管理應(yīng)用，加強(qiáng)操作人員對(duì)新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用培訓(xùn)，逐步由自動(dòng)化向智能化的方向進(jìn)行探索和轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化鉆井，為海上油氣開發(fā)工作提供技術(shù)保障，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家的能源安全提供穩(wěn)定器和壓艙石。