海上井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

［摘 要］海洋石油勘探開發(fā)已有100 多年的歷史。作為海洋石油開采所必需的設(shè)備，海洋鉆井平臺(tái)始終與海洋石油勘探開發(fā)同步發(fā)展。早在1897 年，美國(guó)加利福尼亞州的Summerland 灘潮汐地帶，人類首次搭建了一座長(zhǎng)達(dá)76.2 m 的木制架子，用于在海上進(jìn)行鉆井活動(dòng)，這標(biāo)志著全球首座海上鉆井平臺(tái)的誕生。這一時(shí)刻標(biāo)志著人類海洋石油開發(fā)的起步，也是海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展歷程的開篇。1993 年國(guó)內(nèi)第一個(gè)無(wú)人平臺(tái)投產(chǎn)，用于渤中34-4 W。2018 年以來(lái)，中國(guó)海洋石油在重點(diǎn)海域開始建立無(wú)人化海洋平臺(tái)，在2020 年的工作會(huì)議上提出了“1534”的總體發(fā)展構(gòu)想，明確提出了從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化模式轉(zhuǎn)變的主要目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，離不開海上井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)。理論和實(shí)踐證明傳感技術(shù)、通信技術(shù)5G、控制軟件技術(shù)、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、綜合管理一體化平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化、信息化與智能化深度融合的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)等技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)?；诖?，文章分析了海上井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以期為深入研究海上油井口實(shí)現(xiàn)無(wú)人化或少人化奠定基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］海上井口裝備；自動(dòng)化；關(guān)鍵技術(shù)；現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)；無(wú)人化

［中圖分類號(hào)］TE95 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0021–03

海洋石油是各個(gè)國(guó)家一直在追求的能源，但是海洋石油的開發(fā)相較于在陸地上的技術(shù)難度大、所投入的資金大、無(wú)法預(yù)知因素多，制約著人們對(duì)海洋石油的利用，尤其是海洋石油鉆井自動(dòng)化技術(shù)的先進(jìn)程度直接影響著石油開采的效率及經(jīng)濟(jì)性。實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化模式轉(zhuǎn)變的主要目標(biāo)，將改變石油開采領(lǐng)域的生產(chǎn)方式，更離不開科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新、發(fā)展以及恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用?；跈C(jī)器人、大數(shù)據(jù)人工智能等技術(shù)的成熟與應(yīng)用，海上平臺(tái)自動(dòng)化、智能化水平已經(jīng)滿足無(wú)人值守平臺(tái)要求。

1 海上井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 通信技術(shù)

高效的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制需要可靠的無(wú)線通信技術(shù)。國(guó)內(nèi)海上平臺(tái)間通信大多采用海纜和微波方式。侯智超在原有油田信息收集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[1]，集成了ZigBee 無(wú)線傳輸技術(shù)，開發(fā)了一套ZigBee 井口工況數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)涵蓋了從井口傳感器和儀器的數(shù)據(jù)采集，到數(shù)據(jù)的上行傳輸，再到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程。

鑒于海纜和微波通信的局限及4G 通信技術(shù)的快速發(fā)展，提出了在海上平臺(tái)建設(shè)4G 專網(wǎng)的可能性。4G 技術(shù)在移動(dòng)性、穩(wěn)定性、傳輸距離和速度方面都具有優(yōu)勢(shì)，能夠作為海底光纜鋪設(shè)的替代方案，其覆蓋方案更為靈活，實(shí)施和維護(hù)更簡(jiǎn)便，且投資成本較低。因此，4G 網(wǎng)絡(luò)已成為新型海上平臺(tái)接入網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)。但是，4G 網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人值守平臺(tái)的應(yīng)用中仍存在限制，尤其是在滿足平臺(tái)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高帶寬、低延遲傳輸需求方面的不足，限制了海上平臺(tái)無(wú)人值守進(jìn)程的發(fā)展。截至2020 年2 月，全球海上無(wú)人平臺(tái)分布情況詳見表1[2]。

1.2 傳感技術(shù)

在海上井口裝備自動(dòng)化控制中，傳感技術(shù)起到非常重要的作用。其主要用于監(jiān)測(cè)井口的壓力、溫度、流量等參數(shù)，在復(fù)雜和惡劣的海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確的數(shù)據(jù)監(jiān)控，從而保障作業(yè)的正常進(jìn)行和人員的安全。其中，傳感器需要具有極高的抗環(huán)境干擾能力和穩(wěn)定的測(cè)量性能，才能滿足海上作業(yè)的苛刻要求。用來(lái)監(jiān)控井口狀態(tài)的傳感器必須能在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。溫度、壓力、流量等傳感器是目前常見的監(jiān)控設(shè)備。針對(duì)油田井口的壓力監(jiān)測(cè)需求[3]，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的保護(hù)結(jié)構(gòu)，傳感器能夠適應(yīng)復(fù)雜介質(zhì)的壓力測(cè)量，滿足實(shí)際的油田井口壓力監(jiān)測(cè)需要，這對(duì)發(fā)展數(shù)字油田及油田物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)具有極其重要的價(jià)值。

1.3 控制軟件

控制軟件是自動(dòng)化設(shè)備中不可或缺的一部分，其將人為操作轉(zhuǎn)化為電腦命令，對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行精密、高效的控制。在海上井口裝備的自動(dòng)化控制中，控制軟件扮演著核心的角色。

控制軟件主要負(fù)責(zé)接收從傳感器收集的各種參數(shù)，如壓力、溫度和流量等，然后通過(guò)預(yù)設(shè)的算法和控制策略進(jìn)行分析處理，最終對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)整。具體來(lái)說(shuō)，其可能會(huì)調(diào)整泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，或者釋放更多或更少的化學(xué)試劑以維持恒定的井口壓力等。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，現(xiàn)代化的軟件能夠更有效地控制井口操作，如調(diào)整壓力、流量等參數(shù)，以確保運(yùn)營(yíng)的安全性和穩(wěn)定性。周巍巍等[4] 提出的海上無(wú)人平臺(tái)新型起重機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中心平臺(tái)10 n mile 范圍內(nèi)無(wú)人平臺(tái)1 ＋ N 臺(tái)起重機(jī)獨(dú)立遙控操作，降低了駕駛?cè)藛T登臨平臺(tái)的難度，提高了駕駛員的工作效率。

1.4 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)

圖1 為萬(wàn)康等[5] 在石油鉆井工程事故預(yù)警中人工智能的運(yùn)用模型。

經(jīng)運(yùn)用至石油鉆井施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該人工智能模型效果良好，提升了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警能力且報(bào)誤率低，更容易發(fā)現(xiàn)人工難以發(fā)現(xiàn)的潛在危險(xiǎn)。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，為海上井口裝備的自動(dòng)化控制提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。羊新州等[6]在南海某氣田群精益生產(chǎn)中將人工智能技術(shù)應(yīng)用于具體的實(shí)踐進(jìn)行研究，結(jié)果表明，從具體的應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，結(jié)合油氣田開發(fā)的專業(yè)知識(shí)，在有足夠的數(shù)據(jù)作為人工智能的“訓(xùn)練樣本”前提下，可幫助解決諸多常規(guī)機(jī)理模型無(wú)法快速求解的問(wèn)題。

1.5 機(jī)器人技術(shù)

隨著科技的不斷發(fā)展，尤其是人工智能技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的功能和智能水平也在不斷提高。例如，現(xiàn)代的機(jī)器人可更好地理解和模仿人類的語(yǔ)言和行為，以更加自然和有效的方式與人們交流，還可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)不斷改進(jìn)自身的工作方法，提高效率。陳偉[7] 研制了一款應(yīng)用于油井平臺(tái)導(dǎo)管架清理的水下作業(yè)機(jī)器人，深入研究了推力分配問(wèn)題和容錯(cuò)控制技術(shù)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的水下清理機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)性能和導(dǎo)管架清理能力。

2 海上井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 通信新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)——5G技術(shù)

由于海底光纜和微波通信的限制，雖然4G 網(wǎng)絡(luò)專用網(wǎng)能夠取代海底光纜技術(shù)，但是在無(wú)人監(jiān)管平臺(tái)中，4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸仍顯不足，特別是在滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘捄偷脱舆t需求方面，限制了海上平臺(tái)無(wú)人監(jiān)管的發(fā)展。未來(lái)，海洋油氣井口平臺(tái)的無(wú)人化將成為發(fā)展的主流趨勢(shì)[8]，5G 技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用將為這些平臺(tái)提供最佳的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)支持，標(biāo)志著海上井口平臺(tái)從有人管理向無(wú)人管理的根本性變革。

2.2 傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著微電子和納米技術(shù)的發(fā)展，傳感器體積將不斷變小，而功能卻越來(lái)越強(qiáng)大。未來(lái)的傳感器將更加智能，可自我校準(zhǔn)，自我修復(fù)，甚至能夠通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化其性能。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)也將更為常見，提供更大范圍、更高頻率的監(jiān)測(cè)。另外，多模態(tài)傳感器將能夠整合多種數(shù)據(jù)，提供更全面、更精確的監(jiān)測(cè)。

新型傳感技術(shù)和設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器等。這些新科技的應(yīng)用，極大地提高了傳感技術(shù)的測(cè)量精度、抗干擾能力和工作效率，為海上油氣開采帶來(lái)了巨大的便利和保障。

2.3 控制軟件發(fā)展趨勢(shì)

新一代的控制軟件能夠根據(jù)傳感器的反饋信息自我調(diào)整，學(xué)習(xí)并優(yōu)化控制策略。在某些情況下，控制軟件還能預(yù)測(cè)潛在的設(shè)備故障或者危險(xiǎn)情況，并及時(shí)提醒操作員做出相應(yīng)的處理?？刂栖浖脑O(shè)計(jì)和開發(fā)需要深厚的專業(yè)知識(shí)，包括熟悉設(shè)備操作原理，理解控制理論，并精通相關(guān)的編程技術(shù)。同時(shí)，也需要不斷更新和升級(jí)，以適應(yīng)新的設(shè)備和新的作業(yè)要求。未來(lái)人與物、物與物之間的互相配合離不開控制軟件的迭代升級(jí)。

隨著算法和人工智能的進(jìn)步，控制軟件越來(lái)越智能。未來(lái)的控制軟件將具有更強(qiáng)的自我學(xué)習(xí)和自我優(yōu)化能力，可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境變化和設(shè)備故障。此外，云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將進(jìn)一步提高控制軟件的性能和功能。

2.4 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展趨勢(shì)

隨著大數(shù)據(jù)和計(jì)算能力的增強(qiáng)，AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)將越來(lái)越普遍，其將在預(yù)測(cè)、決策、設(shè)備控制等方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將使得AI 更加接近人類的思考方式。未來(lái)的AI 將更加理解和適應(yīng)人類行為，提供更出色的處理井口突發(fā)事件能力。

2.5 機(jī)器人技術(shù)

隨著無(wú)人化、智能化趨勢(shì)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在海上井口裝備自動(dòng)化控制中的角色愈發(fā)重要。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在智能化和自主化、協(xié)同性、遠(yuǎn)程操作能力、可靠性及耐久性幾個(gè)方面。

3 結(jié)論

文章對(duì)海上井口裝備自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行梳理，為今后無(wú)人值守平臺(tái)工程設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。得出如下結(jié)論。

（1）通過(guò)自動(dòng)化升級(jí)改造現(xiàn)有氣田設(shè)施，包括完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)、引入智能機(jī)器人和激光對(duì)射泄漏監(jiān)測(cè)等智能設(shè)備，可最大程度減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員數(shù)量及工作量。

（2）結(jié)合人工智能技術(shù)建設(shè)操控中心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上油氣生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、協(xié)同作業(yè)和科學(xué)決策。

（3）智能化新技術(shù)探索與應(yīng)用將推動(dòng)海洋石油與數(shù)字化、智能化技術(shù)的結(jié)合，可降低海上油氣開采成本，實(shí)現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效，重塑企業(yè)低成本優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

（4）應(yīng)逐步建立和完善我國(guó)海上平臺(tái)油氣開采的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（5）應(yīng)促進(jìn)海上石油平臺(tái)在設(shè)計(jì)、建造、使用各個(gè)階段標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的更新。

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