李靜（中石化石油工程機(jī)械公司第四機(jī)械廠,湖北荊州434024）

石油鉆機(jī)自動(dòng)化發(fā)展探討

李靜
（中石化石油工程機(jī)械公司第四機(jī)械廠,湖北荊州434024）

摘要：鉆機(jī)的自動(dòng)化能夠最大程度地減少人工作業(yè)的工作量與工作風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井作業(yè)效率。近年陸地鉆機(jī)對(duì)自動(dòng)化、智能化、高安全性需求也日益提高，鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)成為鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。目前，我國(guó)的自動(dòng)化鉆機(jī)作為先進(jìn)鉆機(jī)的代表，不僅能取代常規(guī)的鉆井裝備，消除傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，還能減少井隊(duì)人員配置，降低海外人工作業(yè)成本，規(guī)避國(guó)外作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。鉆機(jī)自動(dòng)化升級(jí)可以形成鉆機(jī)成套自動(dòng)化控制技術(shù)的研究，為提高鉆機(jī)自動(dòng)化研制打下良好基礎(chǔ)。此外還可以向海洋鉆機(jī)進(jìn)行技術(shù)輻射，以帶動(dòng)現(xiàn)有鉆機(jī)技術(shù)水平的升級(jí)。

關(guān)鍵詞：石油鉆機(jī)；自動(dòng)化；發(fā)展

1引言

（1）初級(jí)自動(dòng)化鉆機(jī)是應(yīng)用了鐵鉆工、自動(dòng)吊卡、自動(dòng)卡瓦及管子排放系統(tǒng)等部分自動(dòng)化工具及裝置的普通鉆機(jī)。主、副司鉆集中操作，依靠現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員輔助來(lái)完成基本的鉆井操作。除主機(jī)的常規(guī)配置外，它主要增配的裝置包括鉆機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制、鐵鉆工、管子排放系統(tǒng)、自動(dòng)吊卡及自動(dòng)卡瓦等。其目的是最大化減少人工作業(yè)的工作量與工作風(fēng)險(xiǎn)，減少作業(yè)人員。

（2）高級(jí)自動(dòng)化鉆機(jī)在鉆井作業(yè)的所有環(huán)節(jié)都應(yīng)用了自動(dòng)化工具及裝置。并且實(shí)現(xiàn)了集成控制，鉆井作業(yè)在司鉆監(jiān)控下，由計(jì)算機(jī)上的鉆井專家系統(tǒng)按照程序智能控制有序進(jìn)行。最基本的配置可保證正常作業(yè)時(shí)，鉆臺(tái)上不需要直接操作人員。目前最先進(jìn)的自動(dòng)化鉆機(jī)每班僅需4人即可完成全部鉆井作業(yè)。

（3）鉆機(jī)的自動(dòng)化能夠最大程度地減少人工作業(yè)的工作量與工作風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井作業(yè)效率。早期鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)與裝備多應(yīng)用于海洋鉆機(jī)，近年陸地鉆機(jī)對(duì)自動(dòng)化、智能化、高安全性需求也日益提高，鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)成為鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。鉆機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)鉆井管柱操作的自動(dòng)化，即通過(guò)研制和配套相應(yīng)的管柱處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆井管柱從地面到鉆臺(tái)面的輸送、測(cè)量——管柱在鉆臺(tái)面的上、卸扣和緊、崩扣——鉆進(jìn)中送鉆——起下鉆時(shí)立根的排放等一系列動(dòng)作機(jī)械化、自動(dòng)化操作。上述操作主要依賴先進(jìn)的自動(dòng)貓道，鉆臺(tái)機(jī)械手、鐵鉆工、自動(dòng)卡瓦、自動(dòng)吊卡、二層臺(tái)管柱自動(dòng)排放裝置及相應(yīng)司鉆集成控制技術(shù)。

2石油鉆機(jī)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外鉆機(jī)經(jīng)過(guò)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)→直流電驅(qū)動(dòng)→交流電驅(qū)動(dòng)，已發(fā)展到高度自動(dòng)化和智能化階段。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鉆機(jī)的作業(yè)效率有更高的要求。常規(guī)鉆機(jī)采用人工操作管柱系統(tǒng)的模式越來(lái)越不適應(yīng)發(fā)展的需要。另外對(duì)鉆機(jī)的自動(dòng)化操作要求也越來(lái)越迫切。??1949年,ByronJackson公司研制出第1臺(tái)三臂管柱排放裝置樣機(jī),并于1952年獲得成功應(yīng)用。1956年,第1套鉆柱操作系統(tǒng)在CUSS—1鉆井船上應(yīng)用，該鉆井船的鉆柱水平排放在甲板上,操作系統(tǒng)主要用于排放水平放置的管柱。20世紀(jì)70年代以后,隨著一些新的井口操作自動(dòng)化工具(如液壓大鉗、動(dòng)力卡瓦)的應(yīng)用,同時(shí)各種用途的鉆柱排放裝置不斷出現(xiàn),這些裝置與井口自動(dòng)化工具配合使用,使得鉆井作業(yè)過(guò)程中對(duì)管柱的各種操作不再需要人工直接參與,鉆柱排放技術(shù)開(kāi)始從機(jī)械化向半自動(dòng)化發(fā)展。1973年,挪威的SmedvigWestVenture鉆井船上安裝了BJ2Hughes公司研制的機(jī)械化、半自動(dòng)化鉆柱排放系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),該鉆井平臺(tái)利用機(jī)械化管柱排放系統(tǒng)1a節(jié)省了28d的時(shí)間,平均一趟鉆節(jié)省1h。管柱排放系統(tǒng)在WestVenture平臺(tái)的成功應(yīng)用,使得北海地區(qū)的其他鉆井船也配備了管柱排放系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代,由于一些國(guó)家法規(guī)的制定和實(shí)施,促進(jìn)了鉆柱自動(dòng)排放技術(shù)的快速發(fā)展。各種不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的鉆柱自動(dòng)化操作系統(tǒng)相繼研制成功,新建海洋石油鉆井平臺(tái)上全部配備了管柱自動(dòng)排放系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代以后,鉆柱自動(dòng)排放裝置由最初的專為特定鉆井船設(shè)計(jì)發(fā)展為模塊化、系列化設(shè)計(jì),鉆柱自動(dòng)排放技術(shù)的應(yīng)用也由海洋鉆井平臺(tái)走向陸地鉆機(jī),逐步實(shí)現(xiàn)了模塊化和系列化?，F(xiàn)已可以根據(jù)鉆機(jī)的類型選擇不同的操作系統(tǒng),滿足不同類型鉆機(jī)的需要。

1993年,Varco公司開(kāi)發(fā)了可以遙控操作的管柱自動(dòng)排放系統(tǒng),1996年,第1個(gè)模塊化設(shè)計(jì)的鉆柱排放系統(tǒng)研制成功。1990年,精密鉆井公司建造了SuperSingle鉆機(jī),該鉆機(jī)為新型自動(dòng)化鉆機(jī),帶有管柱處理和排放裝置,可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井作業(yè)。1996年,斯倫貝謝SedcoForex公司制造了一部基于簡(jiǎn)單概念的新鉆機(jī),該鉆機(jī)配備了全自動(dòng)管柱操作系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)管柱在放置區(qū)、鉆臺(tái)、起下鉆和鉆臺(tái)與地面之間的全自動(dòng)化運(yùn)移操作。

美國(guó)W-NApache聯(lián)合公司研制的自動(dòng)化鉆機(jī)：采用動(dòng)力水龍頭鉆井方法，配備了自動(dòng)移運(yùn)和排放立根系統(tǒng)；采用微機(jī)控制系統(tǒng)，以監(jiān)控鉆機(jī)操作各工序正常作業(yè)，鉆井深度為6096m。其特點(diǎn)是鉆機(jī)的總重量較輕，安裝拆卸時(shí)間減少50%；采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可在1min之內(nèi)完成接單根作業(yè)，節(jié)約鉆井時(shí)間12%—15%；全鉆機(jī)只需要2人進(jìn)行操作。英國(guó)石油公司與PhonexAlaskaTechnology公司共同研制的一種輕型自動(dòng)化鉆井系統(tǒng)(LADS)，主要由常規(guī)鉆機(jī)模塊和移動(dòng)系統(tǒng)、管子處理系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，質(zhì)量輕(不到鉆深能力相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)鉆機(jī)的50%)，靈活性高，能適應(yīng)惡劣路況搬遷和在狹窄井場(chǎng)進(jìn)行鉆井作業(yè)。另外，由于采用自動(dòng)化管理，整個(gè)系統(tǒng)僅需1名操作工便可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制站完成所有鉆進(jìn)、起下鉆和鉆桿排放等作業(yè)。

在鉆機(jī)自動(dòng)化配套設(shè)備方面，國(guó)外石油設(shè)備供應(yīng)商已有成熟的技術(shù)和相應(yīng)的產(chǎn)品。在自動(dòng)貓道方面，美國(guó)NOV、加拿大的CARING和TESCO等公司能夠生產(chǎn)，部分公司的產(chǎn)品不僅能為陸地鉆機(jī)配套，還能為海洋鉆機(jī)配套，自動(dòng)貓道已系列化并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)；在鐵鉆工方面，美國(guó)的NOV和Weatherford等公司能夠生產(chǎn)，有手臂式和軌道式2種類型并已形成系列化，得到廣泛應(yīng)用；在液壓吊卡方面，美國(guó)的NOV和德國(guó)的B+V等公司能夠生產(chǎn)，主要有對(duì)開(kāi)門和雙開(kāi)門結(jié)構(gòu)，部分帶有自翻轉(zhuǎn)功能，產(chǎn)品規(guī)格全；在動(dòng)力卡瓦方面：美國(guó)的DEN-CON公司和NOV等公司能夠生產(chǎn)，有氣動(dòng)和液動(dòng)兩種類型，形成系列化，得到廣泛應(yīng)用；在立根排放系統(tǒng)方面：挪威的MH和美國(guó)的NOV、Weatherford等公司能夠生產(chǎn)，類型多，系列化。

目前生產(chǎn)制造自動(dòng)化鉆機(jī)的廠家主要包括NOV、DRILLMEC、Arkersolution、Huisman、SCHRAMM、AtlasCopco、GEFCO、DIETSWELL、BAUER、HERRENKNECHTVERTICAL等公司。

SCHRAMM

Huisman

2.2國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)石油鉆采設(shè)備制造規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)超過(guò)180多家，從業(yè)人員4.7萬(wàn)人，已形成了比較完整的生產(chǎn)制造體系。已形成生產(chǎn)15、20、30、50、70、90、120系列鉆機(jī)的能力，開(kāi)發(fā)了電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、叢式井鉆機(jī)和頂部驅(qū)動(dòng)裝置。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在鉆機(jī)自動(dòng)化控制及管子處理裝置方面持續(xù)不斷地進(jìn)行了探索和實(shí)踐。寶石機(jī)械近年來(lái)陸續(xù)完成包括動(dòng)力貓道、二層臺(tái)自動(dòng)化排管、鐵鉆工等關(guān)鍵井口自動(dòng)化工具的研制，相繼形成適用于陸地、海洋的半自動(dòng)化及全自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)的解決方案。

第四機(jī)械廠于2009年開(kāi)始對(duì)HXJ90液壓海洋修井機(jī)開(kāi)始研制，該鉆機(jī)通過(guò)配置管柱自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海洋鉆修機(jī)單根作業(yè)的自動(dòng)化；2010年成功研制出全液壓煤層氣鉆機(jī)，2012年底陸續(xù)完成吊掛式鐵鉆工、動(dòng)力貓道及多馬達(dá)可旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭的研制，已形成煤層氣鉆機(jī)專用半自動(dòng)管柱處理系統(tǒng)。該廠設(shè)計(jì)研制的BE550/ BE770系列鉆機(jī)已經(jīng)配套了頂驅(qū)、動(dòng)力貓道、鐵鉆工等自動(dòng)化工具；同時(shí)，開(kāi)始了常規(guī)陸地鉆機(jī)的管子處理系統(tǒng)研制工作。

南陽(yáng)二機(jī)近年來(lái)通過(guò)自主研發(fā)和項(xiàng)目合作等方式，陸續(xù)成功研制液壓煤層氣鉆機(jī)、齒輪齒條鉆機(jī)及自動(dòng)化斜直井鉆機(jī)。尤其是HH75自動(dòng)化斜直井鉆機(jī)，通過(guò)配置全自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)，逐步具備了集成配套自動(dòng)化鉆機(jī)的能力。

四川宏華集團(tuán)年近年來(lái)致力于海洋鉆機(jī)包及鉆井平臺(tái)的研發(fā)，陸續(xù)成功研發(fā)了適用于海洋鉆井作業(yè)的動(dòng)力貓道、接立根裝置及管具排放裝置，在陸地鉆機(jī)方面，目前也成功研制出動(dòng)力貓道與鐵鉆工兩個(gè)關(guān)鍵性自動(dòng)化工具。宏華集團(tuán)重點(diǎn)發(fā)展海洋自動(dòng)化工具，同時(shí)滿足陸地自動(dòng)化鉆機(jī)的配套需求。

在國(guó)內(nèi)，海洋的自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)基本依靠進(jìn)口。陸地鉆機(jī)方面，各種自動(dòng)化工具已初步應(yīng)用油田現(xiàn)場(chǎng)，例如大慶石油2011年開(kāi)始試用鐵鉆工，渤海、川慶鉆探已經(jīng)試用鐵鉆工、動(dòng)力貓道等自動(dòng)化工具，二層臺(tái)自動(dòng)排管也開(kāi)始在油田進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)?？傮w而言，僅鐵鉆工已成熟應(yīng)用，動(dòng)力貓道及二層臺(tái)排管裝置尚處于試用階段，自動(dòng)化工具的集成及工程應(yīng)用處于試驗(yàn)階段，技術(shù)的可靠性及適應(yīng)性有待提高，集成控制的自動(dòng)化鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)尚未成熟，未形成成熟的集成應(yīng)用。

隨著國(guó)際合作的日益增多，國(guó)內(nèi)石油勘探開(kāi)發(fā)的工程隊(duì)伍更多的走出國(guó)門，為降低海外人工成本及適應(yīng)國(guó)外油田的環(huán)境和安全要求，對(duì)石油裝備提出了自動(dòng)化、人性化及安全化的要求。自動(dòng)化鉆機(jī)作為先進(jìn)鉆機(jī)的代表，不僅能取代常規(guī)的鉆井裝備，消除傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，還能減少井隊(duì)人員配置，降低海外人工作業(yè)成本，規(guī)避國(guó)外作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3總結(jié)

因此，對(duì)常規(guī)鉆機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)很有必要，不僅能滿足鉆井作業(yè)高效率、高安全、高可靠性的要求，更能提高中石化鉆井隊(duì)伍的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。此外，通過(guò)對(duì)常規(guī)鉆機(jī)自動(dòng)化升級(jí)，在現(xiàn)有鉆機(jī)上配套頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置、鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)、網(wǎng)電模塊、叢式井移動(dòng)裝置等先進(jìn)設(shè)備能夠提高鉆機(jī)的自動(dòng)化程度，達(dá)到減少生產(chǎn)班組的人員配備，降低人工成本；縮短非作業(yè)的輔助時(shí)間，提高鉆井時(shí)效；減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性；增強(qiáng)鉆井隊(duì)伍在國(guó)際鉆井市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

另外鉆機(jī)自動(dòng)化升級(jí)可以形成鉆機(jī)成套自動(dòng)化控制技術(shù)的研究，為提高鉆機(jī)自動(dòng)化研制打下良好基礎(chǔ)。此外還可以向海洋鉆機(jī)進(jìn)行技術(shù)輻射，以帶動(dòng)現(xiàn)有鉆機(jī)技術(shù)水平的升級(jí)。

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