郭 華 周 超 鄭清華 張 甫

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

截至目前，中國(guó)海上油氣田經(jīng)過(guò)40年大規(guī)模開發(fā)，在淺海海域采用固定式導(dǎo)管架平臺(tái)開發(fā)已成為一種成熟的油氣田開發(fā)模式。鉆機(jī)作為鉆井作業(yè)的核心裝備，為整個(gè)鉆井作業(yè)提供動(dòng)力和支撐[1]。海上鉆井裝置分為移動(dòng)式鉆井裝置和固定式鉆井裝置。移動(dòng)式鉆井裝置具有工作時(shí)效較高、可實(shí)現(xiàn)先期導(dǎo)管架鉆井、油田可早投產(chǎn)收效快、與平臺(tái)接口界面相對(duì)較少等特點(diǎn)，中國(guó)第一座自行設(shè)計(jì)建造的自升式鉆井平臺(tái)“渤海一號(hào)”于1973年建成并投入使用[2]。在移動(dòng)式鉆井裝置發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了坐底式、自升式和半潛式等多種型式。由于起步早，自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)應(yīng)用較完善，早期完美解決了中國(guó)海上油田開發(fā)叢式井的鉆井作業(yè)需求[3]。

隨著海上油田開發(fā)規(guī)模越來(lái)越大，部分油田單個(gè)平臺(tái)布置的井?dāng)?shù)也越來(lái)越多，初期鉆完井、后期修井和調(diào)整井作業(yè)對(duì)鉆井裝置的需求越來(lái)越迫切。目前，在初期開發(fā)井?dāng)?shù)較多的固定式導(dǎo)管架平臺(tái)上，模塊鉆機(jī)扮演著初期鉆井、后期修井和進(jìn)行調(diào)整井作業(yè)的重要角色，在過(guò)去幾年的海上開發(fā)井鉆井作業(yè)中，模塊鉆機(jī)占據(jù)了將近一半的作業(yè)量。從1983年，中國(guó)首座模塊鉆機(jī)由依靠與國(guó)外公司合作，在埕北油田“A平臺(tái)”開始服役至今，中國(guó)逐漸實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、裝備制造、集成配套等全產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化，并取得了對(duì)外出口服務(wù)的驕人業(yè)績(jī)[4-7]。

目前中國(guó)模塊鉆機(jī)配套仍舊以傳統(tǒng)鉆機(jī)配套為主(圖1)，在二層臺(tái)、鉆臺(tái)井口區(qū)、坡道區(qū)大量采用人工作業(yè)，自動(dòng)化程度低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性較高。在海上作業(yè)安全與環(huán)境要求不斷提高、人工成本逐年上升、工業(yè)控制與數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，回顧模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展歷程，結(jié)合移動(dòng)式鉆機(jī)和模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索我國(guó)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提升中國(guó)海上鉆井作業(yè)效率和安全性，推動(dòng)油氣田開發(fā)增儲(chǔ)上產(chǎn)、提質(zhì)增效及綠色發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

圖1 中國(guó)海油海上固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)

1 模塊鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)

1.1 起步晚，發(fā)展快

早在1945年國(guó)外已開始用鋼材建造固定式平臺(tái)，其后模塊化鉆機(jī)得到工業(yè)應(yīng)用。1973年，美國(guó)石油協(xié)會(huì)在發(fā)布了模塊鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 2E 1st，后于1988年廢止。中國(guó)在埕北油田引進(jìn)模塊鉆機(jī)之后，1989年在南海東部首個(gè)合營(yíng)油田惠州21-1引進(jìn)現(xiàn)代海洋模塊鉆機(jī)。從1990年惠州21-1油田投產(chǎn)至1996年，南海東部一共引進(jìn)了7座海洋模塊鉆機(jī)。

2003年中海石油研究中心開始籌備海洋模塊鉆機(jī)國(guó)產(chǎn)化研究課題，2005年中國(guó)海油完成了監(jiān)理、建造、設(shè)計(jì)三級(jí)跳，其后模塊鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)迎來(lái)了大發(fā)展，2007—2009年，中國(guó)海油發(fā)布了11部模塊鉆機(jī)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，2013年發(fā)布3部模塊鉆機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29549.1～3，2017年中國(guó)牽頭起草的模塊鉆機(jī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 18647發(fā)布實(shí)施。截至目前中國(guó)已成為全球模塊鉆機(jī)數(shù)量最多的國(guó)家之一，保有量約80座，且以每年2～3座的速度遞增。

表1 中國(guó)海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：海上石油平臺(tái)鉆機(jī)(Q/HS 2037)

1.2 目標(biāo)油田明確，可實(shí)現(xiàn)“量體裁衣”式設(shè)計(jì)

中國(guó)近海油氣藏在勘探發(fā)現(xiàn)后，在300 m水深范圍以內(nèi)的油氣田一般采用導(dǎo)管架平臺(tái)布置叢式井集中開發(fā)，目的油氣層、平臺(tái)產(chǎn)量和井槽數(shù)量等需求較為清楚，鉆完井作業(yè)對(duì)鉆井裝備的需求相對(duì)明確。模塊鉆機(jī)一般建成調(diào)試好后永久安置在生產(chǎn)平臺(tái)上，負(fù)責(zé)后期修井和調(diào)整井作業(yè)。鉆機(jī)各系統(tǒng)設(shè)備可充分考慮目標(biāo)油田的具體需求，實(shí)現(xiàn)“量體裁衣”式設(shè)計(jì)，保證海上油氣田高效開發(fā)。例如，針對(duì)渤海某油田開發(fā)井斜深較淺、水平位移井較大的特點(diǎn)，鉆機(jī)提升系統(tǒng)在保持最大鉤載不升級(jí)的情況下，針對(duì)性地提升頂驅(qū)、灰罐、鉆井泵和鉆井液池相關(guān)參數(shù)配置，保證鉆井作業(yè)高效；針對(duì)南海某油田生產(chǎn)平臺(tái)在生產(chǎn)期間電站能力不足的問(wèn)題，模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)了生產(chǎn)平臺(tái)反供電回路，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)與生產(chǎn)平臺(tái)一體化供電。

1.3 初期建造成本高，后期作業(yè)時(shí)機(jī)靈活

模塊鉆機(jī)國(guó)產(chǎn)化后費(fèi)用較進(jìn)口已大幅降低，目前單座模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)、集成建造、海上調(diào)試總費(fèi)用約2億人民幣，而移動(dòng)式鉆井裝置初期建成后可多地重復(fù)使用，進(jìn)而攤薄每次使用成本。但是，模塊鉆機(jī)在海上安裝調(diào)試成功后，操作日費(fèi)僅為移動(dòng)式鉆井平臺(tái)的四分之一至五分之一，這為海上大型油氣田開發(fā)提供了更多選擇。

在海上油田投產(chǎn)后，模塊鉆機(jī)一直安裝在生產(chǎn)平臺(tái)上，可以隨時(shí)為密集的叢式井提供修井和側(cè)鉆等作業(yè)服務(wù)，節(jié)約了移動(dòng)式鉆井裝置的動(dòng)員時(shí)間。從以往的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在水深小于120 m的淺水海域，當(dāng)海上平臺(tái)開發(fā)井?dāng)?shù)達(dá)到35口左右，模塊鉆機(jī)便成為油公司更為合適的選擇；在自升式鉆井平臺(tái)受限的120～300 m水深的海域，模塊鉆機(jī)優(yōu)勢(shì)更為突出。

2 國(guó)外鉆機(jī)自動(dòng)化配置及發(fā)展情況

海上模塊鉆機(jī)的基本設(shè)備組成相同，控制對(duì)象基本相同，自動(dòng)控制技術(shù)具備較強(qiáng)的可借鑒性。2005年AKer為阿塞拜疆國(guó)際作業(yè)者公司交付的BP公司Central Azeri項(xiàng)目模塊鉆機(jī)具備遠(yuǎn)程控制功能，可實(shí)現(xiàn)在棧橋連接的臨近平臺(tái)控制模塊鉆機(jī)作業(yè)。該套鉆機(jī)具備手動(dòng)、導(dǎo)向和自動(dòng)三種工作模式。在自動(dòng)模式下，該鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，鉆臺(tái)上除司鉆外不需作業(yè)人員，所有設(shè)備由預(yù)先設(shè)定的程序按步驟執(zhí)行，所有的互鎖和防碰撞系統(tǒng)自動(dòng)開啟。該套鉆機(jī)主要配置的自動(dòng)化設(shè)備有氣動(dòng)指梁、二層臺(tái)橋吊、鷹爪機(jī)、動(dòng)力吊卡、低位導(dǎo)向臂、液壓鐵鉆工、泥漿盒、液壓動(dòng)力卡瓦、動(dòng)力鼠洞、堆場(chǎng)送管機(jī)和甲板折臂吊。甲板折臂吊可實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)190°范圍內(nèi)管材抓取并放置于送管機(jī)上，配置動(dòng)力貓道將管子運(yùn)送至鉆臺(tái)，再由低位導(dǎo)向臂和鷹爪機(jī)將管子由水平狀態(tài)調(diào)整為豎直狀態(tài)，在動(dòng)力鼠洞中接好立根后放置于對(duì)應(yīng)指梁位置。該套鉆機(jī)還配置了區(qū)域智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在每一個(gè)設(shè)備周圍預(yù)設(shè)了虛擬空間，每個(gè)虛擬空間可由最多5個(gè)矩形組成，每個(gè)動(dòng)態(tài)變化的矩形將具體位置信息顯示在同一個(gè)坐標(biāo)系中。區(qū)域智能管理系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置了每個(gè)設(shè)備之間的安全距離，通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)在相關(guān)設(shè)備碰撞發(fā)生前停止其運(yùn)行。

過(guò)去的10年是自動(dòng)化鉆井技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期，國(guó)外公司陸續(xù)推出了一批具有較高自動(dòng)化水平的新型鉆機(jī)開展試驗(yàn)驗(yàn)證。斯倫貝謝推出了配置9套機(jī)械手和2套鐵鉆工的未來(lái)鉆機(jī)；West Group推出了應(yīng)用7個(gè)機(jī)器人、32個(gè)軸實(shí)現(xiàn)管柱的高精度自動(dòng)化處理的CMR鉆機(jī)；Drillmec推出了配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)和鉆井監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)的全液壓鉆機(jī)。這些有益的工業(yè)嘗試，為國(guó)內(nèi)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)引進(jìn)和再創(chuàng)新提供了良好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

國(guó)外鉆機(jī)在用的鉆井集成控制系統(tǒng)主要有NOV的Cyberbase系統(tǒng)、Amphion 系統(tǒng)以及Aker MH的DrillView系統(tǒng)(圖2)。Amphion和Cyberbase為自動(dòng)化鉆臺(tái)流程和設(shè)備交互的控制系統(tǒng)，它將機(jī)器控制、鉆機(jī)自動(dòng)化、鉆井?dāng)?shù)據(jù)、閉路電視和第三方信息整合成一個(gè)連貫的系統(tǒng)。DrillView使用WITS協(xié)議在DrillviewTM系統(tǒng)和各種第三方服務(wù)系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)，確保設(shè)備安全、高效和可靠的工作。

圖2 國(guó)外典型司鉆座椅

在管具處理系統(tǒng)方面，部分國(guó)外固定式平臺(tái)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化管具處理水平略高，在管具堆場(chǎng)配套折臂吊以及水平動(dòng)力貓道，如West White Rose固定式平臺(tái)配套Aker MH公司的折臂吊以及水平動(dòng)力貓道從而完成管具在堆場(chǎng)與鉆臺(tái)之間的移運(yùn)；此外，海瑞克公司設(shè)計(jì)了一套適用于固定式平臺(tái)的自動(dòng)化鉆井包TI-600，但該鉆井包目前屬于概念設(shè)計(jì)，未能得到實(shí)際應(yīng)用，該鉆井包提升系統(tǒng)采用液壓起升形式，并配備了一整套自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)式抓管機(jī)、液壓排管架、門式抓管裝置、液壓吊卡、動(dòng)力卡瓦、鐵鉆工等設(shè)備，該鉆井系統(tǒng)采用預(yù)接好的雙根進(jìn)行作業(yè)(管具堆場(chǎng)排放的是預(yù)接好雙根鉆柱，而非常規(guī)單根)。

隨著海上作業(yè)對(duì)時(shí)效的要求不斷提高和作業(yè)水深的增加，輔助鉆井作業(yè)時(shí)間在整個(gè)鉆井作業(yè)時(shí)間中的占比也相應(yīng)的增加，為了提高深水的鉆井效率，通過(guò)優(yōu)化和改善鉆井工藝，提高輔助鉆井操作和主鉆井操作的并行性，漸漸形成了“雙井架”(dual derrick)和“一個(gè)半井架”(offline or dual activity rig)兩種基于鉆井工藝流程的鉆機(jī)型式。1999年，世界上第一艘安裝了雙井架鉆機(jī)系統(tǒng)的Discoverer Enterprise號(hào)鉆井船交付，該平臺(tái)的成功建造是世界深水鉆井裝備發(fā)展的里程碑[8]。

目前雙井架作業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)成為大型鉆井船鉆機(jī)的標(biāo)配，雙井架鉆機(jī)通常采用平行型排管系統(tǒng)，平行型排管系統(tǒng)主要適用于需排放大量鉆桿、鉆鋌、套管的平臺(tái)，能與水平的鉆桿操作系統(tǒng)完美地協(xié)調(diào)起來(lái)?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)指梁的具體尺寸，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同尺寸的鉆柱排放。先進(jìn)的鉆井船大多數(shù)配置雙井架系統(tǒng)，并配備自動(dòng)化管具處理設(shè)備，如Drillmax、Drillmax ice、Discoverer clear leader等多座半潛式鉆井平臺(tái)。隨著半潛式海洋鉆機(jī)的發(fā)展，其自動(dòng)化程度越來(lái)越高，抓管吊、動(dòng)力貓道、HTV、排管機(jī)、動(dòng)力指梁、鐵鉆工、動(dòng)力卡瓦、動(dòng)力吊卡、泥漿防噴盒、扶正機(jī)械手、隔水管吊機(jī)、隔水管立式貓道等自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)設(shè)備配置齊全[9]。

移動(dòng)式深水鉆機(jī)在鉆井液自動(dòng)混配方面發(fā)展比較完善，操作者指定鉆井液處方和加入到泥漿的混合材料，在混合管線上的密度傳感器顯示鉆井液密度。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)密度時(shí)，加重材料的加入會(huì)停止。加入到鉆井液中的處理劑的速度和容量可以通過(guò)控制加料器和液體添加泵撬來(lái)進(jìn)行控制，每個(gè)容器內(nèi)散料粉末或者液體容量和重量可以追蹤顯示，NOV、CAMERON、SWACO等公司產(chǎn)品均有成功應(yīng)用案例。該技術(shù)的發(fā)展方向是基于泥漿混合系統(tǒng)的全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將井下和井口等傳感器和儀表采集的數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)處理器，處理器計(jì)算出需要加入鉆井液中化學(xué)處理劑的容量和正確的添加速度，發(fā)送給鉆井液自動(dòng)混合系統(tǒng)。鉆井液存儲(chǔ)和泵送系統(tǒng)與鉆井液混合系統(tǒng)、散料存儲(chǔ)和輸送系統(tǒng)共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)鉆井液狀態(tài)的不斷優(yōu)化，確保井眼的維護(hù)優(yōu)化和調(diào)整[10-11]。

近年來(lái)，海洋深水鉆機(jī)也出現(xiàn)了多種自動(dòng)化程度較高的新型鉆機(jī)，如Aker MH的Ramrig液壓缸提升系統(tǒng)系列深水鉆機(jī)、NOV的超深水液壓缸提升系統(tǒng)鉆機(jī)、NOV的雙絞車深水鉆機(jī)、Huisman的多功能鉆井塔式雙絞車鉆機(jī)等，在海洋深水環(huán)境中均具有較好的表現(xiàn)[12]。

3 中國(guó)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀及原因分析

3.1 操作與控制系統(tǒng)

中國(guó)海上固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)操作與控制系統(tǒng)集電氣可編程邏輯控制器(PLC)、火氣探測(cè)(F&G Monitor)、公共廣播報(bào)警(PA/GA)、工業(yè)監(jiān)視(CCTV)、程控電話(PABX)和局域網(wǎng)(LAN)功能為一體，性能穩(wěn)定并率先實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。模塊鉆機(jī)司鉆房?jī)?nèi)鉆井儀表、頂驅(qū)、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、高壓管匯等設(shè)備的操作分布在不同的操作臺(tái)上。鉆井儀表一般為單獨(dú)的操作顯示臺(tái)，采用機(jī)械表的形式顯示鉤載、鉆壓、立管壓力、大鉗扭矩、泥漿泵泵沖等主要鉆井參數(shù)，一般位于司鉆椅的正前方。節(jié)流控制盤上顯示有高壓立管、節(jié)流壓井管匯、液氣分離器的壓力及高壓鉆井泵的脈沖次數(shù)，節(jié)流壓井管匯上的液控節(jié)流閥可在節(jié)流控制盤上進(jìn)行控制操作。司鉆房?jī)?nèi)設(shè)備控制由各設(shè)備廠家提供，在司鉆房?jī)?nèi)組裝，司鉆房?jī)?nèi)布置較為繁雜，并且各設(shè)備之間往往相互獨(dú)立，缺乏信號(hào)對(duì)接，設(shè)備之間缺乏互鎖保護(hù)，鉆機(jī)主要依靠司鉆操作者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行安全控制。

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司近年開展了管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)、井口自動(dòng)化工具、遠(yuǎn)程電子司鉆及其集成技術(shù)等研究工作，建設(shè)了基于VR技術(shù)的雙司鉆操作系統(tǒng)(圖3)。目前，中海油模塊鉆機(jī)的操作與控制正在向一體化集成控制方向發(fā)展，在近年新建的部分鉆機(jī)上，傳統(tǒng)的鉆井儀表已集成在了鉆機(jī)操作與控制系統(tǒng)中。由于目前在建鉆機(jī)中配套的自動(dòng)化設(shè)備主要為二層臺(tái)機(jī)械手和鐵鉆工，司鉆房?jī)?nèi)布置了主司鉆和副司鉆兩張操作椅(副司鉆僅控制二層臺(tái)機(jī)械手，鐵鉆工利用遙控盒根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況進(jìn)行控制)，僅有在建的渤中29-6油田WHPA模塊鉆機(jī)配置了冗余式主輔雙司鉆一體化操作與控制系統(tǒng)。

圖3 寶雞石油機(jī)械責(zé)任有限公司的雙司鉆操作系統(tǒng)

從2006年開始建造“海洋石油941”自升式鉆井平臺(tái)至今，中國(guó)主要海工制造企業(yè)完成了大量高端自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造工作，如大連船舶重工、煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程、中遠(yuǎn)海運(yùn)重工、上海外高橋、招商局工業(yè)集團(tuán)等，這些鉆井平臺(tái)上的鉆機(jī)主要配套了美國(guó)NOV鉆井包，部分鉆機(jī)配置了Cameron、TSC等廠家的鉆井包，司鉆集成操控系統(tǒng)、管具處理自動(dòng)化系統(tǒng)等已成為這些自升式鉆井平臺(tái)的標(biāo)配[13]。中國(guó)移動(dòng)式鉆機(jī)在用的鉆井集成控制系統(tǒng)幾乎全部被NOV以及Aker MH的操作系統(tǒng)所壟斷。目前國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)水平與國(guó)外相比存在非常大的差距，已實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的集成操作系統(tǒng)主要集中在陸地鉆機(jī)或者未配套自動(dòng)化管具處理設(shè)備的自升式鉆井平臺(tái)，高端海洋鉆機(jī)操作與控制系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性還未得到充分證明和市場(chǎng)認(rèn)可。近年來(lái)中國(guó)新建造的海洋深水鉆機(jī)已基本全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)備配套，有些鉆機(jī)還配套了雙作業(yè)鉆井系統(tǒng)，如“中集藍(lán)鯨號(hào)”，以及大多數(shù)的超深水鉆井船等。

總體來(lái)看，目前模塊鉆機(jī)的操作與控制系統(tǒng)以傳統(tǒng)鉆機(jī)為主，與陸地常規(guī)鉆機(jī)相似，仍舊需要大量工人的協(xié)同作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，在設(shè)備的自動(dòng)化配套、操作系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)流程、設(shè)備之間的安全互鎖保護(hù)方面存在不足[14]。

3.2 管具處理自動(dòng)化系統(tǒng)

管具處理自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)綜合性處理系統(tǒng)，主要完成鉆桿、鉆鋌、套管、隔水管等管具的抓取、運(yùn)移、組裝、拆卸、放置等任務(wù)，保證管材鉆具安全快速、穩(wěn)定高效以及連貫流暢處理[15-17]。模塊鉆機(jī)在堆場(chǎng)、二層臺(tái)區(qū)的管具處理與大部分傳統(tǒng)陸地鉆機(jī)相似，在鉆臺(tái)區(qū)配置有鐵鉆工、液壓貓頭、液氣大鉗、手動(dòng)卡瓦、手動(dòng)吊卡、氣動(dòng)絞車、常規(guī)鼠洞等設(shè)備，隨著鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，模塊鉆機(jī)開始對(duì)人員操作強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高的場(chǎng)合增配自動(dòng)化的管具處理設(shè)備，當(dāng)前逐漸實(shí)施配套的產(chǎn)品有動(dòng)力卡瓦、液壓吊卡、鐵鉆工、二層臺(tái)機(jī)械手及動(dòng)力指梁等，實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)和鉆臺(tái)區(qū)的少人化作業(yè)。如黃巖1-1氣田“WHPA平臺(tái)”模塊鉆機(jī)、錦州25-1油田“WHPA平臺(tái)”模塊鉆機(jī)及恩平15-1油田“CEP平臺(tái)”模塊鉆機(jī)等配套伸縮臂式鐵鉆工用于管具上卸扣操作；錦州25-1油田“WHPA平臺(tái)”模塊鉆機(jī)、恩平15-1油田“CEP平臺(tái)”模塊鉆機(jī)等同時(shí)配套動(dòng)力指梁、二層臺(tái)機(jī)械手等設(shè)備，用于管具移運(yùn)及排放。

自升式鉆井平臺(tái)的自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)因其具有較高的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性，正在逐步取代傳統(tǒng)的人工管具操作，淺水鉆機(jī)配置該系統(tǒng)的比例越來(lái)越大，近年來(lái)我國(guó)新建的自升式鉆井平臺(tái)一般配備自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)，如“海洋石油941”“東方龍”“東方鳳”等。但是，中海油部分在用自升式鉆井平臺(tái)仍未配備自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)，如“南海一號(hào)”“海洋石油935”“海洋石油921”等。中國(guó)的半潛式鉆井平臺(tái)單井架鉆機(jī)一般不配備自動(dòng)化管具處理設(shè)備(如“南海二號(hào)”“南海五號(hào)”等)，僅有少數(shù)平臺(tái)(如“南海六號(hào)”)配套鐵鉆工、動(dòng)力卡瓦及半自動(dòng)排管機(jī)等設(shè)備，管具處理方案與移動(dòng)式老舊淺水鉆機(jī)和模塊鉆機(jī)類似。

總體來(lái)看，中國(guó)模塊鉆機(jī)配套的自動(dòng)化管具處理設(shè)備比較少，仍普遍使用傳統(tǒng)貓道及坡道、氣動(dòng)絞車吊運(yùn)管具進(jìn)行上下鉆臺(tái)操作。有的鉆機(jī)僅配套了鐵鉆工，新設(shè)計(jì)或者建造的鉆機(jī)也僅配置了鐵鉆工和二層臺(tái)機(jī)械手，僅減少了部分人力，在操作時(shí)仍舊需要人工協(xié)助參與，其主要不足有以下幾點(diǎn)：

1)仍舊是傳統(tǒng)的坡道，管具上鉆臺(tái)需要人工全面參與，無(wú)法實(shí)現(xiàn)管具自動(dòng)上鉆臺(tái)；

2)管具從貓道上鉆臺(tái)后，由頂驅(qū)吊卡吊起，但管具下端仍舊采用工人扶持的方式，沒(méi)有配套自動(dòng)化扶持緩沖設(shè)備；

3)配套了二層臺(tái)機(jī)械手，避免了工人需要上二層臺(tái)拉管具的操作，但是下部管具扶持?jǐn)[放在鉆臺(tái)立根盒中仍舊需要工人去推扶操作，沒(méi)有自動(dòng)化扶持機(jī)械手設(shè)備；

4)鉆臺(tái)面自動(dòng)化程序較低，缺少自動(dòng)化的鼠洞及泥漿收集盒等設(shè)備；

5)由于鉆機(jī)配套設(shè)備的自動(dòng)化程度低，操作管具需耗費(fèi)工人大量的體力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定工作流程的一鍵式操作。

3.3 鉆井液混配與處理系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)鉆井液混配與處理系統(tǒng)包括鉆井液混合、配置和處理系統(tǒng)。鉆井液混合系統(tǒng)一般配有混合漏斗、混合器、混合泵、剪切泵、攪拌器等，其設(shè)備的開啟關(guān)閉控制、管路上閥門的開啟關(guān)閉控制均需要人工手動(dòng)操作。

鉆井液散料輸送系統(tǒng)包括散裝罐、壓縮空氣系統(tǒng)、緩沖罐、測(cè)量與控制系統(tǒng)等。罐裝散料存儲(chǔ)在散料存儲(chǔ)罐中，存儲(chǔ)罐中的散料通過(guò)壓縮空氣吹送到緩沖罐內(nèi)，再由緩沖罐添加到混合漏斗中，添加混合到泥漿罐中，實(shí)現(xiàn)鉆井液的配置、加重等。散裝存儲(chǔ)罐的底腳帶有稱重裝置，能夠稱量罐中儲(chǔ)存的散裝材料重量。存儲(chǔ)罐頂部安裝測(cè)深開關(guān)，稱重傳感器和測(cè)深開關(guān)分別把重量信息和物料深度系統(tǒng)傳送到灰罐就地控制盤，同時(shí)在就地控制盤上設(shè)置有物料高報(bào)警。在模塊鉆機(jī)上配置的罐裝散料輸送系統(tǒng)上管路閥門均采用手動(dòng)控制，需要人工開啟和關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)散料輸送。該系統(tǒng)雖然自動(dòng)化程度不高，但通過(guò)灰罐和緩沖罐的就地控制盤可以實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)散料重量和物料高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

模塊鉆機(jī)的固控系統(tǒng)一般由振動(dòng)篩、除氣器、除砂器、除泥器、離心機(jī)等設(shè)備組成，設(shè)備及管路上閥門的的開啟和關(guān)閉均需人工手動(dòng)操作。目前，中海油模塊鉆機(jī)固控系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)廠家較多，中海油研究總院2019年研發(fā)成功的四位一體鉆井液處理設(shè)備集振動(dòng)篩、除氣器、除砂器、除泥器功能于一體[18]，逐步開始海上應(yīng)用，但其遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制功能尚處于研發(fā)階段。

目前，在固控系統(tǒng)和鉆井液混合方面，中國(guó)模塊鉆機(jī)未采用自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)方式。散料輸送系統(tǒng)、鉆井液混合、固控系統(tǒng)都需要人員手動(dòng)操作，需要操作人員具備鉆井管匯和閥門布置知識(shí)基礎(chǔ)，在鉆井過(guò)程中依靠經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人判斷來(lái)確保系統(tǒng)正確操作，鉆井效率易受到操作人員數(shù)量和操作效率的影響，操作人員所處的HSE環(huán)境有進(jìn)一步提升的需求，在鉆井液密度自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)混合和自動(dòng)傳輸方面沒(méi)有成功應(yīng)用案例。

3.4 原因分析

中國(guó)海上模塊鉆機(jī)屬油公司資產(chǎn)，在平臺(tái)上主要用于油田初期開發(fā)井作業(yè)和后期修井作業(yè)，相對(duì)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)鉆井和修井作業(yè)頻率較低，在模塊鉆機(jī)整個(gè)壽命周期中存在大量的閑置時(shí)間，而昂貴的自動(dòng)化設(shè)備購(gòu)置和后期維保成本對(duì)油公司來(lái)講是一個(gè)重要的考慮因素，這在一定程度上限制了自動(dòng)化技術(shù)在模塊鉆機(jī)上的工業(yè)應(yīng)用。

相對(duì)國(guó)外來(lái)講，過(guò)去的幾十年中中國(guó)一線作業(yè)人員人力資源成本相對(duì)較低，同時(shí)大部分自動(dòng)化設(shè)備的鉆完井作業(yè)效率并不具備顯著的提效效果，甚至有的自動(dòng)化設(shè)備還需配置國(guó)外服務(wù)隊(duì)伍，在響應(yīng)時(shí)間上不能滿足油公司快速恢復(fù)正常作業(yè)的具體需求。

模塊鉆機(jī)在相對(duì)熟悉的地層進(jìn)行開發(fā)井作業(yè)，與所在的生產(chǎn)平臺(tái)接口較多，鉆機(jī)所消耗的柴油、壓縮空氣、水、電等均由生產(chǎn)平臺(tái)提供。模塊鉆機(jī)置提升系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備參數(shù)冗余度較小，占地面積相對(duì)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)較小，這也在一定程度上限制了自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用。

4 模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展方向展望

4.1 擁抱高集成度司鉆操作系統(tǒng)

隨著鐵鉆工、動(dòng)力二層臺(tái)、動(dòng)力卡瓦、緩沖機(jī)械手等自動(dòng)化設(shè)備普及應(yīng)用和智能區(qū)域管理系統(tǒng)不斷發(fā)展應(yīng)用，鉆機(jī)司鉆功能較傳統(tǒng)鉆機(jī)司鉆大為增加，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和鉆井工藝參數(shù)，單司鉆操作系統(tǒng)已不適應(yīng)現(xiàn)代化鉆機(jī)的安全高效作業(yè)需求，模塊鉆機(jī)配置高集成度的司鉆操控系統(tǒng)必然成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。以寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司2021年開發(fā)的二代自動(dòng)化鉆機(jī)為例，上鉆桿、接單根、下鉆等動(dòng)作流程實(shí)現(xiàn)了一鍵式操作，中間無(wú)需增加人工干預(yù)。鉆機(jī)配套集成控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電子司鉆智能控制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)管柱的自動(dòng)化處理及鉆機(jī)設(shè)備的整體監(jiān)控自動(dòng)化控制，大大提高鉆機(jī)自動(dòng)化水平和作業(yè)安全性[19]。

4.2 發(fā)展視覺(jué)識(shí)別與測(cè)量技術(shù)

視覺(jué)識(shí)別與測(cè)量技術(shù)[20]是指使用攝像頭、檢測(cè)計(jì)算機(jī)、軟件實(shí)時(shí)計(jì)算檢測(cè)目標(biāo)鉆井設(shè)備周圍是否有干涉物并及時(shí)進(jìn)行控制，進(jìn)而保證鉆臺(tái)各項(xiàng)自動(dòng)化系統(tǒng)平穩(wěn)有序高效工作，為管具自動(dòng)化處理設(shè)備提供更精確和高效的技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)還可與井下測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，形成隨鉆多參數(shù)測(cè)量及井場(chǎng)智能化裝備、智能閉環(huán)自主控制技術(shù)與裝備等[21]。目前NOV公司在排管機(jī)方面有商業(yè)化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)北京JJC、四川宏華、寶石機(jī)械等在視覺(jué)識(shí)別方面做了相關(guān)的研究工作，該項(xiàng)技術(shù)依然應(yīng)用前景廣闊。

4.3 普及鉆井液自動(dòng)混配技術(shù)

自動(dòng)混漿控制系統(tǒng)在鉆井液自動(dòng)混配技術(shù)在高端移動(dòng)式鉆井裝置上應(yīng)用較多，目前在線密度監(jiān)測(cè)、配套PLC控制、高性能計(jì)算器等配套技術(shù)已比較成熟。江漢石油管理局第四機(jī)械廠和長(zhǎng)江大學(xué)曾多次對(duì)鉆井液快速自動(dòng)混配系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)化實(shí)踐[22]。展望“十四五”及未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，井下早期溢流檢測(cè)和井下數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)將有效解決中深層壓力異常導(dǎo)致的泥漿窗口窄等問(wèn)題[23]。由于海上模塊鉆機(jī)建造成本和占地面積受限等實(shí)際原因，鉆井液自動(dòng)混合與配置系統(tǒng)至今并未在模塊鉆機(jī)上應(yīng)用。但是海上高昂的用工成本以及更為友好的鉆井液操作環(huán)境需求都對(duì)模塊鉆機(jī)鉆井液自動(dòng)混配系統(tǒng)提出了新需求，閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆井液性能的混配系統(tǒng)必將成為下一步發(fā)展方向。

4.4 發(fā)展控壓一體化鉆機(jī)

控壓鉆井技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，近年在國(guó)內(nèi)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)上得到一定程度的應(yīng)用，并且取得了良好的應(yīng)用效果，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在南海某探井項(xiàng)目中提速20%。隨著中國(guó)海油向中深層開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，地層壓力異常、鉆井液窄窗口等問(wèn)題愈發(fā)突出。模塊鉆機(jī)建造時(shí)將壓力控制鉆井裝置配置在模塊鉆機(jī)內(nèi)部，該裝置的控制系統(tǒng)與鉆機(jī)控制系統(tǒng)相融合，使常規(guī)模塊鉆機(jī)成為控壓一體化鉆機(jī)。這種控壓一體化鉆機(jī)可以滿足上述中深層地層鉆井提速需求，同時(shí)降低儲(chǔ)層損害程度，提高鉆井時(shí)效，降低海上鉆完井作業(yè)成本。

4.5 建設(shè)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2012年寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司開始了鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建工作，并在2019年嘗試了基于云平臺(tái)的鉆機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷，為鉆機(jī)的預(yù)知維修和按需維修提供數(shù)據(jù)支撐[24-25]。隨著我國(guó)海上油氣田的大規(guī)模開發(fā)，目前中海油模塊鉆機(jī)保有量已經(jīng)達(dá)到80余座，這些模塊鉆機(jī)的維修和保養(yǎng)已成為一個(gè)重要問(wèn)題。模塊鉆機(jī)在作業(yè)和維保期間通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)設(shè)備主要參數(shù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障遠(yuǎn)程診斷、剩余壽命預(yù)測(cè)、設(shè)備配件區(qū)域共享等功能，這為鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化操作、降低事故發(fā)生概率、減少海上鉆完井作業(yè)成本提供了有效技術(shù)手段。

5 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)研分析了中國(guó)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)集成操作控制系統(tǒng)、管具自動(dòng)化處理系統(tǒng)、鉆井液混合配置和處理系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為模塊鉆機(jī)操作對(duì)人工依賴性較強(qiáng)，自動(dòng)化技術(shù)尚處于初級(jí)應(yīng)用階段。通過(guò)對(duì)海上移動(dòng)式淺水鉆機(jī)相比，指出了集成操作控制系統(tǒng)和管具自動(dòng)化處理系統(tǒng)作為常規(guī)技術(shù)已得到大規(guī)模普及應(yīng)用；通過(guò)對(duì)海上移動(dòng)式深水鉆機(jī)相比，指出了模塊鉆機(jī)在雙井架、自動(dòng)排管、鉆井液自動(dòng)混配等技術(shù)方面差距明顯。通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)模塊鉆機(jī)在雙司鉆集成操控系統(tǒng)、鉆井液混配、智能井控、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和視覺(jué)識(shí)別與測(cè)量等方面存在發(fā)展需求。隨著數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的不斷發(fā)展，中國(guó)模塊鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)將加快更新?lián)Q代步伐，滿足日益發(fā)展的海洋石油工業(yè)需求。