石油鉆井自動化技術探索

肖曉悅

（遼河石油勘探局通信公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機是油、氣田開發的鉆井設備，隨著鉆井方法、鉆井工藝的發展，鉆機裝備和技術也得到不斷地發展。當今，國內外廣泛采用的鉆井方法是旋轉鉆井法，相應的鉆井設備為轉盤旋轉鉆機。陸用轉盤鉆機是鉆井設備的基本型式，通常所說的鉆機指的就是這種鉆機，也可稱為常規鉆機，隨著海洋石油勘探、開發事業的興起，陸用鉆并設備和造船技術相結合，產生了一大批各種類型的海洋鉆井設備。

1 鉆機的組成

石油鉆機是由多種機器設備組成，具有多種功能的成套性聯合工作機組。它主要包括旋轉鉆進系統、鉆井液循環系統、鉆具起升系統、動力機組、傳動和控制系統、底座和其他輔助設備等。

鉆井工藝對石油鉆機的基本要求是：

(1)起下鉆具能力：為了起下鉆具及處理井下事故等，石油鉆機要有一定的起重能力和起升速度，這由鉆機的起升系統承擔。

(2)旋轉鉆進能力：為了帶動鉆具、鉆頭旋轉鉆進等，石油鉆機要有一定的轉矩和轉速。這由鉆機的旋轉系統承擔。

(3)循環洗井能力：為了保證正常鉆進、沖洗井底及攜帶巖屑等，循環鉆井液要有一定的壓力和排量。這由鉆機的循環系統承擔。

為了滿足鉆井工藝要求，整套鉆機必須具備下列各系統和設備。

（1）起升系統

起升系統在鉆井過程中的主要作用是起下鉆具、下套管、懸持鉆具和鉆頭送進等。這套設備由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統(鋼絲繩、天車、游動滑車及大鉤)和井架組成。這實質上就是一臺重型起重機。另外，還有用于起下鉆具操作的井口工具及機械化設備 (吊卡、卡瓦、動力大鉗、立根移運機構等)。

井架的作用是安放天車、懸掛游車、大鉤及專用工具(如吊鉗等)，在鉆井過程中進行起下鉆具和下套管的操作。另外，起下鉆具過程中，可用以存放立根，其能容納立根的總長度稱為立根容量。

游動系統(鋼絲繩、天車、游動滑車及大鉤)可以大大降低快繩拉力，從而大為減輕鉆機紋車在鉆井各個作業(起下鉆、下套管、鉆進、懸持鉆具)中的負荷和降低起升機組發動機應配備的功率。

鉆井絞車的作用是：用于起下鉆具、下套管;鉆井過程中控制鉆壓，送進鉆具，借助貓頭上、卸鉆具絲扣;起吊重物及進行其他輔助工作;整體起放井架。

（2）旋轉系統

旋轉系統在鉆井中的主要作用是帶動并中鉆具旋轉，并帶動鉆頭破碎巖石。旋轉系統包括的主要設備有轉盤和水龍頭。為實現鉆頭自動給進，現代鉆機配備有鉆具自動送進裝置。鉆井過程中，轉盤主要完成的工作是：轉動井中鉆具，傳遞足夠大的扭矩和必要的轉速;下套管或起下鉆時，承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量;完成卸鉆頭、卸扣與處理事故時倒扣、進扣等輔助工作。

水龍頭是提升、旋轉、循環3大工作機組相交匯的“關節”部件，它的主要作用是：懸持旋轉著的鉆桿柱，承受大部分以至全部鉆具重量；向轉動著的鉆桿柱內輸入高壓鉆井液。

2 鉆機和裝備的智能化、自動化

2.1 電子/智能鉆柱技術

美國Grant公司研制的智能鉆桿用銅導線輸送電能，可以根據井下硬件用電量大小的要求來確定輸電功率的大小。智能鉆柱的數據傳輸速率可達 104bDs、105bps和 106 bps，最大已達1.56*106bps。智能油管用光纖為主。智能鉆柱系統在井下采用分布式傳感器短節，將微處理器分別安裝在傳感器內部，然后通過耦合元件將微處理器信號耦合到電力線上，從而傳輸到地面傳感器。該系統采用傳輸直流電，如井下硬件需用交流電，可在井下硬件上增設逆變器DC／AC。

2.2 地質導向鉆井

地質導向鉆井是以井下實際地質情況和油藏特征來確定和控制井眼軌跡的鉆井技術。使用這一技術，可以精確控制井下鉆具，命中最佳地質油藏目標，使井眼避開地層界面和地層流體界面并始終位于產層內。地質導向鉆井是在井下定向控制自動化鉆井系統的基礎上將隨鉆測量儀(MWD)改為隨鉆測井儀(LWD)，而LWD僅是在MWD的系統中加上若干用于地層評價的參數傳感器，如電阻率、自然伽馬、方位中子密度、聲波、補償中子密度等。有的隨鉆測井儀還增加了溫度、井底鉆壓與扭矩、井下動力鉆具轉速等傳感器，使地質導向鉆井技術成為具有隨鉆定向測量、隨鉆地層評價測井和隨鉆錄井與自動導向鉆井的國際高新先進技術。地質導向鉆井技術特別適合在薄產層和高傾斜產層中鉆水平井。對于這樣的產層，使用常規方法控制井眼軌跡很難命中最佳地質目標，而使用隨鉆定向測量和隨鉆地層評價測井數據進行地質導向鉆井，可以隨時知道鉆頭周圍幾米范圍內的地質油藏特征和鉆頭與地層界面或地層流體的相對位置，因此可以控制鉆具始終在油氣藏中間鉆進。

地質導向的基本方法是在井設計階段使用試驗井或鄰井的測井數據進行計算機模擬，得出新設計井的模擬測井數據以及對將鉆各個地層的各種響應。在鉆井過程中，將井下隨鉆測量工具發送到地面的實際測井數據與各個模擬數據相對比，看它們是否一致。如果模擬數據與隨鉆實測數據一致，就說明井眼命中了最佳地質目標，否則就說明應該按井下實際地質油藏特征修正或改變井眼軌跡。修正或改變井眼軌跡也是靠旋轉導向裝置來完成的。地質導向鉆井技術大大提高了油層鉆遇率、鉆井成功率和采收率，從而實現了增儲上產，節約了鉆井成本。

2.3 鉆機自動化

自動化鉆井包括并下自動化和地面鉆機自動化兩大方面。井下自動化將依靠井下閉環自動控制系統來實現，地面鉆機自動化將依靠地面閉環自動控制系統來實現。近年來，國外一些公司一直在圍繞這兩大方面進行大力研究，并取得了重大突破和實質性進展。在井下定向方面，一些公司研究出了井下定向控制自動化鉆井系統 (也稱旋轉導向鉆井系統)，主要包括：鉆頭、旋轉導向裝置、隨鉆測量儀(MWD)。在旋轉導向裝置內，預設有井眼設計軌跡數據和若干控制指令。當近鉆頭傳感器和MWD的探管測到的井斜、方位值送回導向裝置與預設的設計值進行比較，其偏差超過規定范圍時，導向裝置中的電子控制模塊發生相應控制指令，使非旋轉導向外套上的3個導向翼板按指令進行徑向伸出或縮人，當其中一個或兩個翼板不同程度地伸出而另一個翼板縮入時，便會產生所要求的糾斜率，使所鉆的井眼軌跡符合設計的井眼軌跡，從而完成“井下閉環”。同時，MWD將工程參數的測量值經井下脈沖發生器向上傳輸至地面，由地面傳感器檢測送至地面儀器房內的信號處理裝置進行處理，再傳送至地面主控計算機供操作者進行分析、判斷和決策。操作者可將決策指令經由信息下傳通道發送給導向裝置，從而又完成了一個由井下一地面一井下的“閉環”。

結束語

實現數字化、信息化、自動化、智能化的鉆機。需具備完善的司鉆控制系統、鉆井參數系統、綜合錄井系統、遠程監控系統、在線監測系統、遠程故障診斷系統、鉆井專家系統、遠程安全應急系統、電、氣、液集成控制系統、鉆臺自動化機具系統、井眼軌跡自動化控制系統、隨鉆測量系統等。未來的鉆機，必將具備遠程操作、鉆井信息共享、鉆井全過程智能化控制功能，從而真正實現遠程支持、智能優化鉆井。

[1]張奇志.電動鉆機自動化技術.2006.

[2]朱云祖.自動化鉆井技術譯文集.1993.