石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的研究

楊中興，王德余，王基龍

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300450；2.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100028）

石油是非常重要的資源，石油技術(shù)是獲得石油的最佳途徑。石油鉆采設(shè)備是一種大型機(jī)電設(shè)備，其性能與自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，石油鉆探技術(shù)已逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化改造。通過(guò)增加先進(jìn)的智能控制模式，石油鉆探技術(shù)的生產(chǎn)效率得到了全面提高。隨著石油鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，石油鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、傳輸方式和運(yùn)輸方式發(fā)生了重大變化。有機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、電動(dòng)鉆機(jī)、船用模塊化鉆機(jī)、沙漠高速行進(jìn)鉆機(jī)和垂直提升鉆機(jī)。為了進(jìn)一步提高石油鉆機(jī)的整體性能，有必要不斷增加對(duì)相關(guān)自動(dòng)化技術(shù)的研究。

1 石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀

自動(dòng)化技術(shù)是石油鉆機(jī)的核心技術(shù)，它直接關(guān)系到鉆機(jī)的整體性能，對(duì)油氣資源的開(kāi)采效率有一定的影響。下面以市場(chǎng)占有率最高的電動(dòng)鉆機(jī)為例，簡(jiǎn)要介紹石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀。

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種相對(duì)先進(jìn)的傳動(dòng)技術(shù)，也稱為電傳動(dòng)，具體是指如何將電動(dòng)機(jī)用作驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力機(jī)械。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)和自動(dòng)控制單元組成。當(dāng)前，大多數(shù)石油鉆機(jī)基本上都使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其核心是變頻驅(qū)動(dòng)。在這一領(lǐng)域，中國(guó)進(jìn)行了大量研究并開(kāi)發(fā)了其產(chǎn)品。但是，由于各種因素影響，該產(chǎn)品的本地化尚未得到廣泛使用。

（2）PLC技術(shù)。PLC代表可編程邏輯控制器。由于其穩(wěn)定可靠的性能和自動(dòng)編程功能，已被廣泛用于工業(yè)控制中。近年來(lái)，PLC已被引入到石油鉆機(jī)中，并逐漸成為石油鉆機(jī)的主要控制系統(tǒng)。德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的S7系列PLC產(chǎn)品基本應(yīng)用于石油鉆機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)早期的S7系列產(chǎn)品具有啟動(dòng)和停止現(xiàn)象。為了解決此問(wèn)題，新一代PLC產(chǎn)品具有兩組功能強(qiáng)大且功能強(qiáng)大的處理器，并且可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換兩組處理器。通過(guò)解決原來(lái)的PLC問(wèn)題，極大地提高了石油鉆機(jī)的工作效率。

（3）能源多樣化。在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)電能的需求比較高，電源性能必須穩(wěn)定可靠。石油鉆機(jī)主要使用柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的并網(wǎng)，形成局部電網(wǎng)，為鉆機(jī)的電氣設(shè)備和系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。

（4）變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。討論傳統(tǒng)晶閘管整流技術(shù)的現(xiàn)狀。在采油技術(shù)的不斷發(fā)展過(guò)程中，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)已進(jìn)入生產(chǎn)過(guò)程，并且該生產(chǎn)過(guò)程已被廣泛使用，特別是在機(jī)械設(shè)備中。通過(guò)傳動(dòng)和調(diào)速的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)份額。這部分內(nèi)容對(duì)采油操作非常重要，其本身的操作價(jià)值很高，整體性能非常重要。但是，就目前的情況而言，一些進(jìn)口逆變器仍占主導(dǎo)地位。電機(jī)可以展現(xiàn)自己的價(jià)值和出色的性能，但在整體技術(shù)和可靠性方面不亞于其他鉆機(jī)。因此，國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)的推廣面臨許多困難和困難，應(yīng)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用，并應(yīng)擴(kuò)大應(yīng)用范圍和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，根據(jù)傳輸模式，機(jī)器的使用可分為多驅(qū)動(dòng)器和單驅(qū)動(dòng)器。多個(gè)驅(qū)動(dòng)器在結(jié)構(gòu)和成本方面均具有優(yōu)勢(shì)，而單個(gè)驅(qū)動(dòng)器具有兼容性強(qiáng)且成本低的優(yōu)勢(shì)。

2 當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)存在的問(wèn)題

（1）自動(dòng)化系統(tǒng)的一體性不足。目前，國(guó)內(nèi)主要的鉆機(jī)制造商基本上生產(chǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，而其他設(shè)備，油井動(dòng)力和視頻監(jiān)控系統(tǒng)均由第三方生產(chǎn)。盡管這種精細(xì)的分工在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但從技術(shù)角度來(lái)看也有一些劣勢(shì)。上述外圍設(shè)備制造商生產(chǎn)的子系統(tǒng)在原理，接口和外部尺寸上都不同。更重要的是，由于它們是獨(dú)立的并且彼此匹配，因此它們很容易引起諸如重復(fù)配置和接口不兼容之類(lèi)的問(wèn)題，這可能給鉆機(jī)的用戶和總承包商帶來(lái)特定的問(wèn)題。以絞車(chē)卷筒的編碼器為例，為了檢測(cè)吊鉤速度和行駛位置信息，必須分別安裝儀器系統(tǒng)，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)字顯示防撞裝置，測(cè)井設(shè)備和測(cè)井設(shè)備。如果可以進(jìn)行集成計(jì)劃信息共享，將會(huì)更加方便。

（2）電機(jī)定制化開(kāi)發(fā)不足。鉆井泵，絞車(chē)，轉(zhuǎn)盤(pán)和其他設(shè)備設(shè)備應(yīng)由大功率交流變頻或直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且鉆井電動(dòng)機(jī)主要由專(zhuān)業(yè)支持公司開(kāi)發(fā)。因此，當(dāng)為單個(gè)項(xiàng)目提出定制改進(jìn)或設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)大訂單的需求不足以激勵(lì)制造商，并且存在某些瓶頸。

（3）高防護(hù)等級(jí)等特殊電機(jī)存在壁壘。對(duì)于海上模塊化鉆機(jī)，按照船級(jí)社的要求，室外電氣設(shè)備（如甲板）的防護(hù)等級(jí)不應(yīng)低于IP56。目前，在中國(guó)，由于散熱等問(wèn)題，在中國(guó)很難開(kāi)發(fā)這種高等級(jí)的保護(hù)電動(dòng)機(jī)，并且只能通過(guò)進(jìn)口來(lái)解決，從而導(dǎo)致成本增加和交貨期延長(zhǎng)。

（4）缺乏一體化設(shè)計(jì)。電動(dòng)機(jī)頻繁移動(dòng)的模塊化鉆機(jī)對(duì)絞車(chē)和鉆井泵的數(shù)量有嚴(yán)格的限制。因此，基于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，還需要電動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)。但是，國(guó)內(nèi)汽車(chē)供應(yīng)商通常對(duì)這些定制產(chǎn)品不感興趣。所以我國(guó)相關(guān)企業(yè)還是需要擁有自己的電機(jī)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)能力。

3 當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展建議

（1）注意自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)對(duì)石油鉆探技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用影響很大。目前，中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管弦和地面鉆探設(shè)備的自動(dòng)化，但與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在很大差異。當(dāng)然，中國(guó)的鉆井設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平也在不斷提高，已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)得到推廣，也有效提高了鉆井設(shè)備自動(dòng)化的應(yīng)用效果。相關(guān)人員應(yīng)事先制定最科學(xué)合理的工作流程，善于自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用和推廣，并注意挖掘設(shè)備在使用過(guò)程中的安全性和可靠性。在開(kāi)發(fā)各種自動(dòng)化工具時(shí)，有必要注意應(yīng)用程序的可靠性，以更好地滿足企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求。

（2）專(zhuān)注于集成控制技術(shù)的研發(fā)。集成控制技術(shù)已應(yīng)用于鉆機(jī)，以避免在現(xiàn)有作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)多的人力和能源消耗問(wèn)題。目前，中國(guó)鉆機(jī)技術(shù)中使用的各種鉆機(jī)和電動(dòng)機(jī)基本是獨(dú)立運(yùn)行的。在實(shí)際的操作過(guò)程中，需要進(jìn)行人工調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)操作與信息技術(shù)之間的集成管理和存儲(chǔ)，并且不能實(shí)現(xiàn)較大的缺陷下的數(shù)據(jù)和信息共享，這在一定程度上影響了鉆井設(shè)備的后續(xù)工作。平穩(wěn)的發(fā)展也影響了鉆機(jī)的正常運(yùn)行。因此，有必要不斷地對(duì)此進(jìn)行研究，以提高鉆井設(shè)備的自動(dòng)化程度。相關(guān)研究人員應(yīng)注意鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，以促進(jìn)鉆井技術(shù)的快速改進(jìn)和發(fā)展。

（3）專(zhuān)注節(jié)能技術(shù)研發(fā)。根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)表明，無(wú)論是實(shí)際的鉆井技術(shù)還是石油資源開(kāi)采過(guò)程，都存在大量的能源消耗問(wèn)題，在某種程度上是浪費(fèi)石油資源。因此，我們需要加大節(jié)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。例如，在變頻絞車(chē)的實(shí)際應(yīng)用中，熱能的供應(yīng)主要是通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。為了實(shí)現(xiàn)此過(guò)程的節(jié)能效果，超級(jí)電容器可以循環(huán)使用，以不斷提高鉆井作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率。傳統(tǒng)采礦技術(shù)的過(guò)度能源消耗得到了很好的改善和補(bǔ)償，自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)的有效性也在不斷提高。

（4）專(zhuān)門(mén)的故障診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。連續(xù)鉆機(jī)后續(xù)增值服務(wù)專(zhuān)家故障診斷系統(tǒng)可以對(duì)鉆機(jī)在實(shí)際工作中的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行收集和分類(lèi)，并以無(wú)線傳輸?shù)男问綄⑵鋫鬏斀o鉆機(jī)制造商和鉆機(jī)管理部門(mén)。該系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)需要更換或維修的設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)和分析，以改善鉆機(jī)的故障保護(hù)能力。這使施工人員可以提前計(jì)劃設(shè)備維護(hù)，并使制造商有時(shí)間制造配件而不會(huì)延遲設(shè)備更換。美國(guó)NOV的“eHawk”優(yōu)化服務(wù)可以被視為具有代表性的工作之一，可以提供在線技術(shù)支持，錯(cuò)誤分析，遠(yuǎn)程維護(hù)和其他功能。該技術(shù)可以看作是設(shè)備制造商全面服務(wù)水平的主要體現(xiàn)，并且在鉆機(jī)的整個(gè)生命周期中都得到了實(shí)施。

4 結(jié)語(yǔ)

石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程和設(shè)備維護(hù)與檢查的自動(dòng)化，在一定程度上節(jié)省人力和物力，還可以有助于提高石油鉆機(jī)的性能以及各方面的實(shí)際效率和質(zhì)量。因此，我們需要重視石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的研究，加快新產(chǎn)品的研發(fā)，逐步縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距。