石油鉆機(jī)生產(chǎn)與智能控制系統(tǒng)研究

田德新

（山東科瑞機(jī)械制造有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、市場(chǎng)繁榮，使得石油資源的需求不斷提升，在石油開采不斷深入發(fā)展的背景下，對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求也隨之提升。在進(jìn)行石油開采生產(chǎn)過程中，石油鉆機(jī)的應(yīng)用屬于必不可少的設(shè)備，可促進(jìn)石油鉆機(jī)智能化水平的提升，本文就石油鉆機(jī)生產(chǎn)過程中存在的問題進(jìn)行分析，并探究引入智能系統(tǒng)的具體方式。

1 石油鉆機(jī)智能化發(fā)展背景

1.直流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用。電傳動(dòng)技術(shù)具有調(diào)速方便靈活、傳動(dòng)功能強(qiáng)等特點(diǎn)，在20 世紀(jì)末動(dòng)鉆機(jī)在我國(guó)開始制作和改進(jìn)。直流傳動(dòng)具有良好的性價(jià)比，占有一定的市場(chǎng)地位。變頻傳動(dòng)簡(jiǎn)化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了鉆機(jī)的穩(wěn)定性。鉆機(jī)智能化的發(fā)展需要直流和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷的提升技術(shù)（如圖1 所示）。

圖1 智能鉆井系統(tǒng)組成

2.石油鉆機(jī)工作方式。這個(gè)鉆井平臺(tái)由柴油發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)和替代能源供電。柴油發(fā)電機(jī)是一個(gè)舊的驅(qū)動(dòng)程序，使用數(shù)字控制，使多個(gè)單位一起工作。供電系統(tǒng)適用于電力資源充足的地區(qū)，但需要電力補(bǔ)償和諧波抑制裝置來提高用電的穩(wěn)定性。新能源驅(qū)動(dòng)模式是我國(guó)大發(fā)展的驅(qū)動(dòng)模式。由于地域條件的限制，這種驅(qū)動(dòng)模式難以推廣。驅(qū)動(dòng)方式的多樣性為鉆機(jī)的智能化提供了動(dòng)力支持。

3.石油鉆機(jī)智能化開發(fā)。智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了新的工業(yè)革命。智能技術(shù)在液壓系統(tǒng)控制、變頻系統(tǒng)控制、傳感器檢測(cè)、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，智能鉆井平臺(tái)已經(jīng)上市，以德國(guó)本特克公司生產(chǎn)的智能鉆機(jī)為例，智能鉆機(jī)可以把修井作業(yè)具體工作信息反饋給控制中心，自動(dòng)調(diào)節(jié)速度、流量、壓力等工作參數(shù)。國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)鉆井控制系統(tǒng)方面取得了很大突破，智能化發(fā)展也越來越迅速。

2 石油鉆機(jī)生產(chǎn)中存在的缺陷

當(dāng)前，自動(dòng)起下鉆技術(shù)可應(yīng)用于交流變頻小電機(jī)送鉆工作之中，該工作的應(yīng)用原理大都是依據(jù)傳感器進(jìn)行懸重信息數(shù)據(jù)及游車高度信息數(shù)據(jù)的選擇，以利用內(nèi)置程序開展計(jì)算分析，以最優(yōu)數(shù)值對(duì)石油鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)控。這一形式的應(yīng)用，可減少司鉆人員工作量，促進(jìn)鉆機(jī)工作自動(dòng)化水平的提升，但是由于鉆機(jī)程序中進(jìn)行了出廠預(yù)設(shè)值，使得其在不同環(huán)境下，鉆采工況的適應(yīng)能力也各不相同，從而缺少完善的控制系統(tǒng)，直接導(dǎo)致石油鉆機(jī)工作中停站及報(bào)警頻繁事故時(shí)有發(fā)生，其應(yīng)用中問題主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1 鉆井工作環(huán)境問題

鉆機(jī)打鉆的工作環(huán)境大都?xì)夂蜃兓鄻印h(huán)境惡劣、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度較高，包括沼澤區(qū)域、沙漠區(qū)域及嚴(yán)寒區(qū)域等地域，這直接對(duì)精密儀器的應(yīng)用質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，但是由于鉆井工作的應(yīng)用存在特殊性質(zhì)，工作地點(diǎn)不確定，所以必須在鉆探前對(duì)地址結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘探，成本投入較大。

2.2 鉆機(jī)工作狀態(tài)問題

鉆機(jī)打鉆的距離比較長(zhǎng)，最長(zhǎng)可高達(dá)上萬米，在距離不斷增加的情況下，鉆機(jī)的信號(hào)傳輸速度也會(huì)隨之下降，直接對(duì)自動(dòng)控制的判斷和響應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響，雖然鉆機(jī)在應(yīng)用過程中，將模糊控制模式引入了其中，但是，這一技術(shù)的應(yīng)用同時(shí)也受到發(fā)展水平的影響[1]。

3 提高石油鉆機(jī)的智能控制系統(tǒng)化程度的幾點(diǎn)對(duì)策

3.1 學(xué)習(xí)智能控制系統(tǒng)運(yùn)行

首先，鉆井的時(shí)候，這個(gè)區(qū)域被分成多個(gè)區(qū)塊用于鉆井。由于同一區(qū)塊的工作環(huán)境基本相同，環(huán)境變化引起的問題可以在一定程度上得到緩解。其次，引入學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，即模擬人的控制和調(diào)節(jié)機(jī)制，通過重復(fù)輸入信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使系統(tǒng)能夠響應(yīng)具體的輸入，逐步獲取實(shí)際工作環(huán)境的信息，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估、分類、決策和改進(jìn)。最后，智能控制系統(tǒng)的程度非常高。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的具體操作步驟如下:

（1）記憶學(xué)習(xí)。在鉆井過程中，記錄了不同地層的工作環(huán)境和特征，建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了地層變動(dòng)作業(yè)模型；（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過對(duì)勘探井作業(yè)過程數(shù)據(jù)的整理和編輯，結(jié)合作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了二次優(yōu)化，以滿足實(shí)際作業(yè)環(huán)境的需要；（3）自動(dòng)控制方式:鉆井采用半自動(dòng)控制方式，主要是自動(dòng)控制和輔助人工監(jiān)控，不僅降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且更接近實(shí)際工作環(huán)境；（4）設(shè)置偏差值:設(shè)置相關(guān)參數(shù)的允許范圍，當(dāng)超過允許范圍時(shí)，機(jī)器會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入手動(dòng)模式。

3.2 鉆井設(shè)備的智能控制

當(dāng)前應(yīng)用鉆機(jī)的情況下，生產(chǎn)商在完成送鉆工作以后，就會(huì)忽略應(yīng)用環(huán)境問題，這極大程度上會(huì)對(duì)石油鉆機(jī)的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生不利影響，依據(jù)實(shí)現(xiàn)輸入的程序，完成執(zhí)行、控制、測(cè)量等各部分內(nèi)容的工作，由于這一過程僅在通用環(huán)境下適用，一旦地質(zhì)結(jié)構(gòu)或者鉆探環(huán)境發(fā)生變化，無法有效開展針對(duì)性調(diào)整，無法適應(yīng)新的鉆探環(huán)境，最具代表性的鉆機(jī)為交流變頻小電機(jī)送鉆，其應(yīng)用過程中，鉆機(jī)頻率、扭矩、電流與電壓水平均屬于采集的重要參數(shù)，設(shè)備通過對(duì)泵壓實(shí)際數(shù)值及預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)之間的差異性進(jìn)行分析后，依靠總線發(fā)出相關(guān)治理，并開展數(shù)控程序信號(hào)的傳送，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)傳送，以實(shí)現(xiàn)鉆研自動(dòng)井下工作的目的，對(duì)鉆研的起伏變化情況進(jìn)行補(bǔ)償，以此保障鉆電機(jī)可在正常狀態(tài)下工作，但是這一鉆機(jī)應(yīng)用過程中，出廠設(shè)置無法進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整，直接導(dǎo)致其使用中一旦地形比較復(fù)雜，將會(huì)發(fā)生報(bào)警情況，對(duì)打鉆工作的正常開展產(chǎn)生不利影響[2]。在這一情況下，雖然采用了專家控制技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展控制，但是在惡劣條件下的應(yīng)用也極大程度受到制約，對(duì)石油行業(yè)自動(dòng)化發(fā)展產(chǎn)生制約作用。

4 優(yōu)化措施

打井過程中，必須對(duì)區(qū)塊進(jìn)行劃分，確保同一區(qū)塊內(nèi)的地貌特征及地質(zhì)環(huán)境相似，對(duì)地層變化所產(chǎn)生的困擾問題進(jìn)行改善，在同一區(qū)塊內(nèi)，井隊(duì)必須先開展鉆探，對(duì)不同地層的樣本信息進(jìn)行收集，以為鉆探提供參考依據(jù)，以更好的幫助學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)引入石油鉆探之中。學(xué)習(xí)控制屬于人類自身調(diào)節(jié)模擬的一種形式，其可依靠重復(fù)的進(jìn)行信號(hào)輸入，從外部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校正的目的，保持系統(tǒng)輸入對(duì)系統(tǒng)發(fā)生特定響應(yīng)，使其在運(yùn)行過程中，能夠?qū)Νh(huán)境及受控過程中的非預(yù)知信息進(jìn)行獲取，可在設(shè)置的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下開展決策、分類、估值和優(yōu)化，以此促進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的提升[3]。

在具體應(yīng)用過程中，首先，需要依靠其學(xué)習(xí)過程的開展，在鉆井過程中，機(jī)械會(huì)對(duì)不同底層的工作信息及鉆井特點(diǎn)進(jìn)行記錄，并對(duì)地層及操作之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行掌握，包括巖石層、泥沙層、土層及鵝卵石層等，其分別對(duì)應(yīng)不同的司鉆控制形式、懸重及泵充值。通過建立彼此對(duì)應(yīng)的聯(lián)系，可保障操作模式-地層變化的關(guān)系，并進(jìn)行機(jī)器記錄和傳感器數(shù)據(jù)記錄。其次，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在開展探井操作的過程中，必須整理和編輯相關(guān)數(shù)據(jù)，依靠成熟司鉆的控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其開展二次優(yōu)化處理，以此獲取操作邏輯判斷和對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系，以對(duì)工程狀況提出具體要求。在此過程中，必須保障其能夠在復(fù)雜的地址條件下，結(jié)合自動(dòng)化發(fā)展水平，盡可能的建立適應(yīng)工況的控制方式，對(duì)個(gè)性問題進(jìn)行解決，以促進(jìn)自動(dòng)控制發(fā)展水平的提升，通過建立在某一具體情況上的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在完成探井作業(yè)以后進(jìn)行過程優(yōu)化，以保障其鉆探針對(duì)性的增強(qiáng)。此外，采用半自動(dòng)控制模式，在同一區(qū)塊內(nèi)部施工過程中，必須將自動(dòng)控制作為主要形式，將人員監(jiān)督與管理作為次要方式，對(duì)打度進(jìn)行控制，以保障其能夠與實(shí)際情況相符合，做出本土化的決策。進(jìn)行偏差值的設(shè)計(jì)，對(duì)跳鉆機(jī)溜鉆的范圍進(jìn)行確定，一旦超過這一氛圍，及時(shí)報(bào)警，并進(jìn)入手動(dòng)模式，由工作人員對(duì)下一步進(jìn)行具體控制，待其回到控制范圍以后，開展原工作模式，以此依靠人機(jī)切換方式開展鉆探工作。

5 結(jié)語

綜上所述，石油企業(yè)想要安全生產(chǎn)，不斷提升生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益，就必須重視自動(dòng)化設(shè)備的引入，通過智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，保證石油鉆機(jī)能適應(yīng)不同的鉆探環(huán)境，提升鉆探效率，并不斷向著無人值守、無人作業(yè)的方向發(fā)展，以保障石油企業(yè)在市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制下能夠立于不敗之地。