石油鉆機電氣自動化系統研究

王亞妮

（四川宏華電氣有限責任公司，四川 成都 610036）

自動化鉆井是目前現代鉆井的最高水平，是一個多世紀以來眾多石油鉆井界一直追求與奮斗的目標。但長期以來，我國石油鉆機系統的自動化程度不高，導致鉆井效率低下，鉆井工人體力勞動量大，作業時發生事故的風險越來越高。隨著互聯網、計算機、自動控制技術的普及，石油勘探工作的不斷發展和石油鉆探技術的不斷進步，自動化系統在石油鉆機上的應用越來越普遍。

目前鉆井作業市場競爭日益激烈，各個國家鉆探公司都希望加快鉆井速度，縮短鉆井周期，同時保障安全作業，降低工人的勞動強度。由于鉆井工人大多是在高空作業，而且立根和吊卡都很重，操作非常費力，因而工作時精神緊張、壓力大、體力消耗也大，因此迫切要求改善勞動環境、提高自動化水平。所以石油鉆機的自動化、智能化勢在必行。

1 我國石油鉆機自動化技術現狀

目前，電動石油鉆機占據了國內外鉆機市場約90%的份額，其核心的交流變頻傳動和直流傳動技術已經成熟地應用于石油鉆機電控系統。

直流傳動鉆機電控系統主要包括柴油發電機組控制單元、直流傳動控制單元、司鉆操作控制單元、電磁剎車控制單元和交流電動機控制中心五個部分。由于當代石油鉆機傳動系統需要具有很高的動態響應和高過載能力，而直流電機換向器及電刷等維護工作量巨大，使其在降低轉動慣量和提高過載能力方面受到了很大的限制，不能滿足石油鉆機高速化、智能化的發展。

交流變頻傳動鉆機電控系統的柴油發電機組控制單元和交流電動機控制中心部分與直流控制系統基本相同。區別在于電機驅動和制動部分采用了先進的全數字變頻調速技術和直流斬波技術，使電機的調速性能更加優越，系統操控更加簡便，功率因數高，有效地提高了柴油發電機的使用功率，節能效果更加明顯。懸停技術的出現和自動送鉆技術的發展，徹底改變了傳統司鉆的操作方式，使交流變頻石油鉆機結構更加簡單，維護更簡便，效率更高。

2 自動化系統在石油鉆機上的應用

目前，各鉆探公司對HSE的要求越來越高，而且為了保障油氣資源勘探開發力度，提高我國石油鉆井裝備的核心競爭力，用戶對自動化機具的需求也越來越高。國內各個石油裝備廠家也都在研制各自的產品，如動力貓道、二層臺排管機、鐵鉆工、鉆臺面扶管機械手等。甚至有些公司在實現電控系統與自動化機具融合得基礎上開發出“一鍵聯動”系統，通過將二層臺排管機、鉆臺面扶管機械手、鐵鉆工、動力貓道以及液壓吊卡等自動化裝備的動作流程化、軟件化，讓自動化設備有序交叉作業，減少操作等待時間，司鉆僅需在關鍵步驟進行手動確認，簡化司鉆操作的同時降低了誤操作可能性。再配合鉆井區域安全管理，有效避免設備自動運行過程中的碰撞及管具掉落風險，從而實現管柱從地面、鉆臺面及二層臺一體化移運、接單根旋扣、松扣、鉆桿自動抓取及排放，系統起、下鉆效率能達到20柱每小時，達到了鉆臺面及二層臺作業少人化無人化，提高了工作效率及安全性，減少了人工勞作，鉆井作業更加安全、可靠、高效。

2．1 動力貓道

動力貓道屬于自動化管柱處理系統核心設備之一，可實現管柱堆場和臺面間自動輸送鉆桿、鉆挺和套管等。管柱一般包括鉆桿、套管等，通常運至井場后，是擺放在鉆臺前的平地上，如圖1所示。其在鉆井或修井過程中，使用動力貓道后，可實現管柱在排管架與鉆臺面之間的自動化輸送。動力貓道機在提高管柱輸送效率、減小工人勞動強度、增加鉆具輸送安全性、降低鉆井作業成本等方面優勢顯著。而且有些廠家動力貓道設備一次可以運送兩根或多根鉆具，大大提高了運送的效率。該設備適應陸地鉆井裝備自動化、智能化發展需求，適用于現役陸地鉆機升級改造和新鉆機配套，如圖2所示。

圖1 單根動力貓道

圖2 雙根動力貓道

2．2 二層臺排管機

二層臺排管機是針對起下鉆排管作業研制的自動化鉆機專用配套設備，是自動化管柱處理系統重要組成設備之一，安裝在井架上，通過司鉆房控制，完成管柱從二層臺指梁到井口中心的往復運動，有效替代了二層臺井架工，實現二層臺作業無人化，大大提升了起下鉆安全性。二層臺排管機主要由動力二層臺、二層臺機械手、視頻監控系統等組成，其中動力二層臺用于儲存鉆鋌和鉆桿，通過梁鎖保證管柱排放安全，而視頻監控系統則用于輔助司鉆判斷二層臺機械手和指梁鎖工作狀態以及二層臺機械手與液壓吊卡的管柱交接狀態。排放立根是鉆機在起下鉆過程中將卸開的立根排放入鉆臺上的立根盒中（起鉆）和從立根盒中取出立根送至吊卡鎖緊（下鉆）的作業，是一項危險、費力、緊張、壓力大的作業。因此，通過對建立根工藝的研究，設計了鐵鉆工和緩沖機械手等設備，實現了管柱在井口由單根連接為立根或由立根拆卸為單根，如圖3所示。通過司鉆房遠程控制二層臺機械手、鉆臺面扶管機械手、動力吊卡和卡瓦的協同作業，完成抓、取、送桿（管）一鍵操作，消除安全隱患，提升作業效率，二層排管機如圖4所示。

圖3 三鉗頭鐵鉆工

圖4 二層排管機

2．3 鐵鉆工

鐵鉆工是安裝在鉆臺面上進行上扣和卸扣的鉆井自動化工具，可以適應各種類型、各種尺寸的鉆具，它具有無線遙控模式和遠程有線操作箱兩種控制模式。由立柱總成、支撐臂總成、鉗體總成、旋扣器總成、液壓系統和電控系統等組成，結構緊湊，占用鉆臺面積小，不僅可應用于新制鉆機，也可用于已有鉆機的升級改造。該設備可以安全、快速、平穩地實現鉆具連接、松扣和緊扣。它集成了鉆臺上所有上扣卸扣工具的作用（液壓大鉗、B型鉗、套管鉗等），可以實現各種型號鉆具的上卸扣，大大提升了鉆井作業安全性和降低了作業人員的勞動強度，如圖5所示。為自動匹配上卸扣的管柱接頭高度，實現自動上卸扣，最新一代鐵鉆工配置了鐵鉆工鉗頭高度傳感器以及視覺識別系統，能夠自動識別當前管柱的接頭高度，從而自動運動到井口中心進行上卸扣作業，無需手動調節鐵鉆工高度。雖然視覺識別系統能夠有效提高鐵鉆工的自動化程度，但是其對惡劣天氣及鉆井施工環境的適應性還有待進一步提高。

圖5 雙鉗頭鐵鉆工

2．4 鉆臺面扶管機械手

早期，我國石油鉆井鉆臺面扶管主要是靠人工來完成，至少需要2－3名操作人員輔助進行上鉆桿、鉆桿進洞、拍立柱、下立柱等操作，不僅浪費人力，有時鉆桿的擺動幅度較大，使鉆桿傾倒，也會對人造成傷害。鉆臺面扶管機械手的出現大大改變了這一現狀，它是自動化管柱處理系統輔助設備之一，安裝于鉆臺面，可實現石油鉆井臺面鉆桿、鉆鋌和套管的排放、取出、立根等的自動化操作，也能適應坡道與貓道進行管柱上下鉆臺面扶管操作。其結構緊湊、可靠，自動化程度高，能夠一鍵調節鉗頭大小，輕松適應不同管徑，如圖6所示。鉆臺面扶管機械手替代了鉆臺面作業人員、降低了扶管作業的風險，但是其工作效率相對人工扶管較低，因此部分廠家為解決常規鉆臺面扶管機械手工作效率低下的問題，研發出了舉升式鉆臺面機械手，通過與二層臺機械手協同作業，實現管柱豎直移動，起下鉆效率提升5柱／小時以上，新鉆機和老舊鉆機改造均可適用。

圖6 鉆臺面扶管機械手

3 雙司鉆集成控制系統

近年來，隨著各鉆探公司對減員增效及HSE等方面要求的提高，作為鉆井運營商，還需要時刻保證鉆井現場生產運營的平穩高效。這就要求鉆機配備大量的自動化工具和先進的集成控制系統。然而，傳統方式下的現場與管理后方響應延誤，現場能源管理效率低下、資產和設備分布廣泛、過程可視化與透明度低下，這對鉆機的運營效率與項目管理提高十分不利。

為改變當前局面，雙司鉆集成控制系統成為各大設備廠家的首選。雙司鉆集成控制系統由兩套互為冗余的司鉆操作椅或一套一體化操控座椅加一套機具操作臺組成，集鉆機電、氣、液控制于一體，將系統控制和設備檔案信息識別融為一體。通過預設防碰互鎖子程序對管柱自動化設備進行防碰管理，同時輔以先進的AI系統，智能識別自動化設備工作區域內的操作人員，實現設備與工作人員的安全互鎖，極大提升了井場的設備和人員安全。同時，雙司鉆集成控制系統改變了原有司鉆房的布局模式，徹底改變了鉆機多個配套子系統相互獨立及配置重復的局面，將傳統的物理硬件和控制單元全集成到一體化座椅上；將傳統儀表、工業監視和設備參數設定全整合到前端操作顯示屏上，從而優化了控制界面，不僅降低了鉆機運營成本還大大提高了司鉆操作的舒適性。同時，鉆機遠程在線監測系統和典型故障輔助診斷系統的接入，也為現場設備維護提供了方便。

4 發展與建議

21世紀是信息技術快速發展的時代，隨著5G進入市場，全球的信息化、數字化、智能化正在加速發展，人類正面臨著一個智能化的新時代。伴隨著時代的前進，傳統的制造向“智造”轉型升級，蓬勃發展，迅猛異常。圍繞鉆井作業“省時、省人、省錢、省力”的生產需求，開展獨立建立鉆機模塊化、輕量化技術研究，為了突破“一鍵式”人機交互操控技術、遠程監測與診斷技術，早日實現和普及石油鉆機自動化和智能化技術，緊跟并超過國際先進技術步伐，讓我國石油勘探行業走向世界，參考國外一些標桿企業的做法，就國內鉆機自動化技術的發展提出如下建議：

4．1 鉆井設備自動化、智能化發展

現如今，雖然國內部分地面及井口已有自動化設備，但與NOV、AKER、MH、斯倫貝謝等公司相比在種類和型式上還有很大差距。未來的鉆井作業將實現智能化，鉆臺面、二層臺和固控等區域均不用人為干預，通過智能化的鉆機設備、作業機器人等代替人力完成作業任務，司鉆只需要通過遠程集中操控，即可完成所有地面和井下作業。而且通過鉆機遠程在線監測系統和典型故障輔助診斷系統的應用，大大提高現場維護、解決售后服務問題的工作效率。

4．2 鉆機信息化技術的發展

隨著遠程分析技術、無線網絡技術、遠程故障診斷及系統自適應技術的發展，石油鉆機也必將朝著信息化方向發展。通過傳感器網絡、物聯網，分析鉆井中所有的鉆井參數、鉆井位置、地層結構等將實時數據傳輸給遠程控制中心，通過自適應控制技術，快速數據分析和處理技術就可實現自動規劃和引導鉆井作業。未來的油氣勘探必將朝著鉆機作業無人化方向發展，真正實現智能鉆井。

4．3 鉆機電驅化節能減排

由于鉆機是油氣田開發的重要設備，而且屬于能耗大戶。一直以來，陸上石油鉆機大多是以柴油機作為動力源。但是這種動力方式利用效率低下，而且難免產生有害氣體，并伴隨有較大噪音。而鉆機電驅化以后，動力源以電能驅動為主，這樣不僅沒有了尾氣排放，大幅降低了能耗，還降低了噪音，節約了成本支出。

由于鉆井過程中載荷變化大、待機時間長，因此鉆機在使用過程中存在能量浪費。為降低鉆機能耗，可以利用超級電容蓄能技術，在鉆井過程中通過蓄能技術節約待機能耗、在下鉆過程中利用蓄能技術實現能量回收，同時實現輔助剎車功能。還可利用合理的能量調度策略實現能量的合理儲存、調配與利用，進一步系統節能。

4．4 鉆機國產化進程

為了提升產業鏈、供應鏈穩定性和競爭力，需要進一步提高我國石油鉆機國產化供給。變頻器、PLC系統、自動化機具，旋轉導向等應該盡快進行國產化研發，掌握關鍵核心技術，打破國外技術壁壘，形成具有我國自主知識產權的自動化鉆機設計制造技術。這對我國鉆井全產業鏈的自動化、數字化轉型，保障國家能源產業鏈、供應鏈自主可控具有非常重要的意義。

5 結論

作為國家戰略的基礎，油氣工程裝備，特別是海洋油氣生產裝備，是先進制造技術、信息技術和新材料技術等高新技術的綜合體，而石油鉆機又是油氣開發的重要設備。石油鉆機作業是一項復雜的系統工程，涉及到電、氣、液等各個專業。為了提升鉆機的自動化及智能化水平，需要各個配套廠家及專業公司來共同協作，共同攻克難關，在國際油氣裝備制造的高地上不斷攀登。我們堅信，中國制造，中國創造，一定會站在世界之巔。