石油鉆井機械鉆速扭矩自動控制方法分析

夏斌，蔡冰，賈榮榮

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

石油資源作為我國經濟的重要組成，也是人們需求量最大的一種能源物資，石油開采的速度也決定著石油資源帶來的經濟發展，我國目前的石油鉆井速度較為緩慢，而鉆井速度的快慢也決定著石油企業在市場中的占有率，為了更好的實現經濟的增長，需要加強對石油鉆機機械鉆井速度的控制和提升，而且影響速度的因素也有很多，為了更好的分析并解決這些問題，必須進行鉆井技術優化。因此，根據采油企業的需要，結合筆者多年的工作經驗，開展加快采油速度的技術攻關工作，對提高采油效率具有重要意義。

1 石油鉆井自動化核心技術的應用

目前石油鉆井行業的核心技術主要集中在3個方面，

一是智能勘探技術，二是虛擬儲存技術，三是自動控制技術，這3 種技術應用于一體，可以實現石油鉆井行業的質量提升，提高石油鉆井行業的開采效率，為國家帶來更多的利益。

1.1 智能勘探技術

鉆井勘探技術是鉆井行業的一個核心技術，能夠有效的實現更細致的勘探，便于鉆井行業的施工，同時也能夠提升鉆井行業的開采質量，并且為鉆井行業的后續工作，提供一定的理論基礎支持，而智能勘探技術可以從3個方面進行細致的勘探。

一是利用智能勘探技術，可以實現需要開采位置的快速定位。利用智能勘探技術實現開采位置的定位，可以有效的降低時間成本，應用GPS 衛星定位技術，可以查看開采位置的油氣分布位置，為后續開采制定良好的開采計劃，便于石油開采企業的施工，降低時間成本，提高位置準確率，可以進一步擴大石油企業的利潤空間。

二是自動化技術可以使調查更加全面。例如，在石油和原油資源的勘探中，可以在鉆井作業建設過程中，利用各種制導技術，有效檢測200m 深度以內的原油分布，并結合高清技術的使用。有效地保證了調查的質量。此外，員工可以根據返井的實際情況，利用自動化技術，分析原油資源的開發價值，為后期的各項作業做好準備。

三是利用智能勘探技術，可以更高效地進行數據分析，整合數據，集成數據，為后續開采提供有效的理論支持，并且分析出該井需要利用的一些技術，從而提高鉆井勘探的準確率，以此來實現鉆井行業自動化水平的提升。

1.2 虛擬存儲技術

云計算和云儲存的出現，為石油公司的發展提供了更好的平臺，通過計算機云儲存數據庫的構建，可以將施工數據儲存在計算機中，便于下一次的更好利用，從而實現石油鉆井行業的智能化發展，虛擬儲存技術具有以下優勢。

一是可以實現數據的動態延展。傳統的數據儲存中只能進行固定的儲存，數據使用時具有一定的局限性，不夠方便靈活，利用虛擬儲存技術，可以更靈活的進行數據的編輯儲存和整理，同時還能進行計算機資源的更好利用，數據儲存也處于中動態狀態，可以進行數據的實時更新，方便于數據的利用。

二是虛擬儲存技術，可以實現數據的分層整理處理和應用，通過虛擬儲存技術中的分層應用技術的特點，可以實現不同數據的分層整理，建立垂直向的數據庫，從而實現數據的搜索，每一層數據庫的儲存可以利用不同的標準進行管理，通過云計算的編程，不同的施工部位內容，不同的施工數據，最終實現鉆井行業的安全開發，提升鉆井行業的數據利用率。

三是虛擬儲存的數據出錯率較低，利用虛擬儲存技術，可以實現各種數據的儲存，并且保證數據儲存的安全性，預防數據出錯，提高數據儲存的準確率，同時如果利用計算機進行數據儲存時，當受到病毒威脅的時候，數據庫會啟動自動保護模式，從而降低數據庫的損失率，并保證數據的完整性。

1.3 自動控制技術

石油鉆井行業的自動化技術應用，可以提高行業的開采水平和效率。而自動控制技術是自動化的核心技術之一，在石油開采行業中可以體現在以下三個方面。

一是可以實現鉆井作業的自動駕駛。通過自動控制技術可以減少人力成本的輸出，并提高石油鉆井行業的安全性，同時可以預防和應對在石油開采過程中遇到的各種問題，每個環節都可以利用程序設計的方式，減少出錯率，并更好地提升石油開采過程的自動化水平。

二是可以實現虛擬儲存的更好應用，自動控制技術中的邏輯表達方式非常重要，可以更好的實現虛擬儲存技術的應用，利用邏輯表達，可以更好的分析各數據之間的關系，為石油鉆井施工勘探提供一定的邏輯基礎，從而大大的提高石油鉆井行業的施工效率。

三是自動化控制，可以實現數據信息的有效傳遞。自動控制技術可以將在勘探中獲得的一些數據信息，整理編輯好之后傳輸到控制中心，便于接下來的施工操作，更好的進行數據整合應用?；跍蚀_性和及時性，需要不斷應用數據傳輸技術和信息共享技術，提高鉆井自動化控制效果，提高鉆井施工質量和水平。

2 影響石油鉆井速度的因素分析

2.1 鉆井液對鉆井速度的影響

在石油鉆井行業中，鉆井液作為石油鉆井行業中的重要組成部分，可以影響石油鉆井的速度，鉆井液中的固相含量的高低可以影響鉆井速度的快慢，當鉆井液的固相含量高時，會造成鉆井口的封鎖，降低鉆井的速度，同時高密度的鉆井液，在鉆井過程中的循環使用效果并不好，會降低鉆井的速度，同時，高固相含量的鉆井液會增加鉆頭的磨損，降低了鉆頭的使用壽命，整體上影響鉆井的速度。

2.2 鉆具組合對鉆速的影響

不同的鉆具組合對鉆井速度有一定的影響，不同的鉆井方式需要不同的組合，因為每個井口的地質差異，需要用不同的鉆頭來進行鉆孔，例如在井口軌跡比較好控制的地方，可以使用導向鉆具組合的方式進行鉆孔，這樣就可以更好地實現鉆井速度的提升。

2.3 鉆頭選擇對鉆速的影響

不同的鉆頭可以用來進行不同地質的鉆孔，不同的地質也需要不同的鉆頭進行鉆孔，這樣才能更好的針對地質的方式，選擇不同的鉆頭，鉆頭選擇合理就可以提升鉆井的速度，例如在更深地方的位置，可以利用鉆頭加螺旋桿的方式進行鉆井，這樣有助于提升鉆井的速度，根據不同的情況選擇不同的鉆頭內容，爭取縮短鉆井的時間成本，從而提升鉆井行業的利潤率。

3 提高鉆井速度的主要方法

3.1 準確描述巖土環境

鉆井地理位置的巖土信息需要準確的描述，這才能更好地提高鉆井的速度，因為每個地質環境所需要的鉆井壓力和壓強是不同的，且存在一定的分層，而且石油氣層也處在不同的位置，準確的描述巖土的位置，需要利用一些先進的信息技術，例如上文中描述的智能勘探技術，就可以有效的實現巖土環境的準確描述，并且根據智能勘探技術的應用得到的數據信息，建立準確的數據模型，從而進行系統的分析，以便于設定鉆探的計劃，因此地質環境對于鉆探的速度有非常重要的影響，整理巖土環境的準確信息，例如壓力層的密度、一層的密度等等，以及地下結構的分布，都有利于縮短鉆探的時間，提升鉆井的速度。

3.2 先進鉆井技術的選擇

鉆井技術決定了石油鉆井的水平，會影響石油鉆井的質量和效率，先進的鉆井技術是提升鉆井行業進步與發展的基礎，優化鉆井技術，需要從鉆頭鉆具和機械設備進行聯合提升，利用不同的鉆具組合、不同的鉆頭，滿足不同的鉆井環境的需求，同時經過不斷優化鉆井工藝的技術，在鉆井過程中使用新的技術和材料，提升鉆井設備的防腐性，將提升設備的使用壽命，利用頂驅裝置，實現鉆井的自動化，基于PLC 平臺和物聯網，實現石油鉆井技術的自動化提升，組合式的鉆井技術，可以更好地達到預期的鉆井效果，為鉆井企業帶來更高的利潤收入，同時高速鉆孔新技術，可以有效的提高鉆井機的速度，從而降低時間成本，擴大利潤空間。到目前為止，石油鉆井行業的主要核心技術集中在智能勘探技術、云儲存技術，以及自動控制技術，不同的技術聯合使用，對提升鉆井的速度非常有利。

3.3 鉆井設備和鉆井液技術優化

鉆井液和鉆井設備的選擇使用，對于提升鉆井速度來說非常重要，上文已經描述過鉆井液和鉆頭對石油鉆井速度的影響，因此選擇合理的鉆井設備和鉆井液，對于提升鉆井速度來說非常重要，不同的鉆井設備和鉆井液應用于不同的地質環境，不同的巖土環境也需要不同的鉆井液進行中和，才能便于鉆頭的順利鉆探，同時在勘探的時候，一定要嚴格的分析鉆井液的使用和環境的匹配性，例如井口與井中和井底的巖土環境都有可能存在一定的區別，因此在不同的鉆探位置，采用不同的鉆井液，目前常用的一些鉆井液為有含鉀離子的無機鹽或者是甲基颶風鉆井液，這些鉆井液的使用可以有效的防止井口的崩塌，同時避免污垢的產生，在石油鉆井過程中，可以選擇新型環保的鉆具，避免造成污垢堵塞進口，使鉆井速度降低，同時鉆井設備也需要選擇防護性高、自動化程度高的鉆井設備，才能保證鉆井的順利進行。

4 石油鉆井機械鉆速扭矩自動控制方法設計

4.1 自動送鉆控制模型的建立

石油鉆井鉆速的自動控制模型的主要工作原理是通過鉆速傳感器的電流矢量傳遞，從而確定電流量，再通過變頻調速裝置，將電流矢量傳遞倒扭矩和鉆速，從而進行自動送鉆控制。在石油鉆井工作中，鉆井的速度會受到多方面的影響，在進行速度設定的時候需要根據實際情況設定不同的參數，利用楊格模式設定鉆速和扭矩，進行數據參數修正之后的公式如下：

式中，v 為機械鉆速，單位為r/s；C0為機械定子電流矢量；Qi為電力參數影響系數；P 為鉆井機械鉆壓，單位為kN；P0 為門限鉆壓，單位為kN；nλ為轉盤的轉速，單位為r/min；R0為鉆頭齒輪的磨損系數；m 為鉆頭齒輪的磨損質量。

鉆速扭矩的參數關系如下：

VS=CWS-CP0(S)

式中，V 代表鉆井速度；W 代表鉆井機械扭矩。

4.2 參數自動調整自動控制設計

利用PID 控制器，可以自動處理送鉆模型的參數，在PID 處理器中精準數據模型的優化處理，設定一些輔助參數和準確的條件，然后利用PDA 控制器進行自動推理，結合上文以描述的送鉆模型，形成新的參數，從而確定最佳的送轉路線，提升自動送鉆的效率，并降低送轉的容錯率。

5 結語

影響石油鉆井機鉆速的因素有很多，主要的因素分別是鉆井液、鉆具組合、鉆頭等3個因素，目前石油鉆井自動化技術，主要體現在智能勘探、虛擬儲存、自動控制技術等3個方面，想要提升石油鉆井的速度，就需要通過準確的描述巖土的環境、選擇先進的鉆井技術以及優化鉆井設備和鉆井液，達到提升石油鉆井速度的目的，鉆井速度的提升是企業在石油行業站穩腳根的重要支撐，也是石油企業擴大自身利潤收入的重要措施。