電氣自動化在海洋石油深水鉆井中的應用

龔勁松

（中海油田服務股份有限公司，河北廊坊 065200）

0 引言

隨著海洋鉆井技術的不斷發展，尤其是近年來電氣自動化技術的迅猛發展，進一步推動了海上鉆井的自動化水平，為海洋鉆井的安全和效率提升、以及推動海洋石油行業的發展做出了積極的貢獻。

1 海洋石油鉆井作業中的電氣自動化技術概況

（1）電氣自動化技術在海洋石油鉆井作業中的應用優勢分析。由于海上鉆井作業環境比較復雜，作業流程嚴謹和嚴格，但在實際使用中易受各種不穩定因素的影響，導致油田生產效率無法有效的快速提高。若不加以有效的治理，將很難實現海洋油氣資源的綜合開發和利用效率。近年來，隨著科技的發展和國家“科技強國”戰略的實施，以電力自動化技術為代表的先進技術內容被廣泛地推廣和運用于各行各業，并收到很好的效果。

在海上石油鉆探方面，通過電氣自動化技術的應用，可以使現場作業人員能夠對整個生產過程進行自動化控制和管理，比如利用電氣自動化技術進行海上油田的鉆探以及設備的自動化管理，從而使現場作業人員能夠提高生產效率，提升安全管理水平，降低人力勞動強度。推廣應用電氣自動化技術，可以促進海上石油鉆井工作的高質量發展，并獲得較好的開發效益。

（2）傳統石油鉆井作業主要缺點：①常規的采油方式具有較高的生產成本，不利于成本的控制；②由于常規的鉆井作業工作量大，鉆井質量得不到完全的保證，因此，在一定程度上制約了油田后期的開發；③常規的石油鉆探工作存在著較高的危險性，且缺少自動監控及報警系統，操作不當容易引發井噴等事故。

2 電氣自動化技術在海洋石油鉆井作業中的應用

2.1 海洋石油勘探技術應用

（1）精準定位。石油作為一種不可或缺的能源，目前國內的石油開采面臨著資源緊缺等問題，石油勘探也由淺海向深海探索。因此，在海上鉆井作業中，快速找到新的勘探油田位置，或者在不同井位之間的拖航后精準定位在開發油田的井位點，降低在海上的定位成本，可以提高船舶和鉆探的使用效率。主要內容有：一是地理信息系統的自動化；二是智能GPS 技術，特別是目前鉆井平臺已使用北斗系統的定位，擺脫對GPS 的依賴。該技術的最關鍵之處在于節約勘探及后續開發定位的時間，并在某種程度上決定石油開采的水平。

（2）鉆井信息采集。海洋鉆井信息采集系統的體系結構主要包括生產數據采集、數據管理、鉆井生產運營管理、鉆井專業輔助應用、生產管理系統等。海上鉆井信息的來源是生產資料的采集。自動采集技術是當前應用最廣泛的一種，它是以鉆機參數儀、綜合錄井儀、隨鉆測量系統為基礎，通過數據分析軟件和統一通信協議，對所有的資料進行譯碼、預處理，然后傳送到下一個系統。該系統能夠將鉆井過程中的各種鉆井參數實時傳送到信息采集系統，并將數據以圖表的形式顯示，以便對鉆探結果進行實時分析，并對下一步的工作進行決策。另一方面，該系統以海洋鉆井數據中心為基礎，通過對生產數據采集系統的數據進行后處理，對數據進行歸類，包括生產經營、科研管理、輔助決策等，并將其作為最終決策的依據。

（3）油田開發信息分析。在海上油田開發過程中，通過對鉆井信息的采集分析，利用智能化技術，基本可以實現對采油過程中的數據資源的自動分析。實例表明，通過智能化的技術，可以較為精確地獲得油田的儲量和勘探范圍內以及油田開發的深度和開發周期等關鍵信息。

2.2 海洋石油鉆井自動化技術應用

隨著海洋鉆井技術的成熟應用，自動化鉆井得到廣泛的發展和提升，特別是無人主機運行、電子司鉆、動力定位技術等的使用逐步得到越來越多的運用，中國海洋石油鉆井平臺上的電氣自動化也在學習、借鑒國外先進鉆井平臺的基礎上，經過十多年的引進吸收消化，以及針對我國的實際情況，通過持續性的創新，電氣自動化水平得到長足的發展。應該繼續吸收創新新的國外的先進技術和經驗，逐步形成具有中國海油石油特色的發展道路。

3 電氣自動化在鉆井平臺上的典型應用

3.1 自動化主機運行及供配電方面

目前新建設的鉆井平臺基本上都配備主機的自動化運行及自動負載分配系統，特別是當前最先進的DP3 動力定位的鉆井平臺，通過對鉆井平臺的鉆井及工藝流程優化，平臺的動力系統、電力系統、輔助系統及安全監控等的高度集成化設計，能實現鉆井平臺的安全、高效和節能環保的要求。如在外部負載增大的情況下，通過預先設定好的程序自動啟動一臺主機投入使用，并自動分配配電系統，保證鉆井作業的安全進行，消除井下的作業風險。同樣，在外部負載減少的情況下，可自動根據負載的變化，卸載非必要的負載使用，通過優先級的設置，自動將一臺發電機解列，可以有效降低能耗，可實現主機的無人值守。在配電方面，當一個母線回路出現故障時，可實現自動切換到另一個母線，減少設備的停機時間，提高鉆井作業的使用效率。

3.2 自動化鉆井系統方面

新型鉆井平臺配備自動化操作的鉆井系統，司鉆通過司鉆房內的智能操作椅和人機交互界面可以對各種鉆井設備如頂部驅動、鉆井絞車、泥漿泵、貓道機、抓管機、鐵鉆工等實現自動控制。目前在國內的主流的鉆井平臺配備的是NOV 的Cyberbase系統和Amphion 系統，系統內部的核心邏輯是通過網絡化對各種設備進行自動化控制，主要是由PLC 控制器、數據庫及計算單元和顯示單元等構成，PLC 主要用于鉆井設備的控制、處理傳感器反饋數據以及接收司鉆的操作指令；數據庫用于不同部件和設備PLC 之間的數據交換。計算單元用于實時數據處理、計算、曲線擬合、PID 控制、防碰管理和安全風險預估，為用戶提供安全穩定的操作保障。顯示單元主要是圖形化的人機界面（圖1），用于鉆機各設備的狀態監視、實時數據顯示和操作指令提示等。通過內部的程序化設計，司鉆只需要操作智能操作椅就可以實現對鉆井設備的各種操作以及緊急情況下的應急關停。通過自動化的鉆井系統，減少鉆臺的人員操作，提高工作的效率，并且大大的降低人員的意外風險。

圖1 鉆井數據采集顯示及人機交互界面

3.3 動力定位方面

常見的鉆井平臺的定位主要是插樁式定位、錨泊定位和動力定位。常規的定位已經不適應深海的海洋石油鉆探的要求，配備DP2 和DP3 的動力定位鉆井平臺，才能在今后的深水石油開發中占據主導的低位，電氣自動化技術在動力定位中得到最直接的體現。其主要的原理是通過對外界環境條件改變的自動檢測，相應的由高度集成的中央控制單元自動分配指令給動力系統、電力系統和推進系統，來抵抗外部力對船體運動的干擾。鉆井平臺DP 系統環境監測裝置傳感器配置如圖2 所示。例如當船體的位置單元檢測到船體受到風力的改變、浪涌的改變等對船體產生某種方向的運動力的時候，中央控制系統會自動計算外部的力的大小和方向，然后通過對安裝在船體的推進器發出指令，改變螺旋槳的推力和方向，從而保證船體的穩定。

圖2 鉆井平臺DP 系統環境監測裝置傳感器配置

4 結束語

為了保證電氣自動化技術在海上石油鉆探中的廣泛應用和推廣，操作人員首先要充分認識到電氣自動化在海上石油鉆探中的重要作用，深刻思考自動化技術在實踐生產中能起到的替代作用；同時，企業的高層管理人員也要了解及跟蹤國內外電氣自動化技術發展的最新動向，及時掌握電氣自動化技術中的最新技術，根據行業的發展需求加強對海上石油鉆井作業的自動化管理應用，加強操作人員對新技術、新工藝的應用培訓，逐步由自動化向智能化的方向進行探索和轉化，最終實現無人化鉆井，為海上油氣開發工作提供技術保障，為實現國家的能源安全提供穩定器和壓艙石。