石油鉆井設備節能減排技術分析

趙天增 吳小亮

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452

在當前可持續發展戰略的指導之下，各行各業逐漸加強了對于節能減排、生態環保方面的重視，石油鉆井施工也是如此，通過運用節能減排技術，不僅能夠降低實際生產以及運營成本，而且有助于減少對于環境的污染影響，實現行業的可持續發展，在提高經濟效益的同時，保障生態效益，是當前行業以及社會發展過程中的共同課題。因此，加強對于石油鉆井設備節能減排技術的研究和分析是十分有必要的。

1 節能減排視角下石油鉆井設備實際運用情況

1.1 對于節能減排技術重視不足

受到當前市場環境的影響，石油企業之間的競爭壓力逐漸增強，使得企業在實際發展的過程中，對于經濟增長方面的追求較為迫切，以期能夠通過擴大生產規模，提升自身收益。導致企業在實際鉆井生產的過程中，過分關注運行成本、生產效益等，缺乏對于節能減排方面的重視，仍然使用年久失修、耗能較高的老舊設備，存在節能減排重視程度較低，成本投入不足的情況，難以取得良好的節能減排效果，這不僅難以實現對于實際鉆井成本的有效控制，而且還會給生態環境帶來一定負擔[1]。

1.2 對進口設備技術依賴程度高

在當前節能減排形勢較為嚴峻的情況之下，我國石油鉆井企業為提升自身節能減排能力，需要使用先進技術手段和設備，但由于我國在此方面的研究有限，因此需要引進大量進口設備和技術。而且隨著當前社會經濟的發展，消費規模持續擴大，而且石油勘探開采本身需要消耗大量能量和資源，這也使得國內石油鉆井作業對于進口設備和技術的依賴程度不斷提高。在國家生態環保治理力度不斷加強的情況下，石油生產作為能源消耗的核心產業，企業所面臨的環境壓力、生產壓力也在日益加強，進口設備已經成為當前石油鉆井作業過程中不可或缺的組成部分之一。

1.3 節能減排計算分析尚不完善

石油企業在實際生產作業的過程中，需要消耗大量能源，但為提升自身經濟效益，企業將更多的精力投入到了成本控制以及如何提升經濟收益方面，缺乏對于能源消耗情況，以及污染物排放情況等方面的計算和分析，對于實際鉆井作業過程的監控不足，難以實現對生產數據信息的有效利用，這也是導致石油鉆井作業能源消耗持續增加的主要因素之一。通過節能減排方面的計算和分析，能夠實現對于實際石油鉆井工作的指導，以此達到降低能源消耗、減少污染排放的效果。但當前石油企業缺乏對于節能減排計算分析方面的重視，相關統計分析仍不完善。

2 石油鉆井設備節能減排技術實際運用分析

2.1 分析井噴事故構建預警系統

影響石油鉆井井噴事故的主要原因包括人、物、環境、管理和技術5個方面，通過明確事故影響因素，有助于在實際生產過程中實現對于各種因素的控制、規避和處理，降低事故發生的概率。在此基礎上，建立事故因素解釋結構模型，還能夠為后續預警系統的構建提供良好支持[2]。石油鉆井井噴因素如表1所示。

表1 石油鉆井井噴因素

經過石油鉆井專家的分析，得到事故因素集中各要素之間的直接關系，并構建相鄰矩陣，最終得到井噴事故因素解釋結構模型如圖1所示。

圖1 井噴事故因素解釋結構模型

然后采用層次分析法，對井噴事故機理展開分析，使用判斷矩陣進行一致性以及隨機性檢驗。檢驗過程中，使用到的公式如下：

CR=CI/RI

式中，CR表示判斷矩陣的隨機一致性比率；CI表示判斷矩陣的一致性指標；RI表示矩陣的平均隨機一致性指標。

在上述分析的基礎上，運用系統論，構建事故預警指標體系，將影響因素特征量，轉化為預警信號輸出圖，并科學劃分指標的正常波動范圍、可控范圍以及危險范圍，直接反映鉆井工作的安全情況。

井噴事故預警系統的構建和運用，能夠有效實現對于實際鉆井過程的監控和分析，并及時發現設備安全隱患，實現預防性維修，強化對于井噴事故的控制能力，不僅能夠保障實際生產安全，而且還能夠有效避免停機、資源浪費等情況，降低設備維修和管理成本，減少企業經濟損失，達到良好節能效果。

2.2 強化鉆井監控以及狀態評價

通過對于鉆井過程中相關設備的監控以及狀態的評價分析，能夠充分了解實際設備運行情況，了解設備運行過程中的生產效率，并為后續生產方案的制定和調整提供參考，有助于提高設備運行效率和質量，達到節能減排目標。鉆井狀態評價過程中，需要注意的主要參數如表2所示。

表2 鉆井參數

在實際生產時，需要根據鉆井參數，合理進行設備調控，以提高生產質量、效率。除此之外，還應加強對于鉆柱應力的分析，以便充分了解設備運行狀態。鉆柱應力主要包括以下幾個方面。

（1）軸向應力，主要是在外部荷載、鉆壓等作用下產生的。計算公式如下：

式中，σz表示軸向應力，N；Fb表示動載鉆壓，N；q1表示單位長度鉆桿質量，kg；l1表示鉆桿長度，m；q2表示單位長度鉆挺質量，kg；l2表示鉆挺長度，m；q表示單位長度鉆柱質量，kg；l表示鉆柱長度，m；D表示鉆柱外徑，m；d表示鉆柱內徑，m。

（2）彎曲應力，是由鉆柱橫向振動引起的，實際生產過程中，鉆柱不僅會正常轉動，還會逆時針繞井眼旋轉。在鉆柱運動時，彎曲應力會受到鉆桿截面慣性矩、截面下鉆柱浮重等的影響。

（3）剪切應力，該力主要是在鉆盤、頂驅扭矩作用下產生的，會受到鉆柱扭矩以及內外徑大小的影響。

（4）交變應力，在實際鉆井過程中，鉆柱通過井眼時，所受應力的方向和大小都會發生改變，且呈現出交替變化特點，此時鉆柱就處于交變應力狀態，應力比為最小應力與最大應力之比[3]。

基于上述分析，構建鉆井實時監控系統，將基礎參數導入其中，并根據基礎參數計算鉆柱應力，通過應力分析，識別鉆柱受力狀態以及鉆井工況，以實現對于鉆井過程和狀態的實時監控，并展開時效分析，不斷提高單井作業效率，縮短作業時間，進而減少能源消耗以及污染排放。

2.3 運用數據技術優化石油鉆井

將大數據技術運用到石油鉆井設備節能減排研究當中，可以建立鉆井數據庫，并通過對相關數據的分析挖掘，為鉆井作業參數控制調整提供參考，同時還有助于故障診斷分析、設備運行狀態監測，對于鉆進優化有著積極作用，同時還可以將其用于對鉆進設備性能的評估分析，是實現故障預測、自動診斷，以及實時監控的必要技術手段。

首先，需要選擇特征參數，包括鉆壓、泵壓、轉速、扭矩等，并采集數據，作為訓練樣本和后續測試樣本。其次，基于支持向量機，建立預測模型，先確定輸入變量，以及輸出變量，并對其展開歸一化處理，獲得數據樣本集，再確定核函數、敏感性系數。最后，后建立支持向量機回歸模型，預測鉆進過程。預測流程如圖2所示。通過對實際鉆進過程的預測和分析，有助于強化對于作業情況的控制，降低作業風險，達到降低石油鉆井成本的效果，能夠幫助石油企業，實現節能減排目標。

圖2 鉆井過程預測流程

3 強化石油鉆井設備節能減排效果的對策

結合上述分析，為強化提升石油鉆井設備節能減排效果，有針對性地提出了以下對策建議，以期能夠降低石油鉆井施工作業過程中的能源消耗，減少污染排放，幫助石油企業提升自身經濟以及生態效益。

（1）重視設備節能減排技術。石油企業應加強對于節能減排的重視和研究，強化相關技術、設備的投入，以此降低實際鉆井生產過程中的能源消耗，同時減少污染排放，這不僅可以幫助企業降低實際生產成本，而且也減少了污染排放方面的資金投入，有助于企業的可持續發展。

（2）積極開發節能減排設備以及相關技術。加強對于石油鉆井作業節能減排設備的開發和研究，提高研究投入資金，積極引進先進技術手段，以此不斷提高鉆井作業的質量和效率，縮短鉆井周期，達到節約成本、減少能源消耗、降低污染排放的目的。隨著當前大數據技術、人工智能技術以及物聯網技術的不斷發展，此類技術將會逐漸應用到石油鉆井設備當中，幫助企業強化生產控制，降低人為因素影響，達到良好節能減排效果。

（3）深化完善數據分析工作。為保障石油鉆井作業的節能減排效果，科學制定節能減排方案，應加強對于實際生產數據的應用和分析，實現對于能源消耗、污染排放的準確計算，并通過分析不同技術、設備運用下石油鉆井作業的節能減排效果，不斷優化實際生產方案，合理運用相關技術設備，最大程度上提升節能減排效果，提高石油鉆井生產的經濟以及生態效益[4]。

4 結束語

綜上所述，在實際展開石油鉆井生產的過程中，應充分結合生產需求，合理運用相關技術手段，更新生產設備，通過對井噴事故的分析，構建事故預警系統，以此實現對于事故問題的有效預測，提前采取預防措施，降低生產損失，保障生產作業的順利性以及安全性。此外，還應加強對于鉆井過程的監控和管理，并及時對作業狀態展開評價，構建相應狀態評價系統，并以此為基礎對生產作業方案進行優化調整，降低實際生產能耗以及污染排放。同時，還應加強對于大數據技術的運用分析，實現對于生產數據的科學分析和運用，準確預測鉆井過程，優化鉆井控制，以此降低鉆井風險，控制生產成本。相信隨著對設備節能減排技術的分析和實踐運用，石油鉆井水平將會得到進一步提升。