石油钻机自动化技术的问题及发展建议.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 l O期 第 9 2页 石 油 矿 0I L FI ELD 场 机械 EQUI PMENT 2 0 1 4， 4 3 1 0 9 2 9 6 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 1 0 0 0 9 2 0 5 石油钻机 自动化技 术的问题及发展建议 于兴军 - 一 ， 魏培静 ， 张青锋 ， 徐炜华 。 何鸿 ， 王峰 林 1 ． 宝鸡石油机械有限责任公司 ， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 2 ； 2 ． 国家油气钻井装备工 程技术研 究中心 ， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 2 摘要 分析 了我国石油钻机在绞车与盘刹耦合控制、 旋转 系统软转矩控制、 司钻房人性化设计等方 面存在 的 问题 。通过 与 国外先进钻 机 的相 关性 能特 点进 行 对 比 ， 找 出 了我 国石 油钻 机 自动化 技 术 与国外钻机的主要差距 ， 对 国内钻井装备在管柱 自动输送及排放 、 集成控制等方面亟待升级的技术 进 行 了阐述 ， 并对研 究的具 体工作 提 出了几 点建议 。 关键词 钻机 ； 自动化 ； 技 术 ； 发展 趋 势 中图分 类号 T E 9 2 2 文献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 4 8 2 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 2 2 De v e l o p me nt Su g g e s t i o n a n d t h e Pr o b l e m o n Au t o Co n t r o l Te c h n o l o g y o f Dr i l l i n g Ri g YU Xi n g - j u n ～， WE I P e i - j i n g ， Z HANG Qi n g - f e n g ， XU We i h u a ， HE Ho n g ， WANG Fe n g - l i n 1 ． B a o j i Oi l f i e l d M a c h i n e r y Co ． ， Lt d． ， Bn o j ； i 7 2 1 0 0 2 ， Ch i n a； 2 ． Na t i o n a l Oi l Ga s Dr i l l i n g Eq u i p me n t Re s e a r c h Ce n t e r， Ba o j i 7 2 1 0 0 2 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r o bl e m s o f d o m e s t i c d r i l l i n g r i g du r i ng t he wo r ki ng we r e a n a l y z e d， s u c h a s t he C OU pl i ng c o nt r o l be t we e n t h e d r a wwo r k s a nd t he di s k br a ke， t he s of t t o r qu e c on t r ol o f r o t a r y s ys t e m ， hu ma n de s i g n o f dr i l l e r c o nt r o l r oo m． M e a nwh i l e， c o mpa r e d wi t h s o m e pe r f or ma n c e c h ar a c t e r i s t i c s o f f o r e i g n a d va nc e d d r i l l i n g r i g， t he d i f f e r e n c e o f r i g a ut o c o nt r o l t e c hno l o gy be t we e n t h e d ome s t i c r i g a n d o ve r s e a s r i g wa s s u mm a r i z e d． Th e a s pe c t s wa s e x po un de d， whi c h t he d o m e s t i c r i g n e e ds t o be u pg r a d e d， s u c h a s p i pe ha nd i ng t e c hno l o gy， i n t e g r a t i o n c o nt r o l t e c hno l o gy ．At l a s t ， s o m e s ug g e s t i o ns o f t he s ub s e q u e nt wo r ks o n t hi s pr o mot i on a r e p ut f o r wa r d ． Ke y wo r d s d r i l l i ng r i g； a ut o m a t i o n； t e c hn i qu e； d e v e l o pi n g t r e nd 为了满足现代钻井工艺的要求 ， 许多公司以及 设计 人员 提 出或设 计 出了 多种 形 式 的 新 钻机 ， 例 如 电驱 动钻机 、 模块 化钻机 、 套 管钻机 、 全 液压钻 机 等口 ] ， 原来许多依赖人工推 、 拉 、 扛 、 拽等才能完 成 的工作已经被各种 电动 、 液动等设备所 替代【 3 ] 。变 频 技术 、 现场 总线 通讯 技 术 等 也 已广 泛应 用 于 钻 井 装备 ] ， 钻机的操作也由原来的露天站立操作转变 为在安装有空调的司钻房 内进行远程坐姿操作 ， 使 工作环境得到改善 。这些演变都与 自动化技术的发 展 相关 ， 尽管 这些 技术 已 经为 钻 机 的 操作 舒 适 性 改 善和使用安全性提高做 出了重大贡献 ， 但笔者认为 目前 国内石油 钻机 的 自动化技 术仍 有诸 多方 面还 可 以进 行技 术升 级 。前 人 已经从 钻 机 总 体 方 案 、 结 构 型式 、 传动方式等方 面对未来钻机的发展提 出了许 多建设性想法， 本文仅从 自动化技术方面进行阐述 。 国内现 有钻 井 设备 自动控 制 系统 的技 术 完善 1 ． 1 盘刹 与绞 车驱动 系统 的耦 合控 制开 发 目前 国内钻机 配套 的盘 刹 和绞车 驱 动系统 通 常 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 5 基金项 目 国家高技术研 究发展计划 8 6 3计划 “ 深水钻机与钻柱 自动化处理关键技术研究” 项 目资助 2 0 1 2 AA 0 9 A 2 0 3 作者简 介 于兴军 1 9 8 0 一 ， 男 ， 吉林安 图人 ， 工程师 ， 硕士 ， 现从事石油机械研究与开发工作 ， E - ma i l y x j s wp i 1 6 3 ． c o rn。 石油 矿场 机 械 2 O 1 4年 1 0月 2 个别系统功能存在重复配置现象 ， 导致 司 钻房设备过多 为保 障钻 机 安 全 ， 变 频 绞 车 驱 动 控 制 都 配 有 1 套 电子 防碰 系统 ， 系统 通 过 安 装 于 绞 车滚 筒 处 的 编 码器实时将绞车位置信息反馈给 P L C控制器 ， 控制 器通过运算与设定的游车上、 下位报警点和刹车点 进行比对， 采取相应 的减速或停机动作 。钻机数显 防碰装置与该 电子防碰功能 、 原理完全相同， 且其无 法 自身完成相应的绞车速度控制 ， 故仅可用作显示、 报 警 ； 加之 目前 国 内已将绞 车滚 筒过卷 防碰 系统 、 天 车机 械 防碰 系统 作 为钻 机 的标 准 配 置 ， 故安 全 机 制 已经 足够 ， 所 以针对 变频 钻机而 言 ， 钻 机数 显 防碰装 置无 需重 复配套 。 3 钻机 在主要 电缆 路径 上都设 置有 电缆 槽或 托架 ， 但各配套商在进行钻机子系统现场安装接线 时存在随意铺设现象 ； 加之仪表 、 气检和视频监控等 系统的无线传输技术还未 在钻机上推广， 所以钻机 设备间走线存在凌乱现象 ， 需要进一步规范。 2亟待开发的 自动化新技术 2 ． 1 管柱 输送 及排 放设 备 自动化控 制技 术开 发 随着各钻井公 司对 HS E要求 的提高 ， 市场对 自动 化管 柱输 送及 排 放 设 备 的需 求 日益 旺 盛 ， 包括 抓管机 、 动力猫道 、 铁钻工、 二层台排管系统 、 泥浆收 集盒 、 机械手、 伸缩 鼠洞等_ 7 ] 。为了实现上述各设备 远程 自动 、 集成 操 作 ， 则 需 结合 现 场 作 业 流 程 ， 进行 各单 元设 备 自动化 控 制 系 统 开发 ， 尤 其 是 设 备 自身 急停机制 以及与未来集成控制的接 口规划需要重点 考虑 。 国外 NOV、 AKE R MH、 C ANRI G等钻井设备 供应商在 2 0世纪 6 0年代就开 始了上述设备 的开 发 ， 各 设 备结构 形式 和实 现原 理不 断更新 换 代 ] ， 由 地 面到井 口间的钻 杆输 送可 由多个 不 同设备 组合来 协作完成 ， 其控制 系统先后经过 了机械化、 半 自动 化 、 自动 化 的 3个 历 程 。例 如 图 4为 NOV 公 司 的 二层台垂直排管系统。国内公司已开始研制相关工 具设备 ， 但很少能够实现上述全流程设备及控制系 统的整体解 决方案 ， 宝鸡 石油 机械有 限责任 公 司 承担 的 中石 油科 技 项 目 钻 机 管 柱 自动 化 处 理 系 统 的研 究 与应 用 正 在 进 行 此 方 面 的尝 试 ， 目前 所 有设备制造 及独立试 验 已完成 ， 正处 于钻机 配套 系 统联 合 试 验 阶段 。 1 一低位臂 ； 2 一钻柱 ； 3 一夹爪 ； 4 一顶部马达 ； 5 一上部轨道 ； 6 一指 梁； 7 一顶部辅 助管路 ； 8 一下部辅 助管路 图 4 N0V公司二层台垂直排管系统 2 ． 2钻机 集成 控 制系统 研制 国内现有 钻机各 子 系统 例如 电传 动 、 顶 驱 、 仪 表、 盘刹、 视频监控 、 管柱处理设备 相互独立， 没有 统一的指令协调系统 ， 缺少相互 的信息传递机制 ， 安 全性 较差 ； 另外 ， 各 子 系 统 操作 终 端 风 格 的不 一致 ， 导致 了前 面 提 到 的 司钻 房 的布 置 混乱 问题 ， 如 图 5 所示 。 图 5 国内钻机 司钻操作 台 集成控制系统是钻机的“ 司令部” ， 负责将各子 系统 进行 统一 协调 管 理 ， 各 设 备 的 动 作控 制 都 由该 “ 司令部” 发出指令 ； 同时各个设备的信息都要统一 “ 上报” 给集成控制 ， 供司钻人员监视 。该系统在提 高钻 机安 全性 的基 础 上 ， 对 司钻 房 布 局 改善 效 果 明 显 尤其是 配套 管 柱 处 理设 备 时 ， 如 果 无 集 成 控 制 ， 则 司钻房 内按 钮 、 开 关 将 数 量 惊 人 ， 图 6为 NO V 集成 控 制司钻 操作 站E 。 石 油矿 场机 械 2 O 1 4年 1 0月 3 发展建议 3 ． 1 加快 基于 集成控 制 的 自动 化钻 机研 制步 伐 国内钻机制造业宜尽快完善各种 自动化工具的 种类 和功 能 ， 并进 行集 成控 制 系统 的升级 改造 开发 。 为 了使 各 工具 、 设 备 满足现 场使 用要 求 ， 用 户 的建议 非常关键 ， 尤其是 总体方案制定必须与使用者相结 合； 主机制造厂需要做好各个 自动化设备的安装 以 及控制 集成 化工 作 ； 对 于 某些 专有 技 术 可 采 用联 合 开发或技术引进方式 ， 例如某些管柱输送及排放设 备涉及 的机器人运动控制技术则可直接从其他行业 进行借鉴 ， 以缩短开发周期 。完成 自动化钻机样机 试制后 ， 油 田现 场 的工 业试 验尤 为重 要 ， 各 个作 业数 据及设备暴露的问题将成为今后改进升级的素材。 3 ． 2重视 钻机 操作 培训 系统开 发 随着 钻 机 自动 化 技术 不 断 升级 ， 尤 其 是 未来 集 成控制 系统 的应 用 ， 对 钻 机 司钻 以及 设 备 维 护人 员 素质提出了更高的要求 ， 这就迫使钻井装备供应商 在为用户提供优质的设备 同时 ， 还要为其 使用人员 提供 良好 的培训 服务 。 国外 已经将此作为一项附加业务开展 ， 而且也 成为设备销售 的一项亮 点。国内还是依 靠产品样 本 、 图片 、 视 频资 料理论 培训 的方 式 ， 缺乏互 动性 ， 无 法实现真实的操作体验 。国外钻机培训系统 已经采 用基 于 虚拟 现实 技 术 实 现 交 互 式 的操 作 如 图 9 ， 即建立 一套包 含 有所 有 设 备 的 钻 机数 字 样 机 模 型 ， 制造一套真实的司钻操作台 ， 利用计算机虚拟现实 技术 开 发驱动 程序 ， 营造 钻 机 现 场 操作 时设 备 的动 作场景 ， 通过人机交互的方式使培训人员学 习到钻 机设备性能特点和使用方法 。 图 9 MH 公司的 Mo d u l e 3 0 0 0培训系统 宝 鸡石 油机 械 有 限公 司 研 制 的“ 石 油 钻 机集 成 控制仿真操作系统” 如图 1 0所示 于 2 0 1 3 0 3研制 成功 ， 成功参展中国国际石油石化技术装备展览会 ， 是 国内钻机 培训 行业 的技术 革新 。 图 l O 宝石机械公 司集成控制仿真操作系统 3 ． 3 做好 现有 设备及 控 制 系统 的可 靠性 设计 在 上述 2 个方 面完成 的情况下 ， 钻机 的 自动化 程 度会得到质的飞跃。但这种高性能钻机工业推广的 前提是各设备 及控制 系统必 须具备 良好 的可靠性 ， 因 为 自动化程度 的提高 ， 意味者一旦设备 出现故障， 用 户将很难独立 自行解决和维修 ， 故可靠性设计相当 重要 。 4 结 论 1 阐述 了 国内石油 钻机 在 自动控 制技 术方 面 存 在 的 问题 ， 并 分析 了造成 上述 问题 的原 因 。 2 通 过与 国外 先进 钻 机 的性 能 对 比， 分 析 了 国内钻机在管柱 自动输送及排放、 集成控制、 专家诊 断及操作系统等方面与国外存在的差距。 3 为了进 一 步 提 升 国 内钻 机 的 自动 化水 平 ， 提 出了今后 需要 重 点研 究 的几 项 工 作 ， 包 括 设 备 可 靠 性设 计 、 操 作 培训 系统 开发 、 自动 化钻机 试 制等 。 参考 文献 E l i 孙 明光 ， 彭军生． 国内外石油钻井装备 的发展现状 [ J ] ． 石 油钻 探技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 6 8 6 8 9 ． [ 2 ] 冯 定 ， 唐海雄． 模块 钻机的现状 及发展趋 势E J ] ． 石 油机 械 ， 2 0 0 8， 3 6 9 1 4 3 1 4 7 ． [ 3 ] 李富平 ， 杨国家 ， 李富平 ， 等． 海洋钻机钻杆 自动排放驱动 装置方案设计[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 4 8 5 0 ． [ 4 ] 赵付军 ， 张世红 ， 李曼 利． P I C及 P R O F I B U S DP现 场 总线在石油钻机 电传 动系统中的应 用I- J ] ． 电气传 动 自 动化 ， 2 0 0 7 ， 2 9 5 4 8 5 0 ． E 5 ] 张建成． 石油钻机 电气传 动系统 的最新 发展 [ J ] ． 电气 传动 ， 2 0 0 4 4 8 - 1 1 ． [ 6 ] Ak e r Wi r t h Wi r e l i n e P r o t e c t i o n S y s t e m r E B ／ O L ] ． r 2 0 1 4 0 6 0 3 ] ． h t t p f n ． a k e r s o l u t io n s ． c o m／ a k e r wi r t h ． [ 7 ] 蔡文军 ， 张慧峰 ， 孙长征 ， 等． 钻柱 自动化排放 技术发展 现状口] ． 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 61 2 7 1 ． [ 8 3 刘文庆 ， 崔学政 ， 张富 强． 钻 杆 自动排 放 系统 的发 展及 典型结构[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 7 4 7 7 ． I- 9 ]Hu ma n ma c h i n e i n t e r f a c e[ E B ／ OL ] ． [2 0 1 4 0 6 0 3 ] ． h t t p t f f ． n o v ． c o rn／ Dr i l l i n g ／ Co n t r o l a n d Ad v i s o r y S y s t e m／ 0p e r a t o r _ Wo r k s t a t i o n s ． a s p x ． E l o ] 赵仕俊 ， 刘育才． 数字 化钻井 系统信 息资源 的开 发利 用 问题研究 [ J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 1 1 0 1 3 ．