石油钻机自动送钻监控技术的现状与发展趋势.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ETROL EUM MAC HI NE RY ～87 一 ●专题综述 石油钻机 自动送钻 监控技术 的现状与发展趋 势 张 伟 任建庭 高冬东 1 ．西安石 油大学2 ．长庆油 田机械制造 总厂3 ．中国石 油集团长沙输 油气分公 司武汉输 油站 摘要 研究开放的智能网络化 自动送钻监控装置具有十分重要 的现实意义。介绍 了石油钻机 自动送钻监控技术的基本原理、发展过程和应用现状，指 出了现有钻井监控装置存在 的不足，在 提高钻井效率和 降低钻井成本的技术要求 的推动下，钻井监控技术在 自动送钻技术发展 的基础上 正朝着信息化、智能化、网络化 、规模化 、开放化和统一化的方 向发展。 关键词 石油钻机 自动送钻 安全监控 现状 发展趋势 0 引 言 随着现代科学和技术的飞速发展 ，钻井装备与 钻井技术的发展有 了很大的进步 。特别是 自动送钻 技术首先实现了钻进过程 自动化 ，大大减少人工控 制给进钻井的诸多缺点 。在钻进过程从人工控制阶 段 向采用 自动送钻技术 自动控制 阶段发展的同时， 钻井安全监控技术的发展 ，使钻机装备和钻井过程 更加安全可靠 ，提高 了钻井的安全性和钻进速度 ， 同时也保证了井身的质量I 2 。 从 目前钻机与钻井技术的发展趋势来看 ，钻井 监控技术也在钻井装备技术高速发展的基础上朝着 信息化 、智能化 、网络化 、规模化、开放化和统一 化的方向发展 J 。智能化钻机与送钻监控系统按 照井场的实时工况 ，实现钻井信息共享 ，自动完成 设定的任务 ，并通过 自诊断功能减少人为因素造成 的故障，提高钻井设备的无故障率 。网络化钻机与 送钻监控系统通过网络将各控制检测部件相连 ，运 用现场总线技术，实现钻井信息的高速传输 ，极大 地提高钻井 的可靠性和效率 。开放化钻机与送钻监 控系统的软硬件能运行在不 同的平台上 ，可以与其 他应用系统兼容，并提供与用户交互 的统一风格 ， 具有可移植性 、可扩展性和可互换性 ，便于生产管 理，提高钻井综合效益 。 随着 自动送钻与钻井过程安全监控技术推广应 用的不断深入，不少钻机 已经配备 了钻井监控装 置，但在智能化、网络化和开放化等方面还有很多 不足。因此 ，研究开放的智能网络化 自动送钻监控 装置具有十分重要的现实意义 。 1 钻井监控技术的基本原理和发展 过程 1 ． 1 钻井监控技术的基本原理 钻井监控技术包括在钻进过程 中对钻井设备运 行状态的安全防护监视和钻进过程 的优化 自动控制 2个方 面，其 中实 现 自动送钻是 其主要 功能和 目 的 ，对钻井设备 的监测是为了更加安全可靠地实现 全面最优 自动化钻井 。 自动送钻是在旋转钻机正常钻进 的过程中，不 依靠司钻调节，而能按钻井工艺要求在给定条件下 钻压 、钻速 和扭 矩等 恒定 实现 钻头 的 自动 进 给。自动送钻通过钻头钻压和滚筒刹车之间建立直 接或间接 的 自动控制关 系，实现钻压 钻 速和扭 矩等保持恒定值 的 目的。 自动送钻 的基本原理 就是 由死绳上的传感器感知大钩载荷 ，与输入的设 定钻压对 比，对 比结果送人中央处理器处理。由中 央处理器控制刹车装置的控制系统 ，自动调节游车 大钩和钻杆的运动 ，从而实现 自动送钻。 安全监控是指在钻机装备和钻井工程事故发生 的早期 ，给出预警 预控 ，预防和控制事故 的发展 ． 最大限度地减少损失。安全监控系统一般由中心站 包括应用软件 、计算机和外 围设备 、 信息传输装 置 、传感器和执行装置几部分组成 。该系统从分站 通过传感器对钻井装备运行状态和井下的各种安全 及生产参数进行实时监测，并将信息及时地传输到 地面中心站 。中心站监控软件根据 先定义好 的配 一 8 8一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 置 ，发送指令给分站，由分站执行断电控制信号 ， 同时中心站对监控数据进行处理 。钻井监控技术使 得石油钻机通过钻井安全监控系统实现 了信息采 集 、处理和分析，借助先进的控制技术进行钻井设 备优化及安全运行 ，确保钻井过程的故障监控 ，提 高钻井综合效益。 1 ． 2钻井监控技术的发展过程 从钻井发展历史来看 ，整个钻井监控技术 的发 展大致可分 为 3个 阶段 ，即人 工手动钻井监控 阶 段 、自动化监控钻井阶段和全面优化 自动送钻监控 阶段 。 2 0世 纪 5 0年代 以前为人 工手动钻井监 控 阶 段 ，司钻观看指重表的钻压 ，并根据钻压 的变化 ， 频繁地抬起和下放刹把实现送钻。同时 ，钻进过程 中设备运行状态监测和记录，钻井参数等数据都 以 人工观察仪表手抄记录为主 ，经常会出现漏抄和错 抄等失误，使得数据的全面性和准确性较差 。由此 判断设备的运行状态是否正常 ，以及据此实现的钻 井过程监控 、安全防护等功能 ，其可信性和可靠性 较低。这种人工控制给进钻井 ，井壁质量差 ，取心 率低 ，容易发生井斜卡钻和上碰下砸等事故 ，钻头 轴承载荷变化较 大，钻头的使用寿命受到严 重威 胁 J 。 2 0世纪 5 0 8 0年代 ，由于喷射式钻井工艺技 术的应用 ，钻井速度有了很大提高 ，对钻井机械化 和 自动化有了迫切要求 ，并采用 了 自动送钻装置 ， 成为 自动化监控钻井阶段 。通过绞车的滚筒轴 转速的控制进行 自动送 钻，具有安全防护的功能 ， 安装事故电动机等装置，确保钻进过程的安全 ，防 止可能发生的卡钻和溜钻等事故 ，同时钻井参数可 以进行记录显示。这时期 的 自动控 制给进精度较 高，安全可靠，但是结构复杂 ，造价较高。其在控 制方面 的不 足在 于只 能根 据 司钻 给定 的设 定 值 钻压 、钻速和扭矩 进行恒值钻井 常见的是恒 钻压钻井 ，钻井 的其他参 数并没有达到最优值。 给定的钻压值 不能根据地层 的变化而适 时进行改 变，也达不到最优值 ，因此钻井效率 、钻井成本和 钻井速度等指标均不是最优值 ，综合效益也不是最 优 。 2 0世纪 8 0年代以后 ，由于电子技术 、自动化 技术、计算机与网络技术的应用与飞速发展 ，出现 了优化钻井 ，开始只是在部分钻井参数上优化 ，其 发展方向是全面优化的 自动化钻井。可以使用软件 实现井眼的远程设计 ，司钻操作人员根据所设计的 轨迹模型 ，通过控制计算机来实现 自动化钻井 。在 钻井效率 、钻井成本和钻井速度等指标以及综合效 益逐步趋向最优的同时，也具有完备的安全监控功 能，降低钻井风险。能够监 控钻井装备的运行状 态 ，甚至井下钻具钻进方向等所有钻井情况。监视 和测量的数据可通过电话或计算机传给远离井场的 指挥中心 ，并可进行记录 、显示和存储。 自动送钻 监控技术结合综合录井仪、钻井参数录井和随钻测 量技术 ，在实时状态下采集钻井工程参数及钻井液 中气体特性参数 ，实现钻井过程监控 、井下异常预 报 、地层压力监测预报和及时发现评价油气层 ，从 而实现在钻井过程中发现油气层 、保护油气层 、减 少井下事故以及提高综合勘探效益的目的 “ J 。 2 钻 井监控技术 的应用现状 2 ． 1 国外钻井监控技术发展与应用现状 国外在 1 9 9 4年已生产出了具有安全监控功能 的全 自动化钻机样机。 目前正在研究之 中的 自动 化 、智能化和网络化的石油钻机及其 自动送钻监控 系统 ，在钻井实践中取得了较好的使用效果 ，美国 在该技术上的发展成效较为突出 - 9 , 1 2 ] 。 到 目前为止 ，美国陆地钻机大部分配有 自动送 钻监控装置 ，有关 自动送 钻监控装置的专利 已有 5 0多项 。以美 国 H o n e y w e l l 公 司和 A c t i o n公司 为代表 ，先后研究开发了多种钻机和钻井过程故障 安全监控系统 ，如紧急停车系统 E S D、停车联锁仪 表系统 S I S 、仪表保护 系统 I P S 、火和气保护系统 F G以及故障安全控制系统 F S C等。 Ma r i t i m e H y d r a u l i c s 公 司的第 1套可编程电子 安全监控处理系统 已在挪威海上钻井平 台上使用。 该系统 自动化操作水平很高 ，可以预先依次将起下 钻操作步骤程序化 ，不需要分别操作绞车、顶驱 、 管子处理装置和卡瓦。系统还包括 1 套先进的防碰 系统和 1 套 自动测量和记录系统 ，用于计算和记录 井中起下的钻具 ，可 以记录钻具的型号、尺寸以及 起下次数和上卸扣扭矩的大小 ，司钻不需要手动控 制操作 ，大大缩短了起下钻时间 。 N a t i o n a l O i l w e l l 公司开发 的 H a w k系列监控软 件可通过互联网接人 ，并将钻井设备的运行情况传 送到上级监控室 。该软件简化 了司钻操作钻 机的方式 ，可监控包括从钻井泵运行到井下钻具钻 进方向的所有钻井情况 。监视和测量的数据可通过 电话和计算机传给远离井场的专家组或支持 中心， 并可进行存储 。使用该软件可以实现井眼的远程设 计 ，并能将图表和二维模型输入到计算机司钻操作 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 5期 张伟等 石 油钻机 自动送钻监控技 术的现状 与发展趋 势 一 8 9一 台，司钻可以根据图表和模型进行操作。 V a r c o 公司开发了可用于远程监视和诊断网内 钻机 的 e d ri l l 系统。钻机各种运行参数可以直接 从置于 V a r c o 公司监测系统 内的智能系统取得 ，用 于最大限度提高顶驱 、排管系统和 V a r c o集成控制 和信 息系统 VI C I S 的性 能。通过该 监 测系 统，操作人员可以访问由解决方案 、事件记录 、运 行检查和通话记录组成的档案数据库 ，网内各种钻 机数据均可共享。该 系统最大的优点是具有网络化 的钻机功能 ，实现了网内钻机信息的共享 。 美 国 M e t r o公 司 和 T o t c o公 司 联 合 研 制 的 T e l e d r i l l 钻机控制系统具有高度的智能化 、信 息化 和网络化 ，只需几名有经验的工程师就可以远程控 制上百台钻机的工作。美国深井钻井队一般只配置 2 5名工作人员 ，明显少于国内相应人员配置 。 英国 N o t t i n g h a m大学研究 了智能石油钻机 ，利 用智能系统实现钻井过程的计算机控制。智能系统 使用数据库储存的数据产生一系列 自动改进预测矩 阵，以保证最优的钻井性能。该钻机有最低钻井成 本和最大机械钻速 2种控制方式。最低钻井成本控 制以钻井成本方程式为依据 ，方程式 中各项参数采 用实时测量数据 ，计算机通过对钻井条件以及上述 矩阵和成本方程式分析与计算之后 ，产生成本矩阵， 推导出使综合效益最优的钻井参数来指导钻井。 法国地质服务公司研制的 A L SK井涌井漏快 速探测系统，通过精确测量钻井液进 、出口流量 ， 自动求得一个流量 门限值 ，实现了对井涌和井漏事 故的预测 ，开发出能够对钻井工程事故进行 自动分 析的产品和系统，已投入使用 。 2 ． 2 国内钻井监控技术发展与应用现状 我国对钻机装备与钻井过程安全监控技术研究 起步较晚 ，目前处 于跟踪 、消化 和吸收的初级 阶 段 ，研究开发出适合我国特殊地质环境的钻机安全 监控技术和方法一直是我 国科研人员的技术难题。 目前 ，国内在 自动送钻安全监控技术方面已取得了 一 些成果 ，多数已有的 自动送钻装置的安全监控功 能不是很完善 ” ’ 。 中国石油勘探开发研究院机械所研发成功的新 型钻机司钻控制系统C E DI 型电子司钻装置 ， 以智能控制器为核心，以盘式刹车为执行机构 ，以 触摸屏操作系统为人机界面 ，通过控制钻机主刹车 实现 自动送钻 和安全 监控。系统能 够实现 自动送 钻 、钻井安全监控和钻井参数曲线显示与记录等功 能。经过试验 ，该系统能够降低钻井成本 ，减轻司 钻的劳动强度 ，提高机械钻速 ，其完备的安全监控 功能降低了钻井作业 的风险。 重庆大学机械传动国家重点实验室用人工智能 和专家系统研究钻机系统故障智能诊断理论以及智 能 自动送钻监控技术 ，建立了钻机常见的故障图形 化模糊神经 网络知识库 ，进行了相应的智能推理机 理论研究。华中理工大学提出了利用反向传播神经 网络进行实时诊断和建立钻压优化模型的方法和钻 进过程实时状 态监 控与事故诊断 的人工智 能方法 专家系统和神经网络法 ，给出了实现钻进过程 实时状态监控与事故诊断专家系统的总体思想 ，以 及如何建立综合数据库 、产生式规则和控制策略的 具体方法和步骤 。这些方法克服传统方法需要建立 数学模型的缺陷，满足钻进过程控制对实时性 的要 求 ，具有一定的应用价值。 北京理工大学提出了基于 自适应模糊控制的双 闭环 自动送钻智能控制方案和基于粒子滤波的钻速 状态估计算法 ，仿真结果证明该方法能够取得较好 的控制性能。四川大学针对钻机送钻过程 的非线性 特性 ，采用了广义 C M A C神经网络及一种快速学习 算法对钻机 自动送钻系统进行控制研究 ，并对不 同 泛化参数下的网络性能进行 比较 ，以获取控制的最 佳参数。在 S I MU L I N K下对送钻系统及神经 网络进 行了仿真 ，并与传统控制方法进行比较 ，仿真结果 证明该方法具有一定 的可行性和有效性。西安石油 大学对石油钻机 自动送钻控制和监控技术进行 了研 究 ，提出自校正模糊控制方法 ，设计 了一种带优化 加权因子的模糊控制器 ，进行了钻井过程防碰天车、 防溜钻和防转盘扭断等安全监控技术模拟研究。 2 ． 3 现有钻井监控装置存在的不足 1 控制模 型难 以建立 ，控 制方法不是很先 进。建立合理的数学模 型是 系统 分析与设计 的基 础。众所周知 ，岩石性能、钻井液性质 、井壁阻力 和刹车机构性能等 因素均会对钻压 的大小产生影 响。钻进过程中存在着许多已知的或未知的不确定 因素 ，石油钻机 自身在工作时也存在大量的不确定 性因素 ，这都给建立合理的数学模型带来困难。目 前 自动送钻装置所采用的控制方法都是线性闭环控 制。另外 ，控制机构与执行机 构的 “ 接 口”存在 结构复杂 、安装 困难 、操作不便 和精度较低等缺 点 ，先进的控制方法难以实施 ，限制了智能化钻井 技术的发展与应用 7 _ J 。 2 控制参数 不是全面最优 ，缺少参数反馈 和处理 。从全面最优化 自动控制钻井的发展趋势来 看 ，现有的自动送钻监控装置缺少一套参数的反馈 和处理系统 ，没有完全达到微机参与实现最优控制 一 9 0一 石油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 的要求。现有的自动送钻装置大多只能根据司钻给 定的钻压进行恒钻压钻井 ，钻井的其他参数均不是 最优值，给定的钻压值不能根据地层的变化而适时 地改变，也不是最优值 ，因此钻井效率 、钻井成本 和钻井速度等指标均不是最优值 ，无法获得最优的 综合效益。虽然基于盘式刹车 的自动送钻监控装置 能够获得稳定 的钻压 ，钻速得到明显提高，但也暴 露出一些诸如通用型数字 P I D测控仪的面板操作较 为复杂 ，难以实现直接钻压控制与显示 ，系统匹配 不尽如人意及可靠性 、安全性不足等问题 。 3 安全监控功能不完备 ，网络化 和开放化 水平低。在 以 自动送钻技术进行钻井作业 的过程 中，人参与的成分大为减少 ，钻进过程又是一个多 方协同完成作业的过程 ，因此对钻机运行状态的安 全监测和钻井过程的全面优化控制一样重要 。目前 的自动送钻装置如 防止 “ 上碰下砸” 等基本防护 和警示功能都已具备 ，但在监控的手段和水平上受 到监控系统网络化和开放化现状的限制 ，视频监控 和远程监控技术在 自动送钻监控装 置上应用较少 ， 大多都采用现场人工值守的模拟监控方式 ，在媒体 分发、录像存储 、并发调度 、业务交叉和资源共享 等方面还有很大缺陷 ，制约了钻井安全监控技术向 数字化 、网络化和规模化的方向发展 ’ ” j 。 3 钻井监控技术的发展趋势 在提高钻井效率 、降低钻井成本 的技术要求不 断推动下 ，石油钻井装备的适应性 、经济性和可靠 性不断提高 ，适用于各种钻井 工艺的钻机不断涌 现。钻井监控技术也在钻井装备技术高速发展的基 础上朝着信息智能化 、网络规模化和开放统一化的 方 向发 展 ’ ” I 1 j 。 3 ． 1 信 息 智能化 利用外部 网络 ，实现钻机的远程操作 、钻井信 息共享和钻井全过程智能化控制 ，并通过人工专家 智能系统实现钻井过程中的远程故障诊断。随钻测 量技术和智能钻具控制技术实现钻机智能化运作 ， 按照井场的实时工作状况 ，自动完成设定 的任务， 并通过 自诊断功能减少人为因素造成 的故障，提高 设备的无故障率 ，从而真正实现远程支持 、智能优 化钻井。 3 ． 2网络 规模化 通过网络将各控制、检测部件相连，运用现场 总线技术 ，建立钻井过程监控 网络和企业 内联网， 将多台钻机联 网，司钻控制系统 、钻井参数系统 、 综合录井系统 、远程监控系统、在线监测系统 、远 程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系 统 、电气液集成控制系统 、钻 台 自动化机具系统 、 井眼轨迹 自动化控制系统以及随钻测量系统等实现 网络化 ，实现钻井 数据高速传输和钻机 的优化 调 度 ，提高钻井效率和可靠性。 3 ． 3 开放 统一化 钻机与送钻监控系统的开放化 ，其系统的软硬 件能运行在不同的平台上 ，可以与其他应用系统兼 容 ，并提供与用户交互的统一风格 ，以便于生产管 理 ，提高钻井综合效 益。具有互操作 性 、可移植 性 、可扩展性和可互换性是钻机与送钻监控系统开 放化发展的要求。 4 结 论 钻机装备与钻井监控技术在 自动送钻技术发展 的基础上正朝着高适应性 、高经济性、高可靠性以 及信息化、智能化、网络化、规模化 、开放化和统 一 化的方向发展。笔者对钻井监控技术的基本原理 、 使用效果、发展历程 、应用现状 以及钻机与钻井技 术的发展趋势进行了总结分析，得出以下结论 1 钻井过程 中存在着诸多不确 定因素，建 立合理的数学模型 比较困难。因此 ，可以通过模糊 控制 、神经网络和专家系统等人工智能手段来研究 钻机系统故障智能诊断理论以及智能自动送钻监控 技术，建立钻机及钻井过程中常见的故障模型 、图 形化模糊神经网络知识库和智能推理机等 ，提供钻 机钻井过程监控系统最优解决方案 ，对安全事故进 行预测预控，实现全面优化钻井的 目标 。 2 利用现场总线技术和无线通信技术组建 网络化的钻机群控系统，并使钻井监控系统的软硬 件设计和开发具备统一开放的特点 ，建立统一的信 息共享平 台，使 网内钻机之间 的信息能够实现共 享 ，分布在不同工作区域的钻机采用信息融合的手 段实现智能优化钻井 ，提高钻机之间的协调水平 ， 同时提升钻机的安全监控水平 ，使得钻井的综合效 益最大化。 3 应用诸如视 频监控、远程监控等先进 的 监控手段 ，代替 目前 现场人工值守 的模拟监控方 式 ，把监控的范围扩展到对钻井装备和钻进过程的 全面监控。在实现钻机信息化、网络化和规模化的 基础上 ，提升媒体分发 、录像存储 、并发调度 、业 务交叉和资源共享等方面的监控水平 ，实现监督、 管理和控制三位一体的综合功能。 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 张伟等 石 油钻机 自动送钻监控技 术的现状 与发展趋 势 一 9 1一 上接第 8 6页 3 综合考虑 番 禺 581井 的测试 过程 ， 建议使用 4个伸缩节 ，其中 3个 长约 4 ． 5 m用 于管柱伸长 ，1个 长约 1 ． 5 m用于管柱缩短 。 参考文献 [ 1 ] 梁明熙 ．海上高温高压井测试技术 [ J ]．天然气工 业 ，1 9 9 9 ，1 9 1 7 6 7 9 ． [ 2 ] G a o D e l i ，G a o B a o k u i ． D i s c u s s i o n o n S a f e t y o f HP H T 0 i l G a s We l l s [ C]． P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 2 I n t e r n a t i o n a l S ymp o s i n m o n Sa f e t y S c i e nc e a nd Te c hn o l o g y， B e i j i n g ，2 0 0 2 6 6 1 6 6 5 ． [ 3 ] 高宝奎，高德利 ．高温高压测试管柱变形增量计算 模型 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 2 ，2 2 6 5 2 5 4 ． [ 4 ] [ 5 ] 高宝奎，高德利 ．高温高压井测试油管轴 向力的计 算方法及其应用 [ J ]．石油大学学报，2 0 0 2 ，2 6 6 3 9 4 1 ． 高德利，王兆会，高宝奎 ．热采井套管的材料温度 效应及 应 力分 析 研 究[ J ]．石 油 机 械 ，2 0 0 4 ，3 2 特刊 4 75 1 ，5 6 ． 第一作者简介唐海雄，高级工程师，1 9 8 3年毕业于 江汉石油学院钻井工程专业，现从事海洋石油海外及深水 钻完井技术和作业管理工作。地址 5 1 8 0 6 7 广东省深圳 市o Ema i l t a n g h x c n o o c ． t o m ． c n 。 收稿 日期 2 0 0 91 2 3 0 本文编辑赵连禄