现代先进技术在石油钻机中的应用及展望.pdf

2 0 1 4年第4 2卷第 1 1 期 石 油机械 C HI NA P E TROL EUM MACHI NERY 钻井技术与装备 现代先进技术在 石油钻机 中的应用及展 望 栾 苏 梁春平 于兴军 张鹏 飞 梁卫斌 国家油气钻井装备工程技术研究中心；宝鸡石油机械有限责任公司 摘要 为了推动我国钻机技术的不断进步和钻机配套技术的快速发展，在阐述 电力拖动技术 、 自动化控制技术、传感检测技术、机器人技术、网络信息化技术和计算机集成控制技术在国内外 钻机上的应用现状后，指 出未来钻机 的新技术研究主要 围绕智能钻井、集散控制、远程司钻和在 线故障检测及诊断展开；环境恶劣、工作载荷大、危 险系数高等是钻 井作业 的特 点，随着各种新 技术在钻机 中的应用 ，钻机将朝着 自动化、智能化和信息化的方 向发展。石油钻井装备制造企业 应加大科研投入 ，联合钻井作业单位加快新技术在钻机 中的应用。 关键词钻机；先进技术；应用现状；发展趋势；智能钻井；远程司钻 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 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 1 Ap p l i c a t i o n a n d Pr o s pe c t s o f Adv a nc e d Te c h no l o g i e s o n t he Dr i l l i ng Ri g L u a n S u L i a n g C h u n p i n g Y u X i n g j u n Z h a n g P e n g f e i L i a n g We i b i n 1 ． N a t i o n a l O i l G a s D r i l l i n g E q u ip m e n t R e s e a r c h C e n t e r ；2 ． C N P C B a o j i O i e l d Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． Abs t r a c t To p r o mo t e t he c o n t i nu o us i mp r o v e me n t o f Ch i n a’ S d ril l i n g r i g t e c hn o l o g i e s a n d r a p i d d e v e l o p me n t o f s up p o r t i n g t e c h n o l o g i e s， t he a p p l i c a t i o n s t a t u s o f e l e c t ric d riv e t e c h n o l o g y， a u t o ma t i c c o n t r o l t e c hn o l o g y， s e n s o r t e c h n o l o g y，r o b o t i c s ， n e t wo r k i n f o r ma t i o n t e c h no l o g y a n d c o mp u t e r i n t e g r a t e d c o nt r o l t e c h n o l o gy o n t h e d r i l l i n g r i g a r e i n t r o d uc e d ． I t i s po i n t e d o u t t h a t t h e f ut ur e t e c hn o l o g i e s wi l l ma i n l y f o c u s o n i n t e l l i g e n t d r i l l i n g， d i s t r i bu t e d c o n t r o l ， r e mo t e d ril l e r a nd o n l i n e f a ul t d e t e c t i o n a n d d i a g n o s i s ． T he d r i l l i n g o p e r a t i o n s a r e us ua l l y c ha r a c t e r i z e d by h a r s h e n v i r o n me n t ，h i g h w o r k l o a d a n d h i g h r i s k ． Wi t h t h e a p p l i c a t i o n o f v a r i o u s n e w t e c h n o l o g i e s ，t h e d ri l l i n g r i g w i l l a d v a n c e t o w a r d s a u t o ma t i o n， i n t e l l i g e n t i a l i z a t o n a n d i n f o r ma t i o n a l i z a t i o n ． T h e d r i l l i n g e q u i p me n t ma n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s s ho u l d i n c r e a s e r e s e a r c h i n v e s t me n t a n d c o rp o r a t e wi t h t h e d r i l l i n g s e r v i c e c o mp a n i e s t o a c c e l e r a t e t he a p p l i c a t i o n o f n e w t e c h no l o g i e s o n t h e d r i l l i n g r i g ． Ke y wo r d s d r i l l i n g r i g； a d v a n c e d t e c h n o l o g y； a p p l i c a t i o n s t a t u s； d e v e l o p me n t t r e n ds ； i n t e l l i g e n t d r i l l i n g； r e mo t e d ril l e r 0 引 言 为适应各种不同地域环境油气藏 的勘探开发 ， 国内外先后开发了顶部驱动钻机 、小井眼钻机 、快 速移运钻机、套管钻机 、液压钻机及 自动化钻机等 多种类型的石油钻机 ，钻机配套技术也得到快速发 展。很多研究人员对国内外钻机 的发展现状进行了 调研 ，并对 钻机的发展趋势进 行 了分析 ，主 要从钻机 的结构形式 、驱动方式 、钻深能力及环境 适应能力等方面做 了综述 。如文献 [ 4 ]介绍了我 国石油钻机的技术现状 ，同时指 出与国际技术水平 的差距 ；文献 [ 6 ]介绍了变频钻机、顶部驱动钻 机 、小井眼钻机及快 速移运钻机 等 国内外新型钻 机 ；文献 [ 7 ]介绍 了 国内外超深井 和套管钻机 ； 文献 [ 1 0 ]详细介绍 了国外钻机 的 自动化 和智 能 化 、形式多样化 以及小型化和轻型化 ，另外 ，对激 光钻机 、海底钻机和齿轮齿条钻机 的技术现状也有 基金项 目国家 8 6 3计 划项 目 “ 深水钻机及钻柱 自动化处理关键技术研究” 2 0 1 2 A A 0 9 A 2 0 3 。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 l 1 期 所分析。这些对 比研究对 国内钻机技术的不断进步 有着重要的推动作用 。笔者就若干先进技术在油气 钻机中的应用进行阐述。 1 国内外应用现状 1 ． 1 电力拖动技术 电力电子技术起源 于 2 0世纪 5 0年代末 和 6 0 年代初 ， 7 0年代 开始广 泛应 用于 电力拖 动行 业。 自从 国外将电力电子技术应用于石油钻采装备行业 后 ，钻机的驱动模式发生了很大转变 ，出现了电驱 动钻机 ，尤其是全数字交流变频驱动技术 的应用 ， 使钻机的机械结构得 到简 化，减轻 了维护保养工 作 ，提高了安全性 、可靠性和移运性能 ，易实现 自 动化控制及安全互锁 ，操作方便灵活、故障诊断及 维修保养方便；同时对提高钻井时效、优化钻井工 艺及处理井下事故等 十分有利 _ l ，成为钻机 的主 流模式。经过近 4 0年 的发展 ，电驱动钻机的性能 已趋近完善和成熟。 然而在 国内，电力驱动技术的应用相对较 晚， 1 9 9 7年宝鸡石油机械有 限责任公 司 以下简称宝 石机械 第 1次将变频技术用在 5 0 0 0 1T I 钻机上 ， 到 2 0 0 2年 ，宝石机械和四川宏华石油设备有限公 司 以下简称宏华 成 功将变频 驱动技术 用 于 7 0 0 0 m钻 机 ，开始 了变频 钻机 的 系列化 生产 。 同时开始在 自动送钻系统和顶驱驱动系统中广泛采 用变频驱动技术 。 1 ． 2自动化控制技术 为了满足 日益增长的质量和效益要求 ，很多工 业领域大量采用 自动化控制技术 。石油天然气工业 也力求实现钻井 自动化 以提高作业效率 ，保证作业 质量 ，提高作业能力及安全性 ，降低作业成本 。 通过 自动化控制技术与交流变频技术 、传感检测技 术和液压驱动技术的结合 ，使各种钻井装备更智能 化 ，性能更优 良，如 B E N T E C的转盘软扭矩控制、 钻井泵软泵功能 、T P C的扭矩安全功能、泵同步功 能和防反转功能等 ；使钻机不仅实现 自动送钻 ， 还出现 了大量 自动化设备 ，如铁钻工和 动力猫道 等。这些设备在 国外 已经很成熟 ，如阿克 、国民油 井、T S C的钻台机械化设备 ，威德福公 司的 P o w e r 。 F r a me 井架工等。国内的 自动控制技术 在钻机应 用方面也取得一些成果 ，如宝石机械和宏华的铁钻 工 、动力猫道及井架工等机械化设备 。 自动化钻机的出现是 自动化控制技术在油气钻 机 中成熟应用 的典型代表 ，如德 国 B e n t e c公 司的 自动化钻机 ，英 国生产 的 R A D钻机、英 国 B P公 司与阿拉斯加技术公司研发的轻型 自动化钻井系统 L A D S 都采用 先进的 自动化控制 技术实现钻 机 自动化 加 ] 。 智能钻井则是 自动化控制技术在钻机 系统中应 用的高度体现。钻井 自动化系统具备随着不确定环 境 、地面和井下数据变化实时调整司钻参数 ，并进 行 自动送钻u 1 。自动钻井技术不仅要求钻 机系统 具有基于计算机控制的适用性和交互式控制，同时 具备数据信息的管理能力l 1 2 3 。国外关 于该技术 的 研究较早 ，应用也 比较成熟 ，比如 国民油井 开发的 自动钻井插件应用在钻井服务中，能通过采 集 的数据分析 自动优化模型和算法 ，还有斯伦 贝谢 S c h l u mb e r g e r 等公 司也将 该 技 术 用 于钻 机。国内学者及技术人员也做了大量研究工作 ， 各钻井公司或钻井工艺研究单位在积累了大量 的钻 井工程经验后 ，开发过一些专家系统 ，为钻井工艺 提供施工参考 ，但未实现与钻机的结合 ，不能达到 钻井过程的智能化和 自动化。 1 ． 3 传感检测技术 传感检测技术是实现 自动控制 的关键 ，在很大 程度上传感 器检测技术 的水平 直接影 响系统 的质 量 。钻机最初使用传感器主要用在仪表系统 ，进行 钻井过程的工艺参数监视 ，主要是各种流量传感器 和压力变送器等 。随着钻机控制系统的完善以及各 种 自动化设备在钻机中的配套 ，使得各种先进 的传 感检测技术在钻机系统中得到广泛应用 ，比如位移 传感器、各种编码器、接触及非接触式探头等采用 超声波 、红外线、电磁等先进技术作为钻机配套的 检测技术 。钻机配套的传感器的接 口形式也由最初 的直接电信号输出，演变成基于 C a n 、A Si 、P r o fi b u s 等多种现场总线技术 的网络结构 ，工业 电视 监控探头也 由最初的模拟信号单点输入变为现在 的 基于 T C P ／ I P的 7 2 0 P甚 至 1 0 8 0 P的高清 网络摄像 头 ，大大提高了传感系统的稳定性和精确性 ，同时 减少了现场的布线 ，使用和维护更方便 。 1 ． 4 机 器 人技术 机器人是集机械工程 、电子 、控制 、计算机 、 传感检测和伺服驱动等一 系列先 进技术 的综合应 用。2 0世纪后 ，机器人技术在钻井 装备 中也得 到 应用 ，如阿克公司的 MH机器人运动控制系统应用 于垂直排管机 、折臂抓 管机等管柱 处理 系统 ；H I H U I S MA N 系列 自动化钻机中的管柱处理系统 ，威 德福公司的全 自动机械化钻机配套的 I r o n D e r r i c k m an等已成熟应用于海洋及陆地钻机。 2 0 1 4年 第4 2卷 第1 1 期 栾 苏等现代先进技术在石油钻机中的应用及展望 的很多通用工业技术在钻机上 的应用都十分成熟 ， 而这些新技术 在 国产钻机 中的应 用很多才 刚刚起 步 ，甚至有些仍属空 白，导致高端钻机市场被国外 钻机生厂商垄断的主要原因有以下几点 1 我国科 技起步较 晚，基 础 比较薄 弱，很 多工业技术本身就滞后于国外 。 2 钻机 的使用环境对配套设备 的要求 耐 候性好 、防爆及 防护等级 高、可靠性 高等 限制 了很多新技术的推广 。 3 我 国石油钻井装备制造企 业 的科研投入 普遍不足 ，基础技术开发力度不够 ，大多是按合同 订单开发，被动应付市场， 很少提前投资进行前沿 技 术 或产 品开 发 J 。 4 出于短期 生产效率 和安全性 的考虑 ，很 多用户不愿意尝试新产品的应用及试验 ，给新技术 的应用和改进带来很大难度 。 5 基于成 本 因素 的考虑 ，一 些含有高新技 术 的钻机在国内陆地不易推广 ，使得钻机生产企业 缺少相关技术积累。 环境恶劣 、工作载荷大 、危险系数高等是钻井 作业 的特点 ，随着各种新技术在钻机 中的应用 ，钻 机将朝着 自动化、智能化和信息化的方向发展 ，为 钻井作业降低作业强度和危险系数 ，提高劳动效率 提供装备保障。从长远发展看 ，中石油公司将采用 新技术提高效率 ，进而来降低成本 ，钻井承包价格 将更多地考虑装备 的技术先进性 和安全可靠性 J 。 可见 ，加强先进 工业技术 在钻机 中的应用十分重 要 ，石油钻井装备制造企业应加大科研投入 ，联合 钻井作业单位加快新技术在钻机 中的应用 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] 及发展前景 [ J ]．石油机械，2 0 0 9，3 7 9 1 3 6 1 3 9． 王定亚 ，孙娟 ．交流变频钻机技术现状及发展建议 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 8 ，3 6 5 6 6 6 9 ． 王进 全 ，王维 旭 ．国外钻机 技术 现 状及 我 国的发 展策略 [ J ]． 石油机械，2 0 1 1 ，3 9 6 6 5 6 9 ． 张奇志 ．电动钻机自动化技术 [ M]．北京石油 工业 出版社 ，2 0 0 6 7 9 ． A l d r e d W ，B o u r q u e J ，C h a p ma n C，e t a 1 ． Dr i l l i n g a u t o m a t i o n [ J ]． O i l fi e l d r e v i e w S u m me r ，2 0 1 2 ，2 4 2 1 8 2 7 ． P i n k T，B r u c e A，K v e r n e l a n d H，e t a 1 ． Bu i l d i n g a n a u t o ma t e d d r i l l i n g s y s t e m wh e r e s u r f a c e ma c h i n e s a r e c o n t r o l l e d b y d o w n h o l e a n d s u rf a c e d a t a t o o p t i mi z e t h e w e l l c o n s t r u c t i o n p r o c e s s[ R]．I A D C ／ S P E 1 5 0 9 7 3 ， 201 2． Ve g a M ， F r e i t a s M ， S c h e i d C， e t a 1 ． Au t o ma t i c no n i t o r i n g a n d c o n t r o l o f a n n u l u s b o t t o m h o l e p r e s s u r e f o r a a f e o i l w e l l d r i l l i n g o p e r a t i o n s[ J ]． C h e m i c a l E n g i n e e r i ng Tr a n s a c t i o n s，201 2，2 6 3 3 93 4 4． T h o n h a u s e r G． Us i n g r e a l t i me d a t a for a u t o ma t e d d ri l l i n g p e rf o r m a n c e a n a l y s i s[ J ]． O i l G a s E u r o p e a n M a g a z i u e ，2 0 0 4 4 1 7 0 1 7 3 ． [ 1 6 ] G o d h a v n J M，P a v l o v A，K a a s a G O，e t a 1 ． D ri l l i n g s e e k i n g a u t o m a t i c c o n t r o l s o l u t i o n s[ C ] ∥T h e 1 8 t h I F A C Wo r l d C o n g r e s s ． Mi l a n o I t a l y ，A u g u s t 2 8 一 S e p t e mb e r 2，2 0 1 11 0 8 4 21 0 8 5 0 ． [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] 马家骥 ．我国石油钻机的发展与对策 [ J ]．石油机 械，2 0 0 1 ，2 9 5 1 5 ． [ 2 0 3 于文平 ．陆地钻井装备的配套技术 [ J ]．石油机 械 ，2 0 0 1 ，2 9 3 4 6 4 8 ． 罗超 ．浅 论 我 国 石 油 钻 机 技 术 现 状 和 发 展 策 略 [ J ]． 石油机械 ，2 0 0 3 ，3 1 1 4 6 4 9 ． 王进全 ．关于我国石油钻机技术的现状及其研发思 考 [ J ]．石油机械，2 0 0 6 ，3 4 1 71 0 ． 张用德，袁学强 ．我国海洋钻井平台发展现状与趋势 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 8 ，3 7 9 1 41 7 ． 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 ． 裴学良．国内外石油钻机新技术及发展趋势 [ J ]． 科技创新导报 ，2 0 0 8 8 1 1 1 ． 王定亚 ，王进全 ． 浅谈我国海洋石油装备技术现状 [ 2 1 ] Ro ws e 1 1 P J ． T h e a u t o ma t i c o p t i mi s a t i o n o f d ri l l i n g p e r f o r m a n c e[ D]． N o t t i n g h a mU n i v e r s i t y o f N o t t i n g h a m ， 1 9 91 ． S l a t o n M． I n l a r g e a n d s ma l l s t e p s ， n e w t e c h n o l o g y a n d n e w b u i l d s r e i n v e n t h o w h o l e i s m a d e J ] ． Wo r l d O i l ，2 0 1 3 1 2 5 76 8 ． 张绍槐 ．论智能钻井理论与技术及其发展 [ J ]． 天然气工业 ，2 0 0 8 ，2 8 1 1 1 5 ． An o n ．S t a t o i l t o us e RFI D t o ma n ag e d r i l l p i p e s a t o f f - s h o r e r i g s[ J ]． R F I D J o u r n a l [ 2 0 1 4 0 9 0 2 ] ． h t t p 7 7 n ． r f i d j o u rna 1 ． c o rn ／ a r t i c l e ／ v i e w ／ 9 6 5 4 Ha n n e g a n D， Gr a y K．Re a l t i me d a t a f r o m c l o s e d l o o p d ri l l i n g e n h a n c e s o ff s h o r e H S E [ J ]． Wo r l d O i l ，2 0 1 3 3 3 34 2 ． 第一作者简介 栾苏，高级工程师 ，生于 1 9 7 1年 ， 1 9 9 5年毕业于石油大学 华东机制专业，现从事油气钻 井装备研发工作。地址 7 2 1 0 0 2 陕西省宝鸡市。电话 0 9 1 7 3 4 6 2 1 6 9 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 5 本 文编辑王刚庆