国内石油钻机自动化技术现状与建议.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY 一2 5 一 ●钻 井技 术与装备 国内石油钻 机 自动化技术现状与建议 于兴军 ， 宋志刚 ， 魏培静 ， 张润松。 曹振兴 李庆福 ， 樊勇利 ， 1 ．宝鸡石油机械有限责任公司2 ．国家油气钻井装备工程技术研究中心3 ．中国石油装备制造分公司 摘要 目前国内在石油钻机 自动化技术方面取得 了一定进展 ，但 与国外先进技术相比，仍存 在着较大差距。阐述 了国产 石油钻机在变频传动 V F D 和 晶闸管整流传 动 S C R 、基 于 P L C 的数字控制以及管柱处理设备等自动化技术方面的现状，分析 了国内在钻机 自动化系统统一规划 设计 、钻机 电机定制化开发 以及现场 电气设备安装等方面存在 的问题及原 因，并通过与国外 同行 技术对比，对 国内钻机在多样性管柱 自动输送及排放 、钻机节能、基于交互式虚拟现实技术的司 钻培训系统等方面需要开展 的具体工作 ，提 出了几点建议。 关键词钻机 ； 自动化；电机 ；集成控制；管子处理装置 中图分类号 T E 9 2 8 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 6 The Te c h ni c a l St a t u s a nd Re c o m me nd a t i o ns o n t he Do me s t i c Dr i l l i ng Ri g Au t o ma t i o n Y u X i n g j u n ’ S o n g Z h i g a n g ， We i P e i j i n g ， Z h a n g R u n s o n g C a o Z h e n x i n g ， L i Q i n g f u ， F a n Y o n g l i ， 1 ． 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 ． ；2 ． 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 ；3 ． C N P C E q u i p m e n t Ma n u f a c t u r i n g C o m p a n y Ab s t r a c t Al t h o u g h t h e d o me s t i c d ril l i n g rig s h a v e b e e n ma d e s o me p r o g r e s s e s i n t h e a u t o ma t i o n t e c h n o l o g y， b ut t h e r e i s s t i l l a l o n g wa y t o g o t o c a t c h u p wi t h t h e f o r e i g n a d v a n c e d t e c h no l o gy ． Th e c u r r e n t s t a t u s o f d o me s t i c d r i l l i n g r i g i n t h e a u t o m a t i o n t e c h n o l o g y i s d e s c r i b e d ，i n c l u d i n g v a ri a b l e e q u e n c y d r i v e V F D ，s i l i c o n c o n - t r o l l e d r e c t i fi e r S C R d r i v e ，d i g i t a l c o n t r o l b a s e d o n t h e P L C a n d p i p e h a n d l i n g e q u i p me n t ． T h e i s s u e s o f t h e u n i fle d pl a n n i n g a nd d e s i g n o f t h e d o me s t i c r i g a u t o ma t i o n s y s t e m ， c u s t o mi z e d r i g mo t o r d e v e l o p me n t a n d t h e o n s i t e i n s t a l l a t i o n o f e l e c t ric a l e q u i p me n t a r e a n a l y z e d． By c o mp a rin g wi t h t h e f o r e i g n c o un t e r p a r t s’t e c h no l o g y， t h e r e q u i r e d s p e c i fi c j o b s a r e d e t e r mi n e d a n d t h e r e c o m m e n d a t i o n s a r e p u rpo s e d o n t h e d o me s t i c d ri l l i n g r i g d e v e l o p me n t i n d i v e r s i fie d pi pe a ut o ma t i c t r a n s mi s s i o n a n d r a c k i n g， e n e r g y s a v i n g a nd t h e d r i l l e r t r a i ni n g b a s e d o n i n t e r a c t i v e v i rtu a l r e a l i t y t e c h n o l o g y ． Ke y wo r ds d r i l l i n g rig； a u t o ma t i o n； mo t o r ； i n t e g r a t e d c o n t r o l ； p i p e h a nd l i ng d e v i c e 0 引 言 随着石油钻井技术的不断发展 ，石油钻机在结 构形式 、传动方式和运输模式等方面都发生了很大 变化 ，先后 出现 了机械传动钻机 、液压驱动钻机 、 电动钻机 、海洋模块钻机、沙漠快移钻机和直升机 吊装钻机等 。近年来 ，钻井作业市场竞争 日益 激烈 ，各钻探公司都希望在加快进尺的同时还能保 障作业安全 ，降低工人劳动强度 ，故越来越多钻井 装备采用 自动控制技术 ，通过智能控制器和必要 的 执行机构来代替高强度体力工作 。国内在此方面虽 然取得了一定进展 ，但与国外先进企业相 比仍然还 有许多差距 ，特别是在细节设计方面还存在诸多不 足。笔者对国内钻机 自动化技术现状进行 了分析 ， 并提出今后 的发展建议 ，希望对相关技术人员能有 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 深水钻 机与钻柱 自动化处理关键技术研究 ” 2 0 1 2 A A 0 9 A 2 0 3 的部分研究 内容。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 所帮助 。 1 我国石油钻机 自动化技术现状 1 ． 1 变频传动 V F D和晶闸管整流传动 S C R 技术得到广泛应用 电力拖动技术引入钻机后 ，以调速性好 、传动 简单等优势得 以迅速推广。 目前 ，电动钻机已经 占 据国内钻机订货市场大部分份额。其核心的交流变 频传动技术和晶闸管整流传动技术也已经趋于成熟。 对于交流变频 钻机而言 ，以西 门子 1 2 0系列 变频器和 A B B A C S 8 0 0变频器为代表的变频传动功 率元件已经成为钻机的标准配置 ，国内也已研制出 国产变频器 ，但受 限于钻井公司用户 的接受程度和 可靠性等问题 ，目前 尚未得 以推广。根据 电源系统 整流后直流母线处理方 式的不 同，交流钻机 又有 “ 多传动”公共直流母线方式和 “ 单传动”一对一 模式 ，二者各有优势。对于新制钻机而言 ，“ 多传 动”具有结构 紧凑 ，成本相对低 等优点 ；对 于 旧 钻机改造或增添驱动设备而言 ，“ 单传动”具备兼 容性好 、改造费用低等优势。 对于直流钻机而言 ，以美 国 R o s s HI L L公 司为 代表的直流驱动技术 占主导地位 ，目前国内直流钻 机 S C R晶闸管整流装置 以西 门子 6 R A 7 0系列调速 器为主要功率驱动单元。 1 ． 2 电动钻机动力源出现多种型式 目前 ，电动钻机动力源主要是采取柴油发电机 组发 电，并通过发电控制系统并网形成井场范围内 的局部电网 ，对绞车 、顶驱以及生活区辅助系统进 行供 电。借助于数字式或者 模拟式发 电机 控制系 统 ，可实现多台机组的 自动并机和解列 ，并可根据 负载情况 自动分配各机组输 出的有功功率和无功功 率 ，同时具备 逆 功、欠频 、过压 、超 速等保 护 功 能。目前 ，钻机用 柴油发 电机组仍 以美 国 C A T公 司产品为主，同时 ，中国石油集团济柴动力总厂研 制的油田机组也已在钻机上进行了部分配套 。 对于个别天然气资源丰富的作业地 区，钻井公 司提 出了采用燃气机组的构想 。据报道 ，国内相关 油 田也已为此进行 了燃气机组的试用 ，但限于这种 机组 自身固有的 “ 软”特性，使其在处理钻井重 负载工况时无法对所需 电能给予快速有效保障，成 为该技术应用 的瓶 颈。为此 ，相 关厂商研制 出了 油、气混合双燃料机组 ，这种机组可根据负载情况 自动调节供给燃料的比例，目前正处于初期工业试 验 中 还有一类钻井作业区域 ，其作业地具有便利的 工业 电网接 口，故可采用将 1 1 k V等高压网通过变 压器 以及相应配电柜处理后实现工业 电源 的接入 。 由于钻机用电设备 中多为感性负载 ，其会导致无功 功率增大 ，恶化供 电电网质量 ，对地方电网影响很 大 ，为此有时需通过无功补偿装置对钻机 电网功率 因数进行调整 。网电方式可大大提 高钻机工作 的可靠性和经济性 ，降低钻井成本 和工人劳动 强 度 ，降低噪声 ，减少污染。 1 ． 3 基于 P L C的数字控制系统成为钻机控制核心 随着用户对钻机 自动化性能和安全性能要求的 提高 ，相关功能的实现仅依靠 电气硬件 电路来实现 已经非常困难 ，为此 ，以 P L C为核心 主控制器并 辅以软件程序的数字控制系统成为钻机 电控系统 的 “ 司令部” 。 目前钻机主流的后台控制采 用 1套西 门子 S 7 3 0 0 P L C控制器的方式 ，为了提高可靠性 ，有 时 会采用 2套 P L C 一用一备 “ 冷备份” 的方式 ， 当在用控制器 出现故障时 ，可手动切换 到第 2套 P L C工作模式上，由于切换过程需要人为操作 ，且 启动过程会导致设备停机 ，故也存在缺陷。为此 ， 近年来又出现 了应用一套 S 7 4 0 0 H作 为控制器 的 “ 热冗余 ”方案 ，该 P L C具有 2套核心处理器 ，可 同时在线运行 ，当一套处理器 出现故障 ，第 2套会 自动投入运行 ，不会影响设备的工作 ，但系统成本 会有所增加。 触摸屏操作 、工业 P r o fi b u s 通信或光纤通信等 新技术在石油钻机 中也 成为标准 配置 ，为 钻机 的信息化 、集成化提供了硬件支撑平 台。 1 ． 4 部分 自动化工具逐步在钻机上推广 近年来 ，随着钻井 公司 H S E的要求 ，对 自动 化工具 的需求 日益旺盛。国内钻井装备生产商也纷 纷研制各 自的产品。 目前 ，国内 自动化工具仍 以地 面及钻台管柱输送设备为主，如宝鸡石油机械有限 责任公司的铁钻工 、动力猫道等 见图 1 、图 2 。 图 1 宝石机械公 司铁钻 工 F 1 T h e i r o n r o u g h n e c k o f B a li O i l fi e l d M a c h i n e r y．C o ． ，L t d ． 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1期 于兴 军等 国 内石 油钻机 自动化技术现状与建议 做法是通过电阻转化为热能散发 ，白白浪费掉。在 港 口起重设备上 ，上述工况产生的电能已经可通过 快速充电的超级 电容进行 回收 ，这项 技术完 全 可以在钻机上进行转化应用。 3 ． 4 基于交互式虚拟现实技术的司钻培训系统开发 目前 国 内对钻机 司钻 的培训仍是通过产 品样 本 、图纸和视频资料 进行理论培训 ，缺乏互 动性 ， 无法实现真实的操作体验。随着未来基于集成控制 的 自动化钻机的出现 ，这种培训方式 已经无法满足 要求。 航 空业 已经采用 了基 于交互式虚拟现实 技术 飞行模拟器来对飞行员培训 ，即培训人员通过 实体操作终端进行操作 ，借助数字样机投影或显示 的方式营造设备工作场景 ，设备的具体动作取决于 参加培训人员的实际操作 ，并可在操作终端对设备 的状态进行必要的显示 ，让操作者有非常强的真实 感 。国外公司已经将此作为一项钻机销售附加业务 开展 。宝鸡石油机械有 限责任公司承担 的中国石油 装备制造分公 司科技 统筹项 目 “ 钻 机集成控 制仿 真培训 系统研制” 是该方面 的一次探索 ，目前 已 完成样机试制 ，并 已对J l l 庆钻探公司多名司钻人员 进行了相关培训。国内还应继续加大此方面的技术 投入。 3 ． 5 开发专家故障诊断 系统、延续钻机后续增值 服务 专家故障诊断系统通过现场数据采集终端将各 设备参数通过无线传输方式反馈给钻机制造厂和钻 井公司管理部门 ，通过系统 自动判别分析 ，最终为 即将到达生命周期的设备提 出警示信息 ，提高钻机 故障征兆分析能力 ，一方面便于设备生产商提前进 行备件生产 ，另一方面作业人员可根据现场实际情 况做好更换准备预案。 美 国 N O V公 司 “ e H a w k ”优化服务就是 此类 产品 ，其具有在线技术支持 、故障诊断 、远程监视 及维护提醒分 析等功能 J 。该技术是 一项长期 的 “ 软”服务 ，一直可延续到 钻机 的整个 生命 周期 ， 是提升厂商服务水平的重要体现。 4 结 论 石油钻机生产是一项系统工程 ，涉及专业面较 广 。为 了提升国产钻机的 自动化水平 ，需要钻机主 机制造厂 、外围配套厂商、专业技术公司问通力协 作 ，扬各家之所长 ，共同攻坚克难 ，为中国制造的 石油装备 在现 有 “ 强壮” 的躯体 上装上 “ 智 慧” 的大脑 ，使国产装备与国外标杆企业产品在高端石 油装备舞 台上可同台竞技 ，提升中国石油钻采装备 形象 。为此 ，国内企业 尚需做好 以下几点工作。 1 国内钻机在 自动化技术方面 已经取 得的 成果应继续保持和进一步优化 ，形成更多适应中国 钻井市场的技术和产 品。 2 对于电气系统在现场施工过程 中存 在的 不规范现象 ，须加强第三方监管和行业 自律 ，制造 商更应严格按照标准要求执行 ，杜绝随意性 。 3 对于 国外 已经领先 的 自动化工具 以及故 障诊断系统等衍生钻机产品 ，国内应加大研究投入 力度 ，采取多方协作联合开发方式 ，缩短与国外产 品的差距 ，尽快实现技术突破 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 冯定，杨志远，周魁 ．轻型可搬迁式海洋钻修机模 块划分方案研究 [ J ]．石油矿场机械，2 0 1 0，3 9 2 4 4 4 7 ． 夏家祥，韩烈祥，朱丽华 ，等 ．北美移动钻机技术 现状 [ J ]．钻采工艺，2 0 1 3 ，3 6 4 1 5 ． 李文玉 ．深井重载直升机 吊装钻机的模块化设计 [ J ]． 机械设计 ，2 0 1 2 ，2 9 8 6 9 7 2 ． 马西庚，赵大伟，柳颖，等 ．钻机混合型静止无功 补偿控 制 器 的研 制 [ J ]．石 油机械 ，2 0 1 0 ，3 8 4 1 9 2 2 ． 李崇博，李鹏飞，胡涛 ．基于 P r o fi b u s D P的石油钻 机电控实时监测系统 [ J ]．石油机械，2 0 0 9 ，3 7 9 1 4 01 4 2 ． 于兴军，魏培静，丛万生 ，等 ．永磁电机在钻井装 备中的应用探讨 [ J ]．石油矿场机械，2 0 1 0 ，3 9 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