現代先進技術在石油鉆機中的應用及展望

王施權，鐘志偉，劉冰

（1中國石油集團西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830013；2中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，遼寧 盤錦 124010）

在21世紀，現代化信息技術和科學技術得到了快速的發展，并成為世界科技發展的前沿技術。在知識經濟時代下，能源和信息被認為是現代科技的發展基礎，石油化工企業作為重要能源產業的支柱，其發展融合了技術、知識、數據、信息等多種技術形式。因此，為了能夠更好的促進石油化工企業的發展，需要相關人員加強對各類先進技術應用的重視。文章結合石油鉆機行業發展實際情況，就基于先進技術的石油鉆機工業系統建設和管理應用問題進行探究。

1 基于先進技術的石油鉆機系統

在先進技術的支持下能夠完成對石油鉆機設備運行的全過程監督控制，幫助施工人員更為全面地了解設備的運行狀態、數據網絡傳輸狀況、系統運作工況，在系統出現故障的時候及時采取措施予以處理。

1.1 硬件設計

（1）監控系統。石油鉆機安全監控系統由監控主機、PLC、現場集控集散系統、終端監控機、監控主機等共同組成。在多個系統的綜合作用下能夠實現對鉆機過程各參數的自動檢測和控制。（2）硬件組成。①監控主機和終端監控機。石油鉆機系統采用性能穩定的研華工控機作為上位機，控制器內部配置了80G硬盤，具有RS-232標準通訊接口和21寸液晶顯示器。②現場監控、工控機、PLC和現場總線打造的監控集散系統?，F場集散控制系統融合了錄井儀、隨鉆測量儀、鉆機驅動控制、自動送鉆、泥漿泵控制系統，具體組成如圖1所示。（3）數據遠程傳輸、終端監控器和全球定位系統；監控主機和全球定位系統構成的通訊網絡。收集到的石油鉆機信息會通過全球定位系統終端來予以處理，在協議封裝后會被發送到全球定位系統無線網絡上。

圖1 基于先進技術的石油鉆機安全監控系統

1.2 現場監控主程序

現場監控主程序使用STEP7V5.3軟件在PC機上完成編程，之后下載到PLC中完成操作?，F場監控程序的主要控制程序如下：（1）系統初始化部分。整個程序完成了系統的初始化分析、故障診斷、連鎖保護。在系統設備出現問題的時候可以及時自動切換備用設備并用聲光進行報警。（2）系統控制部分。PLC通過調用SCR鉆機驅動控制子程序、自動送鉆控制子系統，最終實現對各部門的控制。

1.3 監控子程序設計

（1）SCR鉆機驅動控制子系統。SCR鉆機驅動控制子系統會采集鉆速、扭矩等信號，在整合信號之后將信號輸入到PLC。（2）自動送鉆控制子程序。自動送鉆控制子程序采集鉆壓、大鉤負荷等參數信號，在信號收集之后將其送入到PLC中，根據實際鉆壓的變化來控制實際的送鉆速度。（3）泥漿泵控制子程序。泥漿泵控制子程序會將采集的泵沖、泵壓等信號送入到PLC中，之后根據實際信號不同時刻誤差和誤差變化率輸入來控制系統。

智能化鉆機的打造能夠在保障鉆機穩定使用的同時大幅度減少操作人員，每個鉆臺僅僅需要一個人到兩個人就能夠完成一系列的操作。自動化鉆機中擁有了更加靈活、方便、完善的設備，在未來如何整合這些設備的性能是相關人員需要進一步思考和解決的。

2 現代先進技術在石油鉆機中的應用

2.1 電力拖動技術

在時代的進步發展下，石油鉆機的驅動模式發生了變化，出現了電驅動鉆機，特別是全數字交流變頻驅動技術應用簡化了鉆機的機械機構，減輕了設備維護保養工作勞動力，最終能夠提升鉆機設備的安全性、穩定性、可靠性。另外，將電力拖動技術應用到石油鉆機領域能夠提升鉆井的時效，優化鉆機工藝，處理井下事故。

2.2 自動化控制技術

將自動化控制技術引入到石油鉆機領域會提升石油鉆機作業能力，增強石油鉆機的安全性，降低石油鉆機成本。在石油鉆機領域，將自動化控制技術和交流變頻技術、傳感檢測技術、液壓驅動技術結合在一起能夠增強鉆機裝備的智能化水平。

其中，智能化鉆井是自動化技術在鉆機系統領域的最高級應用表現，在自動化控制技術的支持下，鉆機自動化系統會隨和地面環境的變化、井下數據參數的變化來實時性的調整司鉆參數，完成自動送鉆。

自動化控制技術在鉆井領域的應用會在計算機控制系統的支持下來實現對鉆機系統的交互控制，最終為鉆井系統的運作整合出更多有效的數據信息。

2.3 傳感器檢測技術

傳感器檢測技術是石油鉆機自動化發展的關鍵技術，傳感器檢測技術水平直接影響鉆機系統的運作效率。石油鉆機早期傳感器會被設定在儀表系統上，借助傳感器來完成對鉆井工藝參數的監督控制。

在鉆井控制系統和自動化設備的完善下，各種先進的傳感器檢測技術被人們應用到鉆機系統中，比如位移傳感器、編碼器、非接觸式探頭、超聲波、紅外線、電磁波等，在這些先進技術的支持下會為石油鉆機工作的順利發展提供更多的支持。鉆機配套傳感器接口是鉆機配套檢測技術形式，在直接信號的輸出、演變后轉變為多種現場總線技術網絡結構。

2.4 機器人技術

機器人的打造融合了機械工程、電子控制、計算機、傳感檢測、伺服驅動等先進技術形式，在20世紀后期被人們應用到石油鉆機領域。

2.5 網絡信息化技術

石油鉆機領域所應用到的網絡信息化技術形式包含電纜、光纖、無線等通信形式，在多個通信技術的支持下會實現對鉆機系統以及關聯設備數據的有效轉換和高效率共享應用。

2.6 計算機集成控制技術

在社會經濟和科技的發展支持下計算機集成控制技術得到了快速的發展，在各個領域的到了廣泛的應用。將計算機集成控制技術引入到石油鉆機領域 會進一步強化系統運作的安全性和穩定性。石油鉆機領域阻礙使用PLC自動化控制的基礎上在施工現場還引入了冗余結構，打造出了冷備份方案，在基礎上根據設備的復雜程度，需要盡可能的實現一個設備對應一臺控制器，并借助先進的通信技術實現各個控制器之間的互通互聯，最終提高數據信息的共享效率。

在石油鉆機配置日益完善的背景下，石油鉆機系統融入了控制站、視頻監控、參數監控、操作站、數據庫服務器等多個設備組成的計算機集成控制系統。在石油鉆機硬件設施日益完善的同時，相應的軟件系統也加快了更新，在軟硬件系統的支持下使得石油鉆機功能更加完善、操作更加邊界、人機界面更加友好、鉆井參數配置得到優化。在軟硬件系統完善下的石油鉆機系統不僅能夠動態化的顯示出鉆井過程和設備參數，而且還能夠將工業電視監控系統實現集成化顯示，通過將系統接入局域網、廣域網的網上，能夠幫助有需要的人隨時隨地的查看各類數據信息。

3 現代先進技術在石油鉆機中的應用展望

3.1 智能鉆井

當前，在石油化工領域雖然實現了石油鉆機的自動化發展，但是支從實際運作上來看，在石油鉆機建設的過程中仍然會遇到一些關鍵性的技術問題亟待解決。

從基本構成上來看，智能鉆井技術包含隨鉆監測和決策系統兩個方面的內容，隨鉆監測是石油鉆機運作的基礎，能夠為石油鉆機運作提供原始分析數據，為保證石油鉆機運行安全提供重要支持。決策系統是石油鉆機系統運作的關鍵，具體包含專家系統、在線建模、模型優化等。決策系統的完善化建設和現場試驗分析是石油鉆機智能化建設在未來需要持續研究的內容。為了能夠更好地進行智能鉆井建設，需要鉆機研發生產單位和鉆井作業隊伍、鉆井工藝研究院密切配合，在充分發揮各自在鉆進技術研發中優勢的情況下來打造出完善的鉆機決策系統，充分發揮出決策系統在石油鉆機領域的應用作用。

3.2 集散控制

集散控制系統也被稱作是分散系統，是由過程控制級和過程監控級共同組成的以通信網絡作為重要紐帶的多級計算機系統，該系統在建設的過程中融合了計算機技術、通信技術、控制技術、顯示技術，具有集中化控制、分散化操作、分級化管理、靈活配置的特點。

在自動化設備的普及下，單一的控制器不再能夠滿足鉆機的控制需求，基于多控制站的協同作業、多層級網絡分散系統開始被廣泛的應用到石油鉆機中，在現有石油鉆機網絡的基礎上打造出了更加完善的石油鉆機控制網絡，重新加入了工程師站平臺，為各個型號的石油鉆機提供了更多柔性接口。

3.3 遠程司鉆

當前石油鉆機操控系統被設定在井口旁邊的司鉆房，關聯控制系統在井口的周圍，作業環境惡劣，加上鉆機井口本身就具有易燃易爆的屬性，因此，在遠程司鉆打造之后除了會對控制系統本身的防護防爆提出較高要求，對遠程司鉆操作人員的自身安全也會帶來威脅。

而將網絡信息技術、自動控制技術、全方位監控技術引入到遠程司鉆中能夠通過必要的防控和完善的監督控制來減少外界環境對石油鉆機系統運作的干擾，并在先進技術的支持下來提升石油鉆機系統化、機械化水平，打造出完善的石油鉆機運作系統。

3.4 在線故障檢測和診斷

在石油化工領域，如果石油鉆機出現了設備故障，那么就會威脅到石油工業的發展，甚至還會帶來較多的經濟損失。比如海洋平臺石油鉆機在作業的時候，一旦出現系統故障問題將會對石油鉆機的穩定運行帶來不利的影響，甚至還會誘發比較大的事故損失。

石油鉆機系統構成十分復雜，包含比較多的機械系統、電氣系統、液壓系統，系統中的設備維護工作量大，且系統設備的故障具有隱蔽性的特點，在平時工作的時候很難被發現。因此，為了能夠更好地找到石油鉆機系統設備的故障隱患，需要在系統運作的過程中引入集成在線故障檢測技術和診斷技術。從應用實際情況來看，將在線故障檢測和診斷系統引入到石油鉆機領域不僅能夠提升發現石油鉆機設備遇到的故障，根據故障表現消除故障隱患，而且還會為石油設備的改進提供更全面的數據信息支持。

3.5 強化對智能石油鉆機的研發

當前，在石油化工領域對石油鉆機的研發可以分兩個步驟進行：（1）將現有的國外自動化鉆機作為藍本支持，在參考過往石油鉆機工作實際情況的基礎上研究出具有中國技術特色的半自動智能鉆機，通過研究半自動化智能鉆機來使得鉆機各個單體設備能夠達到行業先進的水平。在研究半自動智能鉆機的過程中要在熟悉智能鉆機運作目標的基礎上，因地制宜的研究出系統功能更加完善、系統運作安全可靠、自動化、集成化為幼體的多功能設備。（2）在半自動智能化鉆機研究的基礎上加快研究出滿足國際通行智能設備定義的全自動智能鉆機，對之前的半自動智能鉆機實施進一步升級改造，通過對鉆機應用軟件的開發應用來提升智能鉆機的智能化水平，增強自動化智能鉆機的邏輯分析能力以及適應外界各個環境的能力。

4 結語

綜上所述，石油鉆井工作具有環境惡劣、工作載荷大、危險系數高的特點，隨著智能技術的發展，大數據和云計算等信息技術在石油行業的應用越來越廣泛，智能石油鉆機已經成為石油鉆井裝備領域的必然趨勢。在自動化、智能化、信息化技術的支持下，石油鉆機系統的運作效率以及運作安全性將會得到保障，在鉆井作業操作的時候還會降低作業強度和作業危險系數，最終會提升石油鉆井工作效率。但是統觀整體來看，不管是國內還是國外，都只是在鉆井領域的某個或多個環節上實現了自動化，完整的智能鉆井閉環鏈尚未形成，制造出嚴格意義上的智能化鉆機仍然還有比較長遠的路需要走。為此，在未來，需要石油化工企業加大對石油鉆井設備的科研投入力度，并立足石油鉆井工作發展實際情況來引進更多的技術形式，強化對新技術的研發，從而更好的促進我國石油化工企業的發展，提高油氣資源開發利用成效。