石油钻机自动化技术的研究

杨中兴，王德余，王基龙

（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300450；2.中国石油技术开发有限公司，北京 100028）

石油是非常重要的资源，石油技术是获得石油的最佳途径。石油钻采设备是一种大型机电设备，其性能与自动化技术的应用密切相关。随着科学技术的飞速发展，石油钻探技术已逐渐实现了自动化改造。通过增加先进的智能控制模式，石油钻探技术的生产效率得到了全面提高。随着石油钻探技术的不断发展，石油钻机的结构形式、传输方式和运输方式发生了重大变化。有机械驱动钻机、液压驱动钻机、电动钻机、船用模块化钻机、沙漠高速行进钻机和垂直提升钻机。为了进一步提高石油钻机的整体性能，有必要不断增加对相关自动化技术的研究。

1 石油钻机自动化技术现状

自动化技术是石油钻机的核心技术，它直接关系到钻机的整体性能，对油气资源的开采效率有一定的影响。下面以市场占有率最高的电动钻机为例，简要介绍石油钻机自动化技术的现状。

（1）电机驱动技术。电动机驱动器是一种相对先进的传动技术，也称为电传动，具体是指如何将电动机用作驱动机械设备的动力机械。传统的电动机驱动系统由电动机和自动控制单元组成。当前，大多数石油钻机基本上都使用电动机驱动技术，其核心是变频驱动。在这一领域，中国进行了大量研究并开发了其产品。但是，由于各种因素影响，该产品的本地化尚未得到广泛使用。

（2）PLC技术。PLC代表可编程逻辑控制器。由于其稳定可靠的性能和自动编程功能，已被广泛用于工业控制中。近年来，PLC已被引入到石油钻机中，并逐渐成为石油钻机的主要控制系统。德国西门子公司开发的S7系列PLC产品基本应用于石油钻机。在实际应用中，发现早期的S7系列产品具有启动和停止现象。为了解决此问题，新一代PLC产品具有两组功能强大且功能强大的处理器，并且可以自动转换两组处理器。通过解决原来的PLC问题，极大地提高了石油钻机的工作效率。

（3）能源多样化。在运行过程中，对电能的需求比较高，电源性能必须稳定可靠。石油钻机主要使用柴油发电机组发电，实现控制系统的并网，形成局部电网，为钻机的电气设备和系统提供稳定的动力输出。

（4）变频驱动技术。讨论传统晶闸管整流技术的现状。在采油技术的不断发展过程中，电驱动技术已进入生产过程，并且该生产过程已被广泛使用，特别是在机械设备中。通过传动和调速的优势迅速占领市场份额。这部分内容对采油操作非常重要，其本身的操作价值很高，整体性能非常重要。但是，就目前的情况而言，一些进口逆变器仍占主导地位。电机可以展现自己的价值和出色的性能，但在整体技术和可靠性方面不亚于其他钻机。因此，国产挖掘机的推广面临许多困难和困难，应进一步推广和应用实际生产和应用，并应扩大应用范围和技术优势。当前，根据传输模式，机器的使用可分为多驱动器和单驱动器。多个驱动器在结构和成本方面均具有优势，而单个驱动器具有兼容性强且成本低的优势。

2 当前自动化技术存在的问题

（1）自动化系统的一体性不足。目前，国内主要的钻机制造商基本上生产机械结构零件，而其他设备，油井动力和视频监控系统均由第三方生产。尽管这种精细的分工在促进经济发展方面具有明显的优势，但从技术角度来看也有一些劣势。上述外围设备制造商生产的子系统在原理，接口和外部尺寸上都不同。更重要的是，由于它们是独立的并且彼此匹配，因此它们很容易引起诸如重复配置和接口不兼容之类的问题，这可能给钻机的用户和总承包商带来特定的问题。以绞车卷筒的编码器为例，为了检测吊钩速度和行驶位置信息，必须分别安装仪器系统，电力驱动系统，数字显示防撞装置，测井设备和测井设备。如果可以进行集成计划信息共享，将会更加方便。

（2）电机定制化开发不足。钻井泵，绞车，转盘和其他设备设备应由大功率交流变频或直流电动机驱动，并且钻井电动机主要由专业支持公司开发。因此，当为单个项目提出定制改进或设计时，对大订单的需求不足以激励制造商，并且存在某些瓶颈。

（3）高防护等级等特殊电机存在壁垒。对于海上模块化钻机，按照船级社的要求，室外电气设备（如甲板）的防护等级不应低于IP56。目前，在中国，由于散热等问题，在中国很难开发这种高等级的保护电动机，并且只能通过进口来解决，从而导致成本增加和交货期延长。

（4）缺乏一体化设计。电动机频繁移动的模块化钻机对绞车和钻井泵的数量有严格的限制。因此，基于传动结构的优化，还需要电动机的整体设计。但是，国内汽车供应商通常对这些定制产品不感兴趣。所以我国相关企业还是需要拥有自己的电机生产和设计能力。

3 当前自动化技术发展建议

（1）注意自动化技术的发展。自动化技术对石油钻探技术的实际应用影响很大。目前，中国已经实现了管弦和地面钻探设备的自动化，但与其他发达国家相比仍存在很大差异。当然，中国的钻井设备自动化技术水平也在不断提高，已经在全国范围内得到推广，也有效提高了钻井设备自动化的应用效果。相关人员应事先制定最科学合理的工作流程，善于自动化技术的应用和推广，并注意挖掘设备在使用过程中的安全性和可靠性。在开发各种自动化工具时，有必要注意应用程序的可靠性，以更好地满足企业生产的实际需求。

（2）专注于集成控制技术的研发。集成控制技术已应用于钻机，以避免在现有作业过程中出现过多的人力和能源消耗问题。目前，中国钻机技术中使用的各种钻机和电动机基本是独立运行的。在实际的操作过程中，需要进行人工调试，以实现操作与信息技术之间的集成管理和存储，并且不能实现较大的缺陷下的数据和信息共享，这在一定程度上影响了钻井设备的后续工作。平稳的发展也影响了钻机的正常运行。因此，有必要不断地对此进行研究，以提高钻井设备的自动化程度。相关研究人员应注意钻机集成控制系统的开发和应用，以促进钻井技术的快速改进和发展。

（3）专注节能技术研发。根据过去的经验，已经表明，无论是实际的钻井技术还是石油资源开采过程，都存在大量的能源消耗问题，在某种程度上是浪费石油资源。因此，我们需要加大节能技术的研发和应用。例如，在变频绞车的实际应用中，热能的供应主要是通过电阻转换，造成严重的资源浪费，给企业带来一定的经济损失。为了实现此过程的节能效果，超级电容器可以循环使用，以不断提高钻井作业的经济效率。传统采矿技术的过度能源消耗得到了很好的改善和补偿，自动化技术研发的有效性也在不断提高。

（4）专门的故障诊断系统的开发。连续钻机后续增值服务专家故障诊断系统可以对钻机在实际工作中的运行参数进行收集和分类，并以无线传输的形式将其传输给钻机制造商和钻机管理部门。该系统自动对需要更换或维修的设备进行分类和分析，以改善钻机的故障保护能力。这使施工人员可以提前计划设备维护，并使制造商有时间制造配件而不会延迟设备更换。美国NOV的“eHawk”优化服务可以被视为具有代表性的工作之一，可以提供在线技术支持，错误分析，远程维护和其他功能。该技术可以看作是设备制造商全面服务水平的主要体现，并且在钻机的整个生命周期中都得到了实施。

4 结语

石油钻机自动化技术不仅可以实现钻井过程和设备维护与检查的自动化，在一定程度上节省人力和物力，还可以有助于提高石油钻机的性能以及各方面的实际效率和质量。因此，我们需要重视石油钻机自动化技术的研究，加快新产品的研发，逐步缩小与国外产品的差距。