石油钻机电气自动化系统研究

王亚妮

（四川宏华电气有限责任公司，四川 成都 610036）

自动化钻井是目前现代钻井的最高水平，是一个多世纪以来众多石油钻井界一直追求与奋斗的目标。但长期以来，我国石油钻机系统的自动化程度不高，导致钻井效率低下，钻井工人体力劳动量大，作业时发生事故的风险越来越高。随着互联网、计算机、自动控制技术的普及，石油勘探工作的不断发展和石油钻探技术的不断进步，自动化系统在石油钻机上的应用越来越普遍。

目前钻井作业市场竞争日益激烈，各个国家钻探公司都希望加快钻井速度，缩短钻井周期，同时保障安全作业，降低工人的劳动强度。由于钻井工人大多是在高空作业，而且立根和吊卡都很重，操作非常费力，因而工作时精神紧张、压力大、体力消耗也大，因此迫切要求改善劳动环境、提高自动化水平。所以石油钻机的自动化、智能化势在必行。

1 我国石油钻机自动化技术现状

目前，电动石油钻机占据了国内外钻机市场约90%的份额，其核心的交流变频传动和直流传动技术已经成熟地应用于石油钻机电控系统。

直流传动钻机电控系统主要包括柴油发电机组控制单元、直流传动控制单元、司钻操作控制单元、电磁刹车控制单元和交流电动机控制中心五个部分。由于当代石油钻机传动系统需要具有很高的动态响应和高过载能力，而直流电机换向器及电刷等维护工作量巨大，使其在降低转动惯量和提高过载能力方面受到了很大的限制，不能满足石油钻机高速化、智能化的发展。

交流变频传动钻机电控系统的柴油发电机组控制单元和交流电动机控制中心部分与直流控制系统基本相同。区别在于电机驱动和制动部分采用了先进的全数字变频调速技术和直流斩波技术，使电机的调速性能更加优越，系统操控更加简便，功率因数高，有效地提高了柴油发电机的使用功率，节能效果更加明显。悬停技术的出现和自动送钻技术的发展，彻底改变了传统司钻的操作方式，使交流变频石油钻机结构更加简单，维护更简便，效率更高。

2 自动化系统在石油钻机上的应用

目前，各钻探公司对HSE的要求越来越高，而且为了保障油气资源勘探开发力度，提高我国石油钻井装备的核心竞争力，用户对自动化机具的需求也越来越高。国内各个石油装备厂家也都在研制各自的产品，如动力猫道、二层台排管机、铁钻工、钻台面扶管机械手等。甚至有些公司在实现电控系统与自动化机具融合得基础上开发出“一键联动”系统，通过将二层台排管机、钻台面扶管机械手、铁钻工、动力猫道以及液压吊卡等自动化装备的动作流程化、软件化，让自动化设备有序交叉作业，减少操作等待时间，司钻仅需在关键步骤进行手动确认，简化司钻操作的同时降低了误操作可能性。再配合钻井区域安全管理，有效避免设备自动运行过程中的碰撞及管具掉落风险，从而实现管柱从地面、钻台面及二层台一体化移运、接单根旋扣、松扣、钻杆自动抓取及排放，系统起、下钻效率能达到20柱每小时，达到了钻台面及二层台作业少人化无人化，提高了工作效率及安全性，减少了人工劳作，钻井作业更加安全、可靠、高效。

2．1 动力猫道

动力猫道属于自动化管柱处理系统核心设备之一，可实现管柱堆场和台面间自动输送钻杆、钻挺和套管等。管柱一般包括钻杆、套管等，通常运至井场后，是摆放在钻台前的平地上，如图1所示。其在钻井或修井过程中，使用动力猫道后，可实现管柱在排管架与钻台面之间的自动化输送。动力猫道机在提高管柱输送效率、减小工人劳动强度、增加钻具输送安全性、降低钻井作业成本等方面优势显著。而且有些厂家动力猫道设备一次可以运送两根或多根钻具，大大提高了运送的效率。该设备适应陆地钻井装备自动化、智能化发展需求，适用于现役陆地钻机升级改造和新钻机配套，如图2所示。

图1 单根动力猫道

图2 双根动力猫道

2．2 二层台排管机

二层台排管机是针对起下钻排管作业研制的自动化钻机专用配套设备，是自动化管柱处理系统重要组成设备之一，安装在井架上，通过司钻房控制，完成管柱从二层台指梁到井口中心的往复运动，有效替代了二层台井架工，实现二层台作业无人化，大大提升了起下钻安全性。二层台排管机主要由动力二层台、二层台机械手、视频监控系统等组成，其中动力二层台用于储存钻铤和钻杆，通过梁锁保证管柱排放安全，而视频监控系统则用于辅助司钻判断二层台机械手和指梁锁工作状态以及二层台机械手与液压吊卡的管柱交接状态。排放立根是钻机在起下钻过程中将卸开的立根排放入钻台上的立根盒中（起钻）和从立根盒中取出立根送至吊卡锁紧（下钻）的作业，是一项危险、费力、紧张、压力大的作业。因此，通过对建立根工艺的研究，设计了铁钻工和缓冲机械手等设备，实现了管柱在井口由单根连接为立根或由立根拆卸为单根，如图3所示。通过司钻房远程控制二层台机械手、钻台面扶管机械手、动力吊卡和卡瓦的协同作业，完成抓、取、送杆（管）一键操作，消除安全隐患，提升作业效率，二层排管机如图4所示。

图3 三钳头铁钻工

图4 二层排管机

2．3 铁钻工

铁钻工是安装在钻台面上进行上扣和卸扣的钻井自动化工具，可以适应各种类型、各种尺寸的钻具，它具有无线遥控模式和远程有线操作箱两种控制模式。由立柱总成、支撑臂总成、钳体总成、旋扣器总成、液压系统和电控系统等组成，结构紧凑，占用钻台面积小，不仅可应用于新制钻机，也可用于已有钻机的升级改造。该设备可以安全、快速、平稳地实现钻具连接、松扣和紧扣。它集成了钻台上所有上扣卸扣工具的作用（液压大钳、B型钳、套管钳等），可以实现各种型号钻具的上卸扣，大大提升了钻井作业安全性和降低了作业人员的劳动强度，如图5所示。为自动匹配上卸扣的管柱接头高度，实现自动上卸扣，最新一代铁钻工配置了铁钻工钳头高度传感器以及视觉识别系统，能够自动识别当前管柱的接头高度，从而自动运动到井口中心进行上卸扣作业，无需手动调节铁钻工高度。虽然视觉识别系统能够有效提高铁钻工的自动化程度，但是其对恶劣天气及钻井施工环境的适应性还有待进一步提高。

图5 双钳头铁钻工

2．4 钻台面扶管机械手

早期，我国石油钻井钻台面扶管主要是靠人工来完成，至少需要2－3名操作人员辅助进行上钻杆、钻杆进洞、拍立柱、下立柱等操作，不仅浪费人力，有时钻杆的摆动幅度较大，使钻杆倾倒，也会对人造成伤害。钻台面扶管机械手的出现大大改变了这一现状，它是自动化管柱处理系统辅助设备之一，安装于钻台面，可实现石油钻井台面钻杆、钻铤和套管的排放、取出、立根等的自动化操作，也能适应坡道与猫道进行管柱上下钻台面扶管操作。其结构紧凑、可靠，自动化程度高，能够一键调节钳头大小，轻松适应不同管径，如图6所示。钻台面扶管机械手替代了钻台面作业人员、降低了扶管作业的风险，但是其工作效率相对人工扶管较低，因此部分厂家为解决常规钻台面扶管机械手工作效率低下的问题，研发出了举升式钻台面机械手，通过与二层台机械手协同作业，实现管柱竖直移动，起下钻效率提升5柱／小时以上，新钻机和老旧钻机改造均可适用。

图6 钻台面扶管机械手

3 双司钻集成控制系统

近年来，随着各钻探公司对减员增效及HSE等方面要求的提高，作为钻井运营商，还需要时刻保证钻井现场生产运营的平稳高效。这就要求钻机配备大量的自动化工具和先进的集成控制系统。然而，传统方式下的现场与管理后方响应延误，现场能源管理效率低下、资产和设备分布广泛、过程可视化与透明度低下，这对钻机的运营效率与项目管理提高十分不利。

为改变当前局面，双司钻集成控制系统成为各大设备厂家的首选。双司钻集成控制系统由两套互为冗余的司钻操作椅或一套一体化操控座椅加一套机具操作台组成，集钻机电、气、液控制于一体，将系统控制和设备档案信息识别融为一体。通过预设防碰互锁子程序对管柱自动化设备进行防碰管理，同时辅以先进的AI系统，智能识别自动化设备工作区域内的操作人员，实现设备与工作人员的安全互锁，极大提升了井场的设备和人员安全。同时，双司钻集成控制系统改变了原有司钻房的布局模式，彻底改变了钻机多个配套子系统相互独立及配置重复的局面，将传统的物理硬件和控制单元全集成到一体化座椅上；将传统仪表、工业监视和设备参数设定全整合到前端操作显示屏上，从而优化了控制界面，不仅降低了钻机运营成本还大大提高了司钻操作的舒适性。同时，钻机远程在线监测系统和典型故障辅助诊断系统的接入，也为现场设备维护提供了方便。

4 发展与建议

21世纪是信息技术快速发展的时代，随着5G进入市场，全球的信息化、数字化、智能化正在加速发展，人类正面临着一个智能化的新时代。伴随着时代的前进，传统的制造向“智造”转型升级，蓬勃发展，迅猛异常。围绕钻井作业“省时、省人、省钱、省力”的生产需求，开展独立建立钻机模块化、轻量化技术研究，为了突破“一键式”人机交互操控技术、远程监测与诊断技术，早日实现和普及石油钻机自动化和智能化技术，紧跟并超过国际先进技术步伐，让我国石油勘探行业走向世界，参考国外一些标杆企业的做法，就国内钻机自动化技术的发展提出如下建议：

4．1 钻井设备自动化、智能化发展

现如今，虽然国内部分地面及井口已有自动化设备，但与NOV、AKER、MH、斯伦贝谢等公司相比在种类和型式上还有很大差距。未来的钻井作业将实现智能化，钻台面、二层台和固控等区域均不用人为干预，通过智能化的钻机设备、作业机器人等代替人力完成作业任务，司钻只需要通过远程集中操控，即可完成所有地面和井下作业。而且通过钻机远程在线监测系统和典型故障辅助诊断系统的应用，大大提高现场维护、解决售后服务问题的工作效率。

4．2 钻机信息化技术的发展

随着远程分析技术、无线网络技术、远程故障诊断及系统自适应技术的发展，石油钻机也必将朝着信息化方向发展。通过传感器网络、物联网，分析钻井中所有的钻井参数、钻井位置、地层结构等将实时数据传输给远程控制中心，通过自适应控制技术，快速数据分析和处理技术就可实现自动规划和引导钻井作业。未来的油气勘探必将朝着钻机作业无人化方向发展，真正实现智能钻井。

4．3 钻机电驱化节能减排

由于钻机是油气田开发的重要设备，而且属于能耗大户。一直以来，陆上石油钻机大多是以柴油机作为动力源。但是这种动力方式利用效率低下，而且难免产生有害气体，并伴随有较大噪音。而钻机电驱化以后，动力源以电能驱动为主，这样不仅没有了尾气排放，大幅降低了能耗，还降低了噪音，节约了成本支出。

由于钻井过程中载荷变化大、待机时间长，因此钻机在使用过程中存在能量浪费。为降低钻机能耗，可以利用超级电容蓄能技术，在钻井过程中通过蓄能技术节约待机能耗、在下钻过程中利用蓄能技术实现能量回收，同时实现辅助刹车功能。还可利用合理的能量调度策略实现能量的合理储存、调配与利用，进一步系统节能。

4．4 钻机国产化进程

为了提升产业链、供应链稳定性和竞争力，需要进一步提高我国石油钻机国产化供给。变频器、PLC系统、自动化机具，旋转导向等应该尽快进行国产化研发，掌握关键核心技术，打破国外技术壁垒，形成具有我国自主知识产权的自动化钻机设计制造技术。这对我国钻井全产业链的自动化、数字化转型，保障国家能源产业链、供应链自主可控具有非常重要的意义。

5 结论

作为国家战略的基础，油气工程装备，特别是海洋油气生产装备，是先进制造技术、信息技术和新材料技术等高新技术的综合体，而石油钻机又是油气开发的重要设备。石油钻机作业是一项复杂的系统工程，涉及到电、气、液等各个专业。为了提升钻机的自动化及智能化水平，需要各个配套厂家及专业公司来共同协作，共同攻克难关，在国际油气装备制造的高地上不断攀登。我们坚信，中国制造，中国创造，一定会站在世界之巅。