电气自动化在海洋石油深水钻井中的应用

龚劲松

（中海油田服务股份有限公司，河北廊坊 065200）

0 引言

随着海洋钻井技术的不断发展，尤其是近年来电气自动化技术的迅猛发展，进一步推动了海上钻井的自动化水平，为海洋钻井的安全和效率提升、以及推动海洋石油行业的发展做出了积极的贡献。

1 海洋石油钻井作业中的电气自动化技术概况

（1）电气自动化技术在海洋石油钻井作业中的应用优势分析。由于海上钻井作业环境比较复杂，作业流程严谨和严格，但在实际使用中易受各种不稳定因素的影响，导致油田生产效率无法有效的快速提高。若不加以有效的治理，将很难实现海洋油气资源的综合开发和利用效率。近年来，随着科技的发展和国家“科技强国”战略的实施，以电力自动化技术为代表的先进技术内容被广泛地推广和运用于各行各业，并收到很好的效果。

在海上石油钻探方面，通过电气自动化技术的应用，可以使现场作业人员能够对整个生产过程进行自动化控制和管理，比如利用电气自动化技术进行海上油田的钻探以及设备的自动化管理，从而使现场作业人员能够提高生产效率，提升安全管理水平，降低人力劳动强度。推广应用电气自动化技术，可以促进海上石油钻井工作的高质量发展，并获得较好的开发效益。

（2）传统石油钻井作业主要缺点：①常规的采油方式具有较高的生产成本，不利于成本的控制；②由于常规的钻井作业工作量大，钻井质量得不到完全的保证，因此，在一定程度上制约了油田后期的开发；③常规的石油钻探工作存在着较高的危险性，且缺少自动监控及报警系统，操作不当容易引发井喷等事故。

2 电气自动化技术在海洋石油钻井作业中的应用

2.1 海洋石油勘探技术应用

（1）精准定位。石油作为一种不可或缺的能源，目前国内的石油开采面临着资源紧缺等问题，石油勘探也由浅海向深海探索。因此，在海上钻井作业中，快速找到新的勘探油田位置，或者在不同井位之间的拖航后精准定位在开发油田的井位点，降低在海上的定位成本，可以提高船舶和钻探的使用效率。主要内容有：一是地理信息系统的自动化；二是智能GPS 技术，特别是目前钻井平台已使用北斗系统的定位，摆脱对GPS 的依赖。该技术的最关键之处在于节约勘探及后续开发定位的时间，并在某种程度上决定石油开采的水平。

（2）钻井信息采集。海洋钻井信息采集系统的体系结构主要包括生产数据采集、数据管理、钻井生产运营管理、钻井专业辅助应用、生产管理系统等。海上钻井信息的来源是生产资料的采集。自动采集技术是当前应用最广泛的一种，它是以钻机参数仪、综合录井仪、随钻测量系统为基础，通过数据分析软件和统一通信协议，对所有的资料进行译码、预处理，然后传送到下一个系统。该系统能够将钻井过程中的各种钻井参数实时传送到信息采集系统，并将数据以图表的形式显示，以便对钻探结果进行实时分析，并对下一步的工作进行决策。另一方面，该系统以海洋钻井数据中心为基础，通过对生产数据采集系统的数据进行后处理，对数据进行归类，包括生产经营、科研管理、辅助决策等，并将其作为最终决策的依据。

（3）油田开发信息分析。在海上油田开发过程中，通过对钻井信息的采集分析，利用智能化技术，基本可以实现对采油过程中的数据资源的自动分析。实例表明，通过智能化的技术，可以较为精确地获得油田的储量和勘探范围内以及油田开发的深度和开发周期等关键信息。

2.2 海洋石油钻井自动化技术应用

随着海洋钻井技术的成熟应用，自动化钻井得到广泛的发展和提升，特别是无人主机运行、电子司钻、动力定位技术等的使用逐步得到越来越多的运用，中国海洋石油钻井平台上的电气自动化也在学习、借鉴国外先进钻井平台的基础上，经过十多年的引进吸收消化，以及针对我国的实际情况，通过持续性的创新，电气自动化水平得到长足的发展。应该继续吸收创新新的国外的先进技术和经验，逐步形成具有中国海油石油特色的发展道路。

3 电气自动化在钻井平台上的典型应用

3.1 自动化主机运行及供配电方面

目前新建设的钻井平台基本上都配备主机的自动化运行及自动负载分配系统，特别是当前最先进的DP3 动力定位的钻井平台，通过对钻井平台的钻井及工艺流程优化，平台的动力系统、电力系统、辅助系统及安全监控等的高度集成化设计，能实现钻井平台的安全、高效和节能环保的要求。如在外部负载增大的情况下，通过预先设定好的程序自动启动一台主机投入使用，并自动分配配电系统，保证钻井作业的安全进行，消除井下的作业风险。同样，在外部负载减少的情况下，可自动根据负载的变化，卸载非必要的负载使用，通过优先级的设置，自动将一台发电机解列，可以有效降低能耗，可实现主机的无人值守。在配电方面，当一个母线回路出现故障时，可实现自动切换到另一个母线，减少设备的停机时间，提高钻井作业的使用效率。

3.2 自动化钻井系统方面

新型钻井平台配备自动化操作的钻井系统，司钻通过司钻房内的智能操作椅和人机交互界面可以对各种钻井设备如顶部驱动、钻井绞车、泥浆泵、猫道机、抓管机、铁钻工等实现自动控制。目前在国内的主流的钻井平台配备的是NOV 的Cyberbase系统和Amphion 系统，系统内部的核心逻辑是通过网络化对各种设备进行自动化控制，主要是由PLC 控制器、数据库及计算单元和显示单元等构成，PLC 主要用于钻井设备的控制、处理传感器反馈数据以及接收司钻的操作指令；数据库用于不同部件和设备PLC 之间的数据交换。计算单元用于实时数据处理、计算、曲线拟合、PID 控制、防碰管理和安全风险预估，为用户提供安全稳定的操作保障。显示单元主要是图形化的人机界面（图1），用于钻机各设备的状态监视、实时数据显示和操作指令提示等。通过内部的程序化设计，司钻只需要操作智能操作椅就可以实现对钻井设备的各种操作以及紧急情况下的应急关停。通过自动化的钻井系统，减少钻台的人员操作，提高工作的效率，并且大大的降低人员的意外风险。

图1 钻井数据采集显示及人机交互界面

3.3 动力定位方面

常见的钻井平台的定位主要是插桩式定位、锚泊定位和动力定位。常规的定位已经不适应深海的海洋石油钻探的要求，配备DP2 和DP3 的动力定位钻井平台，才能在今后的深水石油开发中占据主导的低位，电气自动化技术在动力定位中得到最直接的体现。其主要的原理是通过对外界环境条件改变的自动检测，相应的由高度集成的中央控制单元自动分配指令给动力系统、电力系统和推进系统，来抵抗外部力对船体运动的干扰。钻井平台DP 系统环境监测装置传感器配置如图2 所示。例如当船体的位置单元检测到船体受到风力的改变、浪涌的改变等对船体产生某种方向的运动力的时候，中央控制系统会自动计算外部的力的大小和方向，然后通过对安装在船体的推进器发出指令，改变螺旋桨的推力和方向，从而保证船体的稳定。

图2 钻井平台DP 系统环境监测装置传感器配置

4 结束语

为了保证电气自动化技术在海上石油钻探中的广泛应用和推广，操作人员首先要充分认识到电气自动化在海上石油钻探中的重要作用，深刻思考自动化技术在实践生产中能起到的替代作用；同时，企业的高层管理人员也要了解及跟踪国内外电气自动化技术发展的最新动向，及时掌握电气自动化技术中的最新技术，根据行业的发展需求加强对海上石油钻井作业的自动化管理应用，加强操作人员对新技术、新工艺的应用培训，逐步由自动化向智能化的方向进行探索和转化，最终实现无人化钻井，为海上油气开发工作提供技术保障，为实现国家的能源安全提供稳定器和压舱石。