Download PDF  
我国石油钻机控制技术现状与后续发展思考
魏培静1,2, 王定亚1,2, 肖磊1, 贾涛1, 于兴军1,2, 李云鹏1,2, 周海磊1,2     
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
摘要: 从电力拖动技术、逻辑程序控制技术、管柱自动化技术、网电及直驱传动技术和司钻远程集中操作技术等方面阐述了目前国内石油钻机控制系统在自动化、智能化和信息化方面的技术现状。对照国外钻机新技术发展对控制系统的新功能要求,提出了国内钻机存在的融合集成化水平不高、“软扭矩”等核心技术掌握不深入、信息化程度有待提升以及管柱自动化装备原始创新不足等问题。最后,结合未来钻井作业对石油钻机高效和智能等趋势要求,提出了加快管柱自动化装备创新研究、开展钻井专家优化系统研究及建立大数据故障诊断系统等后续发展建议。
关键词: 钻机     智能化     信息化     软扭矩     故障诊断     技术现状     发展建议    
The Status and Future Development of Drilling Rig Control Technology in China
Wei Peijing1,2, Wang Dingya1,2, Xiao Lei1, Jia Tao1, Yu Xingjun1,2, Li Yunpeng1,2, Zhou Hailei1,2     
1. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd.;
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment
Abstract: The status of automation, intelligentization and informatization of domestic drilling rig control system is introduced, from the aspect of electric drive technology, logic program control technology, pipe handling automation technology, network power and direct drive transmission technology, and driller remote centralized operation technology. Based on the new functional requirements for control system due to the development of foreign new drilling rig technology, the problems of domestic drilling rig like low integration level, un-mastered core technologies such as "soft torque", low informatization degree, and inadequate original innovation of pipe handling automation equipment are proposed. Combined with requirement of the future trend of drilling operations on the efficiency and intelligence of drilling rigs, the development advices have been proposed:accelerating innovation research on pipe handling automation equipment, conducting drilling expert optimization system research and establishing failure diagnosis system based on big data.
Key words: drilling rig    intelligentization    informatization    soft torque    fault diagnosis    technical status    development advices    

0 引言

随着油气勘探开发业务逐渐向特殊地域环境和复杂地层条件拓展,石油钻机作为钻探开发作业的关键装备,其技术在短期内得到了有效提升。截至目前,我国已经具备了广钻深能力、全地域范围、多种驱动方式的各类钻机的研制能力,从钻深能力来说已涵盖1 000~12 000 m;从作业地域来说已包括了海洋模块钻机、沙漠快移钻机、丛林直升机吊装钻机和低温极地钻机等[1-2];从驱动型式来说已涉列机械传动钻机、液压钻机和电动钻机等。尽管如此,在当前形势下,最能体现和衡量一部钻机先进性、优越性的重要标志却更多地表现在产品自动化、智能化和信息化等水平上,考虑到石油钻机产品能够更好地适应市场不断发展的需求,以下就钻机自动化、智能化和信息化控制技术方面进行必要的分析阐述。

1 我国石油钻机控制技术发展现状 1.1 电力拖动技术大大改善钻机操作舒适性

随着变频/SCR驱动技术在铁路机车和轧钢装备等行业的应用,基于功率元件进行电气调速技术已经成熟,钻机已经将该驱动技术作为标配应用于各类型电驱动钻机中,已经实现了绞车、顶驱、钻井泵和转盘等关键设备的无极调速操控,大大改善了设备操作的舒适性。

当然,限于核心元器件的可靠性等因素,目前上述驱动装置仍采用进口方式进行配套,以Siemens和ABB等公司功率驱动模块为代表的相关产品已经占据了该钻机领域电传动产品的绝大部分市场份额。按照主驱动电机的数量,变频驱动方式可以有单传动或多传动2种配置。同时,相对于变频器而言,直流SCR装置具有良好的性价比,近年来该类钻机也具有良好的市场需求。

1.2 逻辑程序控制提升了钻机的安全性和自动化程度

作为钻机电控系统的“司令部”,PLC或专用控制器装载软件程序实现了钻机的多项安全保护功能和自动化模块功能。

各设备配置关键运行状态检测传感器,根据反馈的设备工艺参数、结合设备工作流程开发的安全保护功能模块,实现了钻机的游车防上碰下砸、绞车智能防溜钻保护、钻井泵软泵控制[3]、泵压安全控制、区域防碰管理以及立柱排放轨迹自动规划等功能,有效提高了钻机控制保护性能。钻机区域防碰管理设置界面(见图 1)和立柱排放轨迹自动规划操作界面(见图 2),均保证了设备按照设定程序轨迹运行,有效减少了人员误操作对设备和人身造成的安全隐患。

图 1 区域防碰管理设置界面 Fig.1 Setting interface of area anti-collision management

图 2 立柱排放轨迹自动规划操作界面 Fig.2 Operation interface of automatic planning of stand handling trajectory

另外,结合司钻人工操作过程中的重复性和规律性作业流程,通过PLC开发了多项自动作业模块功能,不仅减少人员的干预,简化操作复杂程度,而且实现了钻机主辅机联动控制、绞车和转盘等刹车联动控制、多模式自动送钻、动力猫道一键式输送以及铁钻工自动上卸扣等多项自动化操作功能。

1.3 管柱自动化处理技术应用效果显现

根据相关资料,接单根、起下钻和下套管等管柱处理作业约占钻井总时间的30%,而以往钻机的立柱排放依靠人工完成,手动吊卡、手动卡瓦和液气大钳等井口工具均通过人工操作,效率低下,工人劳动强度大。此外,该工艺过程中钻台面区域由于设备数量多,作业面积小,已经成为事故高发区域,据IADC统计,有41%的钻井事故发生在钻台面。

近年来,国内石油装备制造企业陆续开展了管柱自动化装备的研制工作,并且相继进行了工业化应用。宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)目前已经开发了悬持式、推扶式、抓举式和组合式等不同型式的钻机管柱自动化装备,并已在川庆钻探、大庆钻探和渤海钻探等3 000~9 000 m范围的不同钻机上获得工程化应用,已累计完成数十口井作业,应用效果良好。图 3图 4显示的是宝石机械研制的铁钻工及动力猫道在油田现场作业的场景。管柱自动化装备的优越性集中体现在工作安全可靠、减人增效及自动快捷等多个方面。据渤海钻探统计,宝石机械研制的推扶式管柱自动化处理系统在塔里木90009钻井队跃满802井应用以来,累计钻进已逾7 000 m,工效提高5.2%,节约人工7.6%;同时通过司钻远程集中控制模式,实现了钻机管柱处理作业的机械化,完成钻柱在地面与钻台面间的输送,以及管柱在井口至二层台指梁间的自动化排放与输送,实现了管柱自动化和智能化操作。

图 3 宝石机械伸缩式铁钻工 Fig.3 BOMCO mechanical telescopic iron roughneck

图 4 宝石机械举升式动力猫道 Fig.4 BOMCO mechanical lift power catwalk

1.4 网电、直驱传动和无线遥控等新技术提升了钻机适用性和灵活性

针对油田作业区域工业电网条件完备的区块,采用网电作为钻井主动力具有成本低和节能环保等优势,有效解决了柴油发电机组工作噪声问题。目前上述技术在大庆钻探和川庆钻探等作业区域已广泛应用。

直驱传动可有效降低设备体积和总体质量[4],该特点尤其适合频繁搬家的陆地钻机或质量控制要求严格的海洋模块钻机。宝石机械研制的驱动电机与水龙头一体化结构的直驱顶驱已在大庆钻探完成数口井作业,应用效果良好。无线遥控操作和视频无线传输等新型技术已经在钻机上逐步获得应用,大大改善了钻机设备操作的便利性和灵活性。

1.5 操作方式由分散就近式逐步向司钻远程集中操作转变

图 5显示的是常规钻机司钻操作台。图 6显示的是宝石机械近年研制的idriller集成司钻操作终端。

图 5 常规钻机司钻台 Fig.5 Conventional drill rig driller station

图 6 宝石机械idriller集成司钻操作终端 Fig.6 BOMCO "idriller" integrated driller operating terminal

随着电驱动设备的增加,钻机已由以往室外设备就近操作转变为司钻远程集成化操作。集成控制系统为原本相互独立的各个设备之间建立了数据交换通道,借助于工业总线通信技术将变频器、智能远程司钻台、MCC柜、发电机组和上位计算机IPC等组成一个数字化、信息化、智能化的管理网络平台;同时,近年来国内开发的一体化集成司钻,可为钻机各设备建立统一的指令发送和信息监测终端,打破了以往司钻房内各设备配置各自操作箱以堆积木形式布置导致的信号接口多、易误操作以及管线和操作按钮布局混乱等问题,有效改善了司钻的操作环境和工作条件,对实现钻机的全数字化操作提供了极大方便。

2 我国钻机控制技术存在的主要问题

近年来,国产石油钻机尽管在自动化、信息化和智能化研究方面有了长足发展,也取得了明显的成效,但通过油田现场应用及与国外相关先进技术比较,仍然存在一些问题,现就有关问题进行分析并提出笔者的看法。

2.1 系统融合集成化水平仍有提升空间

石油钻机是一项系统性很强的配套工程,所涉及配套设备多达数百种,涵盖了机械、液压、气控、电控和编程等多个专业,尤其需要多个专业的匹配性设计和融合设计。目前,国内各大石油装备制造企业多是以机械加工和集成配套为主,所涉及的仪表检测、电传动控制、井场通信、视频监控和井场电路等子系统的配套通常采用用户直接指定的方式。受不同型号产品以及同一型号产品不同供货商在产品设计中存在的结构形式、外形尺寸和技术参数的差异性等因素影响,很容易造成设备的接口不匹配、重复配置、线路多以及布局混乱等问题,使得整套产品的一致性和规范性不好,集成化程度往往达不到最佳状态。

相比国内情况,美国同行标杆企业NOV(National Oilwell Varco)公司是一家综合开发能力和系统配套能力均很强的专业化集团公司,其产品几乎涵盖了从井下设备到地面装备全业务流程,所有单元产品均可为其自己开发的钻机进行配套,从设计开发、生产加工和集成调试等各个环节都便于进行统一的组织与规划,集成化设计水平明显优于国内产品。

2.2 “软扭矩”等系列专有技术核心掌握不深入

针对钻井过程中的一些特殊工况,国外钻井装备制造商开发了相应专用软件程序功能块,以提高设备的适应性。相比较,受国内当前在基础理论和试验测试等方面基础性研究条件及时间的限制,我国至今还没有完全掌握该类核心技术的理论算法,从而也没有从真正意义上形成系列具有核心竞争力和高附加值的技术产品。

“软扭矩”是一种顶驱或转盘在钻井过程中的自我调整保护功能[5],它可解决井下地层黏滑导致钻头和钻柱的额外磨损,通过对扭矩的实时监控进而进行转速的自适应调整以降低钻杆黏滑振动,减少钻具损坏,可有效提高钻井效率。图 7为软扭矩仿真测试效果对比曲线。目前国内对该“软扭矩”控制数学模型掌握得还不够深入,尚未得到广泛应用,而国外同行已将此作为其产品的一项附加内容供用户选择并实行单独销售,取得了较高的商业价值[6]。另外,WPS绞车快绳保护系统和自动耦合刹车系统等系列产品国内还有待于进一步深入研究。

图 7 软扭矩仿真测试效果对比曲线 Fig.7 Comparison curve of soft torque simulation test results

2.3 钻机信息化程度有待进一步拓展

随着国家对“互联网+”技术在各行业中的推广,石油钻机作为一种大型工业装备,在此方面还有较大差距。目前,随着集成司钻控制系统的开发,钻机各设备状态参数以及钻井过程中的工艺参数均已实现了在司钻房内全数字化的集中监视,但相对钻探公司的机关部门而言,其直接可以获得的现场信息却非常有限,使得信息反馈经常滞后,给设备管理带来一定难度。美国NOV公司以及挪威MH公司多年前已经针对此需求开展了相关研究攻关,并在海洋钻机中进行了应用测试,取得了很好的效果。

2.4 管柱自动化装备原始创新不足

目前国内管柱自动化装备的研发思路主要围绕模拟人工排放动作流程开发设计,从研发路径和设计方法来说都缺乏原始创新,使得产品工作效率等受到了较大限制。

相比较,国外相关公司则突破常规流程进行了大胆革新。如图 8所示,德国海瑞克TI-350T全液压钻机[7]采用无二层台双立根低位离线接立柱技术,使得起下钻速度优势明显;如图 9所示,意大利Drillmec公司研制的HH300全液压钻机采用扇形指梁存取立柱的输送路径,其效果明显优于常规二层台。

图 8 海瑞克TI-350T全液压钻机 Fig.8 Herrenknecht TI-350T full hydraulic drill rig

图 9 意大利Drillmec公司HH300全液压钻机 Fig.9 Drillmec HH300 full hydraulic drill rig

3 国内钻机自动化、智能化和信息化技术发展建议 3.1 加强管柱自动化装备创新研究,不断丰富产品类型

随着未来钻井对减员增效的要求越来越迫切,常规管柱自动化作业方法将难以适应今后发展,为此,国内钻井装备制造商应进一步加大研发投入力度,必要时采取跨行业横向联合,从管柱输送、交接、排放等工作流程及路径上实施原始创新,以形成快速、安全、便捷的新型产品;同时,考虑钻井工况及环境因素,针对海洋强腐蚀、冬季低温等特殊环境和地质、地层、钻深等不同工况要求,有针对性地开展产品技术升级研究,大力实施电驱、液驱和电液复合驱动等不同类型的产品开发,确保为用户提供性能可靠、适用面广且功能齐全的产品。

3.2 开展钻井专家优化系统的相关研究,为智能化钻井做好准备

根据相关资料分析统计,目前钻井作业正处于自动化钻井完善阶段,即地面钻机自动化装备与井下旋转导向自动化产品各自完善过程中[8-9]。专家预测2030年左右,石油勘探开发将进入到依赖钻井专家优化数据库而进行的智能化钻井阶段,即基于数十年来人工钻井经验和作业工艺参数的规律总结,建立一套数据丰富的钻井专家优化数据库系统,智能化钻井过程中通过井下工具检测系统提取出的当前井下地层特征数据,计算机数据库会自动匹配出最优参数作为钻机旋转设备和钻井液系统等的工作给定指令,从而自动控制钻机各个设备的运转,取代人工的干预,实现地面装备和井下设备的整体大闭环控制,进而实现智能化钻井[10]

国外相关公司凭借其多年来在测井服务过程中积累的丰富数据,已经提出了相应的理念,壳牌公司的SCADAdrill系统和斯伦贝谢公司的未来钻机等在相关技术研究方面已经有所突破。因此,加快速度并努力开展国内钻井专家优化数据库系统研究工作,是确保钻机今后满足未来智能化钻井工作的先决条件[11-12]

3.3 建立基于大数据的设备故障诊断系统,提升钻机技术服务水平

随着将来钻井作业过程全面被机械化装备所取代,各个设备的维护保养及故障修复将成为重要课题,为了应对该方面激增的业务需求,国内应加快基于大数据的故障诊断系统建设步伐。首先,根据不同钻井设备进行细化分类,对其各类常见故障进行统计分析,并建立基于检测参数或特征波形的故障特征信息库;其次,利用计算机技术完成自动预警及处置系统开发,借助网络或4G无线通信手段实现各类故障的智能化预警,实现设备的保养提示和预维修组织,从而减少设备意外停机给生产造成的影响。

4 结束语

自动化、智能化和信息化技术发展日新月异,石油钻机必须积极将其相关技术进行融合方能满足市场需求。一方面将现有技术进一步完善优化,提高系统的可靠性和灵活性;另外,积极进行相关前沿技术的储备研究,以适应未来钻井工艺对设备的要求。

参考文献
[1] 蒋运顺, 王延伦, 赵伟, 等. ZJ50DBS直升机吊装钻机[J]. 石油机械, 2014, 42(9): 56-58, 76.
JIANG Y S, WANG Y L, ZHAO W, et al. ZJ50DBS helicopter lifting rig[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(9): 56-58, 76.
[2] 苗波, 张建, 庞世强, 等. ZJ50/3150 DB低温列车式钻机的研发[J]. 机械研究与应用, 2016, 29(3): 114-116.
MIAO B, ZHANG J, PANG S Q, et al. Design of ZJ50/3150 DB low temperature train type drilling rig[J]. Mechanical Research & Application, 2016, 29(3): 114-116.
[3] 李崇博. 基于ACS800变频器的泥浆泵软泵控制技术[J]. 自动化博览, 2016(10): 88-90.
LI C B. Based on the ACS800 inverter soft mud pump control technology[J]. Automation Panorama, 2016(10): 88-90. DOI: 10.3969/j.issn.1003-0492.2016.10.032
[4] 吴琼. 钻机绞车直驱用永磁电机及其控制[D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2014.
WU Q. Permanent magnet synchronous motor and its control for direct-dirve drilling rig winch[D]. Shenyang: Shenyang University of Technology, 2014. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10142-1014304837.htm
[5] 刘振华. 石油钻井钻杆软扭矩控制系统的研究[D]. 西安: 西安工程大学, 2013.
LIU Z H. Analysis of laws of drill string stick-slip vibration and soft-torque control[D]. Xi'an: Xi'an Polytechnic University, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10709-1014050159.htm
[6] 蒋建华. 顶驱软扭矩系统现状及发展趋势[J]. 中国设备工程, 2017(19): 132-134.
JIANG J H. Status and development trend of top drive soft torque system[J]. China Plant Engineering, 2017(19): 132-134. DOI: 10.3969/j.issn.1671-0711.2017.19.059
[7] 秦富兵, 高鹏. TI-350T全液压智能钻机在W 204H 11平台的应用[J]. 内江科技, 2016, 37(5): 58-59, 54.
QIN F B, GAO P. Application of TI-350T fully hydraulic intelligent drilling rig on platform W 204H 11[J]. Nei Jiang Ke Ji, 2016, 37(5): 58-59, 54.
[8] 杨传书, 张好林, 肖莉. 自动化钻井关键技术进展与发展趋势[J]. 石油机械, 2017, 45(5): 10-17.
YANG C S, ZHANG H L, XIAO L. Key technical progress and development trend of automated drilling[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(5): 10-17.
[9] HANNEGAN D, GRAY K. Real-time data from closed-loop drilling enhances offshore HSE[J]. World Oil, 2013(3): 33-42.
[10] THONHAUSER G. Using real-time data for automated drilling performance analysis[J]. OIL GAS European Magazine, 2004, 120(12): 170-173.
[11] 杨军. 页岩气优快钻井专家系统研究[D]. 荆州: 长江大学, 2016.
YANG J. The research of optimized drilling expert system on shale gas[D]. Jingzhou: Yangtze University, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10489-1016201283.htm
[12] 胡睿. 钻井复杂情况与事故诊断专家系统研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2011.
HU R. Research on drilling complex incidents and accident diagnosis based on expert system[D]. Qingdao: China University of Petroleum (East China), 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10425-1011286641.htm

文章信息

魏培静, 王定亚, 肖磊, 贾涛, 于兴军, 李云鹏, 周海磊
Wei Peijing, Wang Dingya, Xiao Lei, Jia Tao, Yu Xingjun, Li Yunpeng, Zhou Hailei
我国石油钻机控制技术现状与后续发展思考
The Status and Future Development of Drilling Rig Control Technology in China
石油机械, 2018, 46(6): 1-6
China Petroleum Machinery, 2018, 46(6): 1-6.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.06.001

文章历史

收稿日期: 2018-04-01

相关文章

工作空间