石油钻机技术未来的四个发展趋势

文/栾 苏 梁春平 于兴军 张鹏飞 梁卫斌，国家油气钻井装备工程技术研究中心 宝鸡石油机械有限责任公司

为适应各种不同地域环境油气藏的勘探开发，国内外先后开发了顶部驱动钻机、小井眼钻机、快速移运钻机、套管钻机、液压钻机及自动化钻机等多种类型的石油钻机，钻机配套技术也得到快速发展。很多研究人员对国内外钻机的发展现状进行了调研，并对钻机的发展趋势进行了分析，主要从钻机的结构形式、驱动方式、钻深能力及环境适应能力等方面做了综述。如文献介绍了我国石油钻机的技术现状，同时指出与国际技术水平的差距; 文献介绍了变频钻机、顶部驱动钻机、小井眼钻机及快速移运钻机等国内外新型钻机; 文献介绍了国内外超深井和套管钻机;文献详细介绍了国外钻机的自动化和智能化、形式多样化以及小型化和轻型化，另外，对激光钻机、海底钻机和齿轮齿条钻机的技术现状也有所分析。这些对比研究对国内钻机技术的不断进步有着重要的推动作用。笔者就若干先进技术在油气钻机中的应用进行阐述。

1 国内外应用现状

1. 1 电力拖动技术

电力电子技术起源于 20 世纪 50 年代末和 60年代初，70 年代开始广泛应用于电力拖动行业。

自从国外将电力电子技术应用于石油钻采装备行业后，钻机的驱动模式发生了很大转变，出现了电驱动钻机，尤其是全数字交流变频驱动技术的应用，使钻机的机械结构得到简化，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性能，易实现自动化控制及安全互锁，操作方便灵活、故障诊断及维修保养方便; 同时对提高钻井时效、优化钻井工艺及处理井下事故等十分有利，成为钻机的主流模式。经过近 40 年的发展，电驱动钻机的性能已趋近完善和成熟。

然而在国内，电力驱动技术的应用相对较晚，1997 年宝鸡石油机械有限责任公司 ( 以下简称宝石机械) 第 1 次将变频技术用在 5 000 m 钻机上，到 2002 年，宝石机械和四川宏华石油设备有限公司 ( 以下简称宏华) 成功将变频驱动技术用于 7000 m 钻机，开始了变频钻机的系列化生产。同时开始在自动送钻系统和顶驱驱动系统中广泛采用变频驱动技术。

1. 2 自动化控制技术

为了满足日益增长的质量和效益要求，很多工业领域大量采用自动化控制技术。石油天然气工业也力求实现钻井自动化以提高作业效率，保证作业质量，提高作业能力及安全性，降低作业成本。

通过自动化控制技术与交流变频技术、传感检测技术和液压驱动技术的结合，使各种钻井装备更智能化，性能更优良，如 BENTEC 的转盘软扭矩控制、钻井泵软泵功能、TPC 的扭矩安全功能、泵同步功能和防反转功能等; 使钻机不仅实现自动送钻，还出现了大量自动化设备，如铁钻工和动力猫道等。这些设备在国外已经很成熟，如阿克、国民油井、TSC 的钻台机械化设备，威德福公司的 Power-Frame井架工等。国内的自动控制技术在钻机应用方面也取得一些成果，如宝石机械和宏华的铁钻工、动力猫道及井架工等机械化设备。

自动化钻机的出现是自动化控制技术在油气钻机中成熟应用的典型代表，如德国 Bentec 公司的自动化钻机，英国生产的 ＲAD 钻机、英国 BP 公司与阿拉斯加技术公司研发的轻型自动化钻井系统( LADS) 都采用先进的自动化控制技术实现钻机自动化。

智能钻井则是自动化控制技术在钻机系统中应用的高度体现。钻井自动化系统具备随着不确定环境、地面和井下数据变化实时调整司钻参数，并进行自动送钻。自动钻井技术不仅要求钻机系统具有基于计算机控制的适用性和交互式控制，同时具备数据信息的管理能力。国外关于该技术的研究较早，应用也比较成熟，比如国民油井开发的自动钻井插件应用在钻井服务中，能通过采集的数据分析自动优化模型和算法，还有斯伦贝谢 ( Schlumberger) 等公司也将该技术用于钻机。国内学者及技术人员也做了大量研究工作，各钻井公司或钻井工艺研究单位在积累了大量的钻井工程经验后，开发过一些专家系统，为钻井工艺提供施工参考，但未实现与钻机的结合，不能达到钻井过程的智能化和自动化。

1. 3 传感检测技术

传感检测技术是实现自动控制的关键，在很大程度上传感器检测技术的水平直接影响系统的质量。钻机最初使用传感器主要用在仪表系统，进行钻井过程的工艺参数监视，主要是各种流量传感器和压力变送器等。随着钻机控制系统的完善以及各种自动化设备在钻机中的配套，使得各种先进的传感检测技术在钻机系统中得到广泛应用，比如位移传感器、各种编码器、接触及非接触式探头等采用超声波、红外线、电磁等先进技术作为钻机配套的检测技术。钻机配套的传感器的接口形式也由最初的直接电信号输出，演变成基于 Can、AS － i、Pro-fibus 等多种现场总线技术的网络结构，工业电视监控探头也由最初的模拟信号单点输入变为现在的基于 TCP/IP 的 720P 甚至 1080P 的高清网络摄像头，大大提高了传感系统的稳定性和精确性，同时减少了现场的布线，使用和维护更方便。

1. 4 机器人技术

机器人是集机械工程、电子、控制、计算机、传感检测和伺服驱动等一系列先进技术的综合应用。20 世纪后，机器人技术在钻井装备中也得到应用，如阿克公司的 MH 机器人运动控制系统应用于垂直排管机、折臂抓管机等管柱处理系统; HIHUISMAN系列自动化钻机中的管柱处理系统，威德福公司的全自动机械化钻机配套的 Iron Derrick-man等已成熟应用于海洋及陆地钻机。

1. 5 网络信息化技术

网络信息化技术在钻机中的应用也非常广泛，包括通信电缆、光纤、无线等各种通信介质及方式用来实现钻机各个系统及设备之间的数据交换及共享。图 1 是宝石机械研发的钻机集成控制系统网络结构图，主要分为 4 层网络，最低层为控制器的下一级，为现场总线层，主要是 Profibus、Can 等总线用于各控制器与传感器和执行器之间的通信。图中的网络 ( 1) 和 ( 3) 采用工业以太网，是设备控制层网络，网络 ( 1) 主要是设备之间及服务器与各设备之间数据交换，网格 ( 3) 是工业电视监控网络; 网络 ( 2) 和 ( 4) 是设备监控层，负责服务器与客户端之间的通信，各客户端通过服务器监控钻机设备及钻井参数和现场视频多媒体数据; 网络( 5) 是广域网，钻机通过该网络将数据传回钻井公司，同时也是钻机在线技术支持的网络接口。

诞生于 1999 年的物联网技术 ( Internet of Things) 也用于钻机系统。2012 年 6 月，石油天然气公司 Statoil 公司的钻井跟踪系统 ( DOTS，Drill-ing Operations Tracking System) 使用挪威 ＲFID 公司的 Trac ID System 解决方案，即采用射频身份识别 ( ＲFID，Ｒadio Frequency Identification) 技术记录钻井设备的使用数量、使用频率及使用期，让作业公司能更好地管理设备，优化投资，确保设备不被超期使用，同时将该技术应用于钻井管柱的自动记录，解决目前手动记录过程容易出错、耗时长、工人长期暴露危险区域及劳动强度大的问题。

每一根管柱都集成一个带身分识别的 ID，在井口附近安装 1 个固定式数据读取器，接收信号范围是500 ms，将读取器的天线环绕在井口，能可靠读取下入井下管柱的 ID，然后传输到数据库的 DOTS 进行处理，除了自动记录该 ID 管柱长度、质量外，还自动记录管柱进、出井时间、在井时间及管柱总长度等信息。本地服务器还可以通过广域网或公司的内部局域网络将信息传输给 Statoil 的后端系统。

挪威的石油天然气协会对 ＲFID 技术在钻井现场的HSE、运输单元、钻井管柱、一些移动和固定设备中的应用进行了详细描述。

1. 6 计算机集成控制技术

计算机技术发展迅猛，在各行各业应用十分普及。在电驱动引入钻井装备的同时，计算机技术也被引进钻机系统，从最初的一次仪表、机械操控开始进入 PLC 控制，到目前的工控机控制、嵌入式控制系统等计算机集成控制技术已经在钻井装备中广泛应用。一般钻井装备采用 PLC 实现设备控制，为保证稳定及可靠性，还在很多场合采用冗余结构，如冷备份方案或直接采用冗余系统，西门子S7 － 400H 系统; 也有采用工业计算机直接参与控制，如阿克公司采用工控机配置西门子的软 PLC( Win AC) 实现控制设备控制。根据设备的复杂程度，通常 1 个设备对应 1 台控制器，控制器之间相互通信，实现数据共享。

随着钻机配置的提高，钻机控制系统是包含控制站、视频监控、参数监控站、操作站及数据库服务器等多子站的计算机集成控制系统。同时配置的钻井软件系统也不断更新，使钻机的功能更完善、操作更安全、人机界面更友好、钻井参数配置更优化，如国民油井的电子司钻 CyberBase、阿克公司的钻井可视系统 Drillview 等，是计算机技术成功应用的典范，系统不仅集中动态显示钻井过程和设备的参数，同时将工业电视监控系统也集成显示，系统具备多客户端，通过接入局域网或者广域网具备远程监控功能，能在线实时查看或回看各种数据。

图 2 为阿克公司的钻机集成示意图，对钻井控制/可配置的自动钻井系统、钻井记录仪、电子账本、管柱处理、测井、连续管作业机、工业电视监控、地质评价以及二氧化碳捕获处理系统等进行了集成管理和监控，形成有机统一的钻井系统。

2 钻机新技术展望

根据目前现有技术及钻机的应用情况分析，未来有关钻机的新技术研究及应用主要围绕以下 4 个方面开展。

2. 1 智能钻井

目前，虽然国外已经在钻机上实现了自动化钻井技术，但进行智能钻井及大规模应用还存在一些关键技术需要解决和完善。智能钻井技术主要包括随钻监测和决策系统的建立 2 个方面。随钻监测是基础，为自动钻井提供原始分析数据，同时也是保证钻井安全的关键环节; 决策系统是关键，主要包括专家系统、在线建模和模型优化等。

一方面，传感检测技术，尤其要满足高温高压的井下参数的检测技术、电力及信号在钻井过程的传输问题和决策系统的建立等将是智能钻井的 配套技术的重要研究内容。另一方面，决策系统的研究、现场试验及完善将是智能钻井配套技术持续研究的内容，建议钻机研发生产单位与钻井作业队伍合作，联合钻井工艺研究院及高校等单位，充分发挥各自在钻井相关技术研发中的优势，建立完善的决策系统并无缝接入钻机系统，真正实现钻井智能化及自动化，达到优化钻井性能、提高钻井效率和减少钻台人员的目的。

2. 2 集散控制

集散控制又称为分散控制，是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制技术，基本思想就是集中操作、分散控制、分级管理，具有配置灵活、组态方便的特点。随着自动化设备的日益普及，单一控制器已不能满足钻机的控制要求，基于多控制站协同作业、多层级网络的集散控制系统能更好地发挥作用。在目前钻机集成控制的基础上，完善钻机控制网络，添加工程师站，为钻机配置的更改提供柔性接口; 同时加强远程监控能力，钻井公司将每一台钻机作为 1 个设备建立统一的监控中心，组成一个基于钻机为基本单元的钻井监控网络，为加强信息资源整合、钻井工作日常管理、实现钻井数据共享奠定基础。

2. 3 远程司钻

目前钻机操控都在井口旁边的司钻房，相应控制系统等都在井口附近，环境恶劣，由于井口属于爆炸危险区域，除了对控制系统的防护防爆要求高以外，对司钻等操作人员的人身安全也存在一定威胁。基于网络信息通信技术、自动控制技术和全方位视频监控的远程司钻技术，将司钻及监视中心远离井口，对提高安全性以及降低控制系统对环境的要求有重要意义。2004 年，斯伦贝谢在英国剑桥研究中心控制了远在 8 000 km 以外的美国得克萨斯州卡麦龙 ( Cameron) 的一口试验井钻机作业，这是钻机走向自动化钻井里程碑标志性工程之一，同时也为钻机的远程操控开启了序幕。目前，制约这一应用的关键因素在于钻台机械化程度、系统的可靠性、随机事故的处理机制和安全机制不完善，围绕这些问题开展研究工作，进行相关技术研究，实现钻机的远程监视和控制亦将成为现实。

2. 4 在线故障检测及诊断

在很多设备故障会导致重大损失的工业场合都采用在线故障诊断技术，其应用不仅可以提前发现设备故障，消除事故隐患，同时也为设备改进优化提供原始数据。石油钻机尤其是海洋平台钻机在作业过程中，因设备故障停钻会带来重大的经济损失甚至是重大事故，而钻机系统是十分复杂的机械、电气和液压系统，设备的维护不仅工作量大，而且故障不易查找，因此在钻机系统中集成在线故障检测及诊断技术有重大意义。钻机系统中的液压及电气控制系统主要依靠传感检测技术，一般根据状态数据可直接判断，而基于振动测试技术、计算机信息等技术和故障模式识别理论来实现对钻机机械系统的检测与诊断将成为钻机系统研究的新内容。

3 结束语

每项新技术的出现到应用都要经历适应过程，大多都在其他行业成熟应用之后，才开始应用到油气钻井装备。随着技术的进步和积累，从技术的出现再到钻机中的应用时间间隔将越来越短，而无论是研究还是应用，国外都始终走在前列。目前国外的很多通用工业技术在钻机上的应用都十分成熟，而这些新技术在国产钻机中的应用很多才刚刚起步，甚至有些仍属空白，导致高端钻机市场被国外钻机生厂商垄断的主要原因有以下几点:

( 1) 我国科技起步较晚，基础比较薄弱，很多工业技术本身就滞后于国外。

( 2) 钻机的使用环境对配套设备的要求 ( 耐候性好、防爆及防护等级高、可靠性高等) 限制了很多新技术的推广。

( 3) 我国石油钻井装备制造企业的科研投入普遍不足，基础技术开发力度不够，大多是按合同订单开发，被动应付市场，很少提前投资进行前沿技术或产品开发。

( 4) 出于短期生产效率和安全性的考虑，很多用户不愿意尝试新产品的应用及试验，给新技术的应用和改进带来很大难度。

( 5) 基于成本因素的考虑，一些含有高新技术的钻机在国内陆地不易推广，使得钻机生产企业缺少相关技术积累。

环境恶劣、工作载荷大、危险系数高等是钻井作业的特点，随着各种新技术在钻机中的应用，钻机将朝着自动化、智能化和信息化的方向发展，为钻井作业降低作业强度和危险系数，提高劳动效率提供装备保障。从长远发展看，中石油公司将采用新技术提高效率，进而来降低成本，钻井承包价格将更多地考虑装备的技术先进性和安全可靠性。

可见，加强先进工业技术在钻机中的应用十分重要，石油钻井装备制造企业应加大科研投入，联合钻井作业单位加快新技术在钻机中的应用。