石油钻机综合控制策略研究

【摘要】基于石油钻机在油气开采中的重要作用，本文对石油钻机控制系统存在的问题作了一定分析，并提出了可供参考的建议和优化对策。

【关键词】石油钻机 控制系统 优化策略

1 石油钻机控制系统存在的问题

石油钻机经过长期的发展，自动化程度不断提高，自动化操作系统的进步和完善有效地降低了人工操作的劳动强度。但由于钻机制造厂商在钻机在出厂前，设置了固定程序，导致其不具备适应各种环境下的钻采工况能力，按已设置的固定程序运行，在使用中频繁响警、停工，影响正常生产，这种固定程序适用范围小，难以得到大范围推广使用，进而影响钻机的适用范围。归结起来，主要存在下述两方面问题：一是钻机工作环境差。多为地形复杂、气候多变的恶劣环境，无法正常使用精密仪器。加之开采工作流动性特征，使得事先勘探工作由于时间和资金双消耗而很难具备可行性。二是钻机打井工况复杂。钻机打钻距离差距很大，从一千米到上万米不等，造成信号传输速度随着距离的加大而变慢，继而导致自动控制响应时间和判断的滞后性。虽然多数时候引入了模糊控制等相关模式，但是，此类技术的使用依然受到发展水平的制约。

20 世纪末，我国的石油钻机在信息化，标准化和技术水平等方面都有了很大的进步和提高，由于石油钻机生产工艺和工作环境的需要，石油钻机结构庞大、组成复杂，是集电、气、液于一体的高新技术控制系统。即组成包括：

（1）电气传动控制系统，分直流电动机传动和交流电动机传动控制系统；

（2）气压传动控制系统；

（3）液压传动控制系统。同时，石油钻机经过近一个世纪的发展，到目前为止，其控制系统也呈现出这几方面特点：

①钻机控制系统网络化、自动化，可实现钻机信息系统远程通讯。

②钻机操作系统电气化，可保障安全，提高钻速及井身质量。

③钻机控制环境人性化，利于操作人员舒适、安全工作。

2 石油钻机的发展趋势研究

为实现油气藏的有效勘探，适应不同环境、不同地带的勘探工作，美国、意大利等国相继开发研制了各种类型的石油钻机，美国居于首位，其在20年代中期就已运用机械驱动钻机达到成熟阶段，而这是我国目前普遍采用的钻机种类。长期以来，随着石油制造业的不断发展，国外钻机在传动方式、结构形式以及顶驱发展方面都卓有成效。近来，交流变频电驱动钻机逐渐得到推广使用。通过相关资料调查显示，今后石油钻机将向着以下趋势发展：

（1）类型向着多样化方向发展，包括：

①根据勘探环境差异，开发出适应沙漠、海洋、浅海、海滩、极地以及城市、地震区等各种环境下的对应钻机类型；根据钻井工艺需要，开发了各种普通井和特殊井适用钻机，如斜井钻机、小井眼钻机等以及自动化钻机、轻便快速移运钻机等。这些体现了石油钻机的类型趋于多样化。

（2）体积向着两极化方向发展，表现为深井钻机趋向大型化，轻便钻机趋向小型化发展。便于选择，满足不同需要，提升作业效率和经济效益。

（3）控制系统向着自动化方向发展，表现为随着科技进步和生产扩大，相继出现顶部驱动钻井装置、盘式刹车技术、电驱动与全液压钻机等新技术的钻机。可靠性、安全性、智能性都有所改善和提高，在质量和体积上也具有明显优势，大大加快了钻机自动化的步伐。

（4）设计向着人性化方向发展。充分认识到人是生产的主体，遵循人本思想，安全性大大提高，提升作业效率的同时，注重环保需要。

3 石油钻机发展及其控制模式优化策略研究

3.1 钻机发展建议

上述研究中表明国际石油钻井技术的发展总趋势是以信息化、系统化、智能化、自动化为特点，正在逐渐向全自动化钻井方向发展，21世纪石油钻机，势必将会有更大发展。然而，我国石油钻机虽然也有了一定发展，但相比国外仍有较大差距，表现在：勘探地域受到限制；集装程度高的钻机未良好运用；信息化、智能化程度较低；在用钻机工艺方案不完善等诸多方面。针对我国石油钻机发展的不足，给出以下发展建议：

（1）技术上，按成熟技术产业化、在研技术集成化和高新创新技术自主化三个层次发展钻井技术，取精去劣，正确规划，以自动化钻井为重点发展对象，坚持创新，并把自主创新摆在首位。

（2）设备上，有针对性采用适合区块地形结构和气候条件的钻机进行勘探，以确保勘探的安全性，降低成本，提高作业效率和经济效益。

（3）其他方面。包括健全石油钻机管理体系；转变“重机轻件”的观念；筹资进行项目创新及技术改造；建立联合生产体系；巩固总装厂建设；培养相应高素质专业人才。

3.2 模式优化对策

经过上述研究，我们知道目前石油钻机的控制模式并不完善，各厂商不考虑勘探环境，钻机出厂前进行预设值设定，使其适应不同环境和地质条件的能力较差，难以有针对性地进行调整和改良，基于新型钻机的这些缺点，为完善其控制模式，提出了以下策略：

（1）单元划分控制策略，即井队划区块打井，由于同一区块的地形基本相同，有利于缓解地层变化压力。

（2）样本示范控制策略，作为范例，奠定学习型控制系统的引入基础。

（3）学习促进控制策略。根据控制经验的累积，进行自动控制系统的评估决策和完善提高，以更好地进行石油钻机钻井工作。基于上述三种策略，提出了“四步走”模式：机器记忆过程—优化设计过程—半自动控制过程—偏差值设定过程。这几项控制技术的优势表现为：

（1）适应环境能力强，纠正了人为失误；

（2）可靠性和人本化因素提高，增强了安全运行和自动控制能力；

（3）真正做到降低风险，有效降低了成本，提高了生产效率和安全使用，经济、安全双收益。

（4）做好技术创新准备工作。由少积多建立区块资料数据库，为进一步研究复杂工况的无人值班作业技术奠定良好的基础。

（5）应用对象具有优势。技术适合区块钻井工况属于井位相对密集区，优势明显程度与区块井位数量相关，即区块井位越多，优势越明显。

4 结语

随着科技进步和工艺提高，在工程科技高速发展的21世纪，大众对自动化控制系统的期望度日益加大。现代石油钻井技术正从科学化成熟钻井阶段向自动化操控钻井阶段发展。我国应正确对待与国际的差距，不断努力，建造新型石油钻机，加快机械化、智能化进程，提高劳动生产率，以提高自身石油钻机在国际市场上的竞争力。综合上述研究，石油钻机控制系统正向着小型化、模块化、集成化、智能化发展。随着智能控制系统的应用和完善，设备上逐渐优化和高素质作业人员配备等，都将不断促进石油钻机技术创新工作，推动钻机控制系统进一步发展。

参考文献

[1] 王平，赵清杰，杨汝清.石油钻机智能送钻技术研究[J].石油机械，2006（12）

[2] 王建军，李耀杰.浅谈石油钻机控制系统的现状和发展[J].电气传动自动化. 2005（05）

[3] 贾秉彦，马广蛇，侯文辉，白永宏，毛玉琢.石油钻机发展中有关问题的探讨[J].石油机械，2006（03）