石油钻机自动化发展探讨
摘 要：钻机的自动化能够最大程度地减少人工作业的工作量与工作风险，提高钻井作业效率。近年陆地钻机对自动化、智能化、高安全性需求也日益提高，钻机自动化技术成为钻机技术发展的重要方向之一。目前，我国的自动化钻机作为先进钻机的代表，不仅能取代常规的钻井装备，消除传统的钻井作业效率低、成本高、劳动强度大等缺点，还能减少井队人员配置，降低海外人工作业成本，规避国外作业的风险。钻机自动化升级可以形成钻机成套自动化控制技术的研究，为提高钻机自动化研制打下良好基础。此外还可以向海洋钻机进行技术辐射，以带动现有钻机技术水平的升级。
关键词：石油钻机 自动化 发展
初级自动化钻机是应用了铁钻工、自动吊卡、自动卡瓦及管子排放系统等部分自动化工具及装置的普通钻机。主、副司钻集中操作，依靠现场作业人员辅助来完成基本的钻井操作。除主机的常规配置外，它主要增配的装置包括钻机游动系统自动化控制、铁钻工、管子排放系统、自动吊卡及自动卡瓦等。其目的是最大化减少人工作业的工作量与工作风险，减少作业人员。
高级自动化钻机在钻井作业的所有环节都应用了自动化工具及装置。并且实现了集成控制，钻井作业在司钻监控下，由计算机上的钻井专家系统按照程序智能控制有序进行。最基本的配置可保证正常作业时，钻台上不需要直接操作人员。目前最先进的自动化钻机每班仅需4人即可完成全部钻井作业。
钻机的自动化能够最大程度地减少人工作业的工作量与工作风险，提高钻井作业效率。早期钻机自动化技术与装备多应用于海洋钻机，近年陆地钻机对自动化、智能化、高安全性需求也日益提高，钻机自动化技术成为钻机技术发展的重要方向之一。钻机自动化的关键是如何实现钻井管柱操作的自动化，即通过研制和配套相应的管柱处理系统实现钻井管柱从地面到钻台面的输送、测量——管柱在钻台面的上、卸扣和紧、崩扣——钻进中送钻——起下钻时立根的排放等一系列动作机械化、自动化操作。上述操作主要依赖先进的自动猫道，钻台机械手、铁钻工、自动卡瓦、自动吊卡、二层台管柱自动排放装置及相应司钻集成控制技术。
一、石油钻机国内外现状及发展趋势
（一）国外相关产业和技术现状、发展趋势
国外钻机经过柴油机驱动→直流电驱动→交流电驱动，已发展到高度自动化和智能化阶段。随着石油工业的发展，对钻机的作业效率有更高的要求。常规钻机采用人工操作管柱系统的模式越来越不适应发展的需要。另外对钻机的自动化操作要求也越来越迫切。
1949年, Byron Jackson 公司研制出第1台三臂管柱排放装置样机, 并于1952年获得成功应用。1956年, 第1套钻柱操作系统在CUSS—1钻井船上应用，该钻井船的钻柱水平排放在甲板上, 操作系统主要用于排放水平放置的管柱。20世纪70年代以后, 随着一些新的井口操作自动化工具(如液压大钳、动力卡瓦) 的应用,同时各种用途的钻柱排放装置不断出现, 这些装置与井口自动化工具配合使用, 使得钻井作业过程中对管柱的各种操作不再需要人工直接参与, 钻柱排放技术开始从机械化向半自动化发展。1973年, 挪威的SmedvigWestVenture钻井船上安装了BJ2Hughes公司研制的机械化、半自动化钻柱排放系统。据统计, 该钻井平台利用机械化管柱排放系统1 a节省了28 d的时间,平均一趟钻节省1 h。管柱排放系统在West Venture平台的成功应用, 使得北海地区的其他钻井船也配备了管柱排放系统。
20世纪80年代, 由于一些国家法规的制定和实施, 促进了钻柱自动排放技术的快速发展。各种不同结构特点的钻柱自动化操作系统相继研制成功, 新建海洋石油钻井平台上全部配备了管柱自动排放系统。
从20世纪80年代中后期开始, 随着计算机技术、信息技术和控制技术的发展, 管柱自动排放技术开始向自动化和智能化方向发展。一些先进的管柱自动排放系统可以与钻机的其它操作集成在一起, 1个人即可完成钻台所有操作。系统完全按照设定的程序工作, 可以自动判断工作状态, 一旦出现误操作, 系统可以自动停止, 真正实现了安全、自动、高效作业。
20世纪90年代以后, 钻柱自动排放装置由最初的专为特定钻井船设计发展为模块化、系列化设计, 钻柱自动排放技术的应用也由海洋钻井平台走向陆地钻机, 逐步实现了模块化和系列化。现已可以根据钻机的类型选择不同的操作系统, 满足不同类型钻机的需要。
1993年, Varco公司开发了可以遥控操作的管柱自动排放系统, 1996年, 第1个模块化设计的钻柱排放系统研制成功。1990 年, 精密钻井公司建造了Super Single 钻机, 该钻机为新型自动化钻机, 带有管柱处理和排放装置, 可以完全实现自动化钻井作业。1996年, 斯伦贝谢Sedco Forex公司制造了一部基于简单概念的新钻机,该钻机配备了全自动管柱操作系统, 能够实现管柱在放置区、钻台、起下钻和钻台与地面之间的全自动化运移操作。
美国W-N Apache联合公司研制的自动化钻机：采用动力水龙头钻井方法，配备了自动移运和排放立根系统；采用微机控制系统，以监控钻机操作各工序正常作业，钻井深度为6096m。其特点是钻机的总重量较轻，安装拆卸时间减少50%；采用自动化控制系统，可在1min之内完成接单根作业，节约钻井时间12%—15%；全钻机只需要2人进行操作。英国石油公司与Phonex Alaska Technology公司共同研制的一种轻型自动化钻井系统(LADS)，主要由常规钻机模块和移动系统、管子处理系统、自动控制系统组成，质量轻(不到钻深能力相当的常规钻机的50%)，灵活性高，能适应恶劣路况搬迁和在狭窄井场进行钻井作业。另外，由于采用自动化管理，整个系统仅需1名操作工便可通过计算机控制站完成所有钻进、起下钻和钻杆排放等作业。
在钻机自动化配套设备方面，国外石油设备供应商已有成熟的技术和相应的产品。在自动猫道方面，美国NOV、加拿大的CARING和TESCO等公司能够生产，部分公司的产品不仅能为陆地钻机配套，还能为海洋钻机配套，自动猫道已系列化并成功应用于现场；在铁钻工方面，美国的NOV和Weatherford等公司能够生产，有手臂式和轨道式2种类型并已形成系列化，得到广泛应用；在液压吊卡方面，美国的NOV和德国的B+V等公司能够生产，主要有对开门和双开门结构，部分带有自翻转功能，产品规格全；在动力卡瓦方面：美国的DEN-CON公司和NOV等公司能够生产，有气动和液动两种类型，形成系列化，得到广泛应用；在立根排放系统方面：挪威的MH和美国的NOV、Weatherford等公司能够生产，类型多，系列化。
目前生产制造自动化钻机的厂家主要包括NOV、DRILLMEC、Arkersolution、Huisman、SCHRAMM、Atlas Copco、GEFCO、DIETSWELL、BAUER、HERRENKNECHT VERTICAL等公司。
SCHRAMM Huisman
（二）国内相关产业和技术现状、发展趋势
经过几十年的发展，我国石油钻采设备制造规模生产企业已经超过180多家，从业人员4.7万人，已形成了比较完整的生产制造体系。已形成生产
15、20、30、50、70、90、120系列钻机的能力，开发了电驱动钻机、丛式井钻机和顶部驱动装置。
近年来，国内相关单位在钻机自动化控制及管子处理装置方面持续不断地进行了探索和实践。宝石机械近年来陆续完成包括动力猫道、二层台自动化排管、铁钻工等关键井口自动化工具的研制，相继形成适用于陆地、海洋的半自动化及全自动化管柱处理系统的解决方案。
第四机械厂于2009年开始对HXJ90液压海洋修井机开始研制，该钻机通过配置管柱自动化控制系统，实现了海洋钻修机单根作业的自动化；2010年成功研制出全液压煤层气钻机，2012年底陆续完成吊挂式铁钻工、动力猫道及多马达可旋转动力头的研制，已形成煤层气钻机专用半自动管柱处理系统。该厂设计研制的BE550/BE770系列钻机已经配套了顶驱、动力猫道、铁钻工等自动化工具；同时，开始了常规陆地钻机的管子处理系统研制工作。
南阳二机近年来通过自主研发和项目合作等方式，陆续成功研制液压煤层气钻机、齿轮齿条钻机及自动化斜直井钻机。尤其是HH75自动化斜直井钻机，通过配置全自动化管柱处理系统，逐步具备了集成配套自动化钻机的能力。
四川宏华集团年近年来致力于海洋钻机包及钻井平台的研发，陆续成功研发了适用于海洋钻井作业的动力猫道、接立根装置及管具排放装置，在陆地钻机方面，目前也成功研制出动力猫道与铁钻工两个关键性自动化工具。宏华集团重点发展海洋自动化工具，同时满足陆地自动化钻机的配套需求。
在国内，海洋的自动化管柱处理系统基本依靠进口。陆地钻机方面，各种自动化工具已初步应用油田现场，例如大庆石油2011年开始试用铁钻工，渤海、川庆钻探已经试用铁钻工、动力猫道等自动化工具，二层台自动排管也开始在油田进行工业试验。总体而言，仅铁钻工已成熟应用，动力猫道及二层台排管装置尚处于试用阶段，自动化工具的集成及工程应用处于试验阶段，技术的可靠性及适应性有待提高，集成控制的自动化钻机在国内尚未成熟，未形成成熟的集成应用。 随着国际合作的日益增多，国内石油勘探开发的工程队伍更多的走出国门，为降低海外人工成本及适应国外油田的环境和安全要求，对石油装备提出了自动化、人性化及安全化的要求。自动化钻机作为先进钻机的代表，不仅能取代常规的钻井装备，消除传统的钻井作业效率低、成本高、劳动强度大等缺点，还能减少井队人员配置，降低海外人工作业成本，规避国外作业的风险。
因此，对常规钻机进行自动化升级很有必要，不仅能满足钻井作业高效率、高安全、高可靠性的要求，更能提高中石化钻井队伍的竞争实力。此外，通过对常规钻机自动化升级，在现有钻机上配套顶部驱动钻井装置、钻柱自动化处理系统、网电模块、丛式井移动装置等先进设备能够提高钻机的自动化程度，达到减少生产班组的人员配备，降低人工成本；缩短非作业的辅助时间，提高钻井时效；减轻劳动强度，提高作业安全性；增强钻井队伍在国际钻井市场的竞争能力。
另外钻机自动化升级可以形成钻机成套自动化控制技术的研究，为提高钻机自动化研制打下良好基础。此外还可以向海洋钻机进行技术辐射，以带动现有钻机技术水平的升级。
作
者：
李静
中石化石油工程公司第四机械厂生产运行科
通讯地址：
湖北省荆州市荆州区四机路1号
434024 参考文献：
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