景佐軍智慶杰唐 飛秦羿涵王 輝尋 明冉 洋范 磊

(1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西 寶雞 721002)

近年來，伴隨著科學技術的發(fā)展，石油鉆機歷經(jīng)了柴油機驅動機械式鉆機、SCR直流電驅動鉆機、VFD交流變頻電驅動鉆機等發(fā)展階段。目前，石油鉆機已經(jīng)進入到了自動化鉆機階段，即，在絞車、泥漿泵等關鍵設備采用變頻驅動的基礎上，配置輸送、拆接、排放用的全套管柱自動化裝備[1-2]，并通過司鉆控制系統(tǒng)實現(xiàn)鉆機各個設備的集中自動化操作，以及相應的邏輯保護功能。國外石油鉆機已經(jīng)初步進入到智能化初期階段，在現(xiàn)有自動化鉆機方面又有了諸多新的技術提升。本文從我國自動化鉆機當前狀態(tài)、存在的技術瓶頸問題、后續(xù)智能化發(fā)展亟需攻克的關鍵技術等方面進行闡述。

1 我國自動化鉆機相關技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 自動化鉆機級別涵蓋較為齊全

近年來，伴隨著中國石油集團公司油氣勘探開發(fā)作業(yè)提出的“四化”(注：四化為“標準化、專業(yè)化、機械化、信息化”)和“五省”(注：五省為“省人、省心、省力、省時、省錢”)目標的大力推進，國內在自動化鉆機研制方面也取得了長足進步，實現(xiàn)了從無到有、從單臺到批量、從3 000 m到9 000 m的全級別覆蓋。

該系列鉆機配置了地面堆場、鉆臺面、二層臺全流程的管柱自動化作業(yè)設備，全機械化裝備輔助自動控制程序使得人工作業(yè)強度大幅降低；采用頂驅與轉盤變頻驅動共用切換技術，實現(xiàn)了頂驅電控房與鉆機電控房的集成，進一步減少了設備搬運車次；主驅動設備的全面直驅化，降低了設備外形尺寸以及整體質量。該批次鉆機截止目前已由中石油寶雞石油機械有限責任公司完成了數(shù)十臺的生產(chǎn)制造，并在國內陸上各主要油氣勘探區(qū)塊進行作業(yè)，歷時近2 a的現(xiàn)場作業(yè)，累計實現(xiàn)近百口井的作業(yè)，為一線生產(chǎn)作業(yè)提供了有力支撐和保障。我國研制的2款自動化鉆機產(chǎn)品如圖1～2所示。

1.2 自動化排管技術初獲成功

伴隨著油氣勘探開發(fā)提質增效需求，國內各石油裝備研發(fā)制造企業(yè)也都紛紛投入大量精力進行自動化排管系統(tǒng)的研究攻關[3-7]，也形成了諸多各具特色的單元裝備，為鉆機自動化技術發(fā)展提供保證。寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)研制的DM型動力貓道如圖3所示，可實現(xiàn)3根鉆桿集中輸送，大幅提升管具在地面與鉆臺間輸送效率。北京捷杰西公司研制的JJC型鐵鉆工如圖4所示，采用連續(xù)鏈式旋扣鉗，有效降低對鉆具的損傷。三一集團研制的電動化二層臺排管裝置如圖5所示，可實現(xiàn)二層臺無人化作業(yè)。

圖1 大慶鉆探7 000 m自動化鉆機

圖2 渤海鉆探8 000 m四單根自動化鉆機

圖3 寶石機械研制的動力貓道

圖4 捷杰西JJC型鐵鉆工

圖5 三一集團研制的二層臺機械手

1.3 司鉆集成控制技術已經(jīng)突破

以寶石機械idriller系統(tǒng)(如圖6所示)為代表的國產(chǎn)化司鉆集成控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)技術突破，并在國內已經(jīng)實現(xiàn)批量化應用。以前，此類技術均為國外少數(shù)標桿企業(yè)所壟斷，包括美國NOV公司的Cyberbase產(chǎn)品、挪威AkerSolutions公司的Drive view產(chǎn)品等。國產(chǎn)化的集成司鉆系統(tǒng)在功能上基本具備了國外同類產(chǎn)品的使用性能，包括智能防碰、邏輯互鎖、數(shù)據(jù)記錄、互備冗余等，并通過在國內數(shù)十套鉆機中進行應用驗證，有效提升作業(yè)安全性以及操作人員舒適性。

1.4 鉆機遠程信息化監(jiān)測技術路徑打通

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在各行各業(yè)中的迅速推進，石油鉆機的遠程信息化監(jiān)測也已經(jīng)實現(xiàn)技術驗證[8]。石油鉆機的作業(yè)多處于人跡稀少、交通不便的區(qū)域，但又由于該裝備中電氣自動化、液壓傳動等專業(yè)性，通過4G或衛(wèi)星傳輸手段實現(xiàn)關鍵設備的實時運行狀態(tài)監(jiān)測，以及后端專家的專業(yè)技術指導，已成為未來鉆機技術發(fā)展的必然趨勢。

a 寶石機械idriller集成司鉆效果圖

b 寶石機械idriller集成司鉆產(chǎn)品圖

中國石油集團公司在十三五期間啟動了石油裝備物聯(lián)網(wǎng)(C10)工程項目，目前已經(jīng)實現(xiàn)了鉆機、柴油機組等重大裝備的數(shù)據(jù)歸檔回傳，各裝備制造企業(yè)在該統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺下也紛紛建立遠程監(jiān)測終端平臺，有力提升了裝備的信息化水平。寶石機械建立了“鉆機遠程服務中心”，如圖7所示，初步具備了運行狀態(tài)監(jiān)測、預測維護提醒、報警信息提示、故障排查指導、設備檔案歸檔、音視頻協(xié)同等功能；并支持不同用戶采取在各自終端對所管理鉆機的實時監(jiān)測查看，如圖8所示。

2 自動化鉆機技術發(fā)展過程中面臨的技術瓶頸

我國批量自動化鉆機歷經(jīng)工業(yè)化應用，作業(yè)流程能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)工藝需求，各設備功能均得到驗證。但是，仍然存在相關問題，這也成為發(fā)展智能鉆機的技術瓶頸。

圖7 寶石機械“鉆機遠程服務中心”

圖8 寶石機械某鉆機監(jiān)測界面信息

2.1 系統(tǒng)作業(yè)效率問題

當前自動化鉆機的整體布局和作業(yè)流程與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比并無本質的變化，總體思想還是在原來需要人工干預的環(huán)節(jié)通過增加液動機械臂或專用機構來代替人員，并無流程的縮減和本質革新，個別環(huán)節(jié)動作較人工還更加繁瑣。新增多個自動化設備(如圖9～10所示,包括：鉆臺機械手、鐵鉆工、泥漿盒、緩沖機械手、動力卡瓦等)，使得鉆臺面布局緊張。由于設備防撞保護，使得并行作業(yè)環(huán)節(jié)減少。機構在面對不同規(guī)格鉆具，以及交接位置偏差，總的響應靈活性與人體有著不可逾越的差距，在一定程度限制了自動化鉆機效率的提升。因此，自動化鉆機在短時作業(yè)過程中的效率優(yōu)勢不明顯。在長時作業(yè)過程，由于機構動作的可重復性和人工體力的下降，自動化鉆機的優(yōu)勢明顯。

以地面輸送單根入井口為例，自動化鉆機動作流程為：

鉆桿由排管架滾入貓道V型槽→貓道舉升鉆桿上鉆臺→貓道推移鉆桿伸出至井口→吊卡扣合鉆桿→游車上提鉆桿→緩沖機械手扶持鉆桿底部→游車下放鉆桿至井口。

圖9 自動化鉆機鉆臺布局

圖10 自動化鉆機鉆臺交接鉆桿過程

常規(guī)人工作業(yè)流程為：

人工旋錐帽到鉆桿→風動絞車提升鉆桿至井口→人工扶鉆桿入井口。

由于人工作業(yè)過程中無需吊卡扣合參與，且鉆桿在上鉆臺過程中邊提升邊翻轉，這是目前自動化鉆機所不具備的。

2.2 自動化工具穩(wěn)定性及作業(yè)成功率問題

當前，以動力貓道、鐵鉆工等為代表的管柱自動化設備大幅降低了作業(yè)過程中的人員勞動強度，深受一線作業(yè)工人的歡迎，但目前各企業(yè)研制的上述設備或多或少存在著長時穩(wěn)定性的問題。由于其多采用液壓驅動系統(tǒng)，其受溫度以及油品清潔度的影響非常大。隨著外部氣候的變化以及環(huán)境的惡劣，上述設備在貓道自動拾取鉆桿、鐵鉆工一次上/卸扣、吊卡有效扣合、緩沖機械手準確導向扶持對中、鉆臺機械手重復精確排管定位等方面都存在著無法有效保障成功率的問題，各相關設備也無自動調整結構以適應微小位置偏差；加之絲扣油涂抹以及拆卸護帽等工作仍需人員手動實現(xiàn)，使得管柱輸送、排放等作業(yè)過程仍無法實現(xiàn)全流程自動化。

2.3 個別狀態(tài)檢測手段尚不成熟問題

限于檢測對象(鉆具)規(guī)格/長度的多樣性，以及鉆桿輸送過程柔性環(huán)節(jié)，使得鐵鉆工、鉆臺機械手等設備有效檢測管具精確位置和狀態(tài)成為瓶頸(如圖11所示)。另外，安裝于頂驅下部的吊卡存在360°以上的旋轉工況，在吊卡本體進行扣合、載荷、傾斜角度等電信號直接檢測方式存在傳輸困難；尤其是管柱輸送及排放作業(yè)過程中需要人工參與部分協(xié)助工作(如圖12所示)，由于缺少人員位置精確檢測，存在設備傷人的安全隱患，在人機協(xié)同作業(yè)方面尚不成熟。

圖11 鐵鉆工識別鉆桿高度

圖12 人工協(xié)助鉆桿導向入鼠洞

2.4 各類數(shù)據(jù)零散并缺少系統(tǒng)分析整理問題

據(jù)相關資料介紹，鉆井成本占油氣勘探開發(fā)總成本的50%以上，提高鉆井速度可以極大節(jié)省整體作業(yè)成本?；诖髷?shù)據(jù)分析的鉆井過程優(yōu)化成為將來的大勢所趨[9-11]。作為勘探開發(fā)的核心裝備，石油鉆機向智能化發(fā)展也離不開大數(shù)據(jù)的分析。通過對歷史井位的地質數(shù)據(jù)、勘探開發(fā)工藝數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)以百萬計數(shù)據(jù)的綜合分析，可以實現(xiàn)鉆井工程設計優(yōu)化、鉆機作業(yè)參數(shù)優(yōu)化、地下井筒風險識別、鉆后時效評估等功能，鉆機則可更加高效地按照工藝需求和地質特性，在最優(yōu)的鉆壓/轉速等參數(shù)下工作。目前，國內上述不同類別的數(shù)據(jù)信息還都隸屬于不同的部門或環(huán)節(jié)，尚未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，缺少數(shù)據(jù)的分析整理機制，對于大數(shù)據(jù)的深度挖掘和應用都造成一定瓶頸。

2.5 井下智能工具及近鉆頭數(shù)據(jù)檢測傳輸問題

未來智能鉆井的發(fā)展必然是井下、地面一體化，即，以旋轉導向等為代表的井下智能化工具，實現(xiàn)井眼軌跡的自動分析判斷、調整處理、修正執(zhí)行，從而實現(xiàn)超深井、高難度定向井、水平井、叢式井、多分支井等復雜井開發(fā)的井筒軌跡控制。同時，通過井下儀器檢測技術，高效地實現(xiàn)近鉆頭處的鉆壓、泥漿等特性參數(shù)實時采集，借助于智能鉆桿等高速數(shù)據(jù)傳輸介質，將井底真實的狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給地面[12]，從而使鉆機控制系統(tǒng)結合上述信息，實現(xiàn)懸重、泵沖的自動優(yōu)化調整，進而完成地面鉆機與井下參數(shù)的大閉環(huán)控制。目前，世界上較為成熟的旋轉導向工具包括貝克休斯公司的AUTO TRAK RCLS系統(tǒng)、斯倫貝謝的POWER DRIVER SRD系統(tǒng)、SPERRY-SUN公司的GEO-PILOT系統(tǒng)等。上述工具在現(xiàn)場應用中已為鉆探用戶取得了良好的經(jīng)濟效益。中國石油勘探開發(fā)研究院、西安石油大學、勝利油田鉆井工藝研究院等相關科研院所也先后在此方面進行了研究攻關，并有相關產(chǎn)品產(chǎn)出進入到應用階段。但是，目前在市場認可度等方面相對國外產(chǎn)品仍有一定差距。

3 國內鉆機智能化發(fā)展建議

3.1 全新流程方式的鉆機總體技術開發(fā)

如前面所述，我國相關企業(yè)已經(jīng)完成了以管柱自動化裝備為核心配置的自動化鉆機研發(fā)制造。上述鉆機采用的是模擬常規(guī)鉆機人工作業(yè)動作流程進行機械化替代的技術路徑，這也是自動化鉆機發(fā)展的必然階段。通過應用，反映出了單元設備過多造成鉆桿交接復雜、鉆臺有效作業(yè)空間壓縮、并行作業(yè)工序減少、設備重復精度以及可靠性不高、系統(tǒng)作業(yè)效率有待進一步提升等問題。為此，國外相關企業(yè)已經(jīng)從作業(yè)流程著手，進行了顛覆性原始技術創(chuàng)新，并取得了良好效果。建議智能化鉆機首先需要解決作業(yè)流程革新問題。

由West Group公司研制的連續(xù)運動鉆機(CMR)采用了連續(xù)不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)、液缸直推式無絞車提升系統(tǒng)、雙提升機械手系統(tǒng)、獨立立根系統(tǒng)等全新設計理念，使得鉆機性能得到大幅提升，如圖13所示。該鉆機連續(xù)不間斷循環(huán)鉆井系統(tǒng)可避免接單根時停泵卡鉆風險，減少窄壓力窗口地層起下鉆柱時引起的井筒溢流和井漏，解決遭遇復雜井況時對井筒安全挑戰(zhàn)等系列問題。同時，通過2套提升系統(tǒng)和多個操作手臂之間配合，進行起下鉆作業(yè)或完成各種鉆井作業(yè)，相對于常規(guī)鉆機的單提升作業(yè)模式，作業(yè)中途無任何間斷停留。2套提升系統(tǒng)交替起下鉆作業(yè)，可使起下鉆速度達到3 600 m/h，效率是目前人工的數(shù)倍，鉆井周期節(jié)約50%以上，鉆井成本節(jié)約40%～45%，減少動力系統(tǒng)二氧化碳排放量60%。

圖13 CMR鉆機雙提升機械手系統(tǒng)

3.2 電動化鉆井機器人裝備開發(fā)

以電動伺服驅動為代表的機器人自動化裝備具有傳動精準、響應靈敏、易于維護等優(yōu)點，尤其是其電動化系統(tǒng)設備狀態(tài)參數(shù)便于提取監(jiān)測，更容易實現(xiàn)智能化過程的信息監(jiān)測。智能鉆機的可靠發(fā)展必須以此高精準性的電動化執(zhí)行機構作為支撐。該形式鉆機機器人具有強大的自主學習、自主決策分析等功能，不僅獨立完成工作，還能根據(jù)作業(yè)過程微小偏差進行自我調整[13]。同時，充分進行設備的集成設計，減少參與過程的單元設備數(shù)量，進而減少由于多設備參與井口作業(yè)、相互避讓導致的關聯(lián)設備等待時間(泥漿防噴、絲扣油涂抹等盡量與鐵鉆工一體化集成設計，減少各個單元散件獨立機構進出井口的無效時間)，挪威RDS等公司已經(jīng)進行了鉆井機器人的研發(fā)應用(如圖14)，并取得階段性成果；國內石油裝備制造商應該加強與機器人行業(yè)的聯(lián)合，開發(fā)出滿足石油鉆機的防爆型大負載鉆井機器人。

圖14 RDS公司系列鉆井機器人

3.3 跨學科引進圖像識別等技術開發(fā)

檢測系統(tǒng)作為智能化鉆機的自主決策的信息來源和判別依據(jù)，非常關鍵，如前面所述部分環(huán)節(jié)依賴于傳統(tǒng)傳感器進行檢測的方式已經(jīng)無法實現(xiàn)。但是，其他行業(yè)內依靠圖像識別、人臉識別等新興技術進行特征狀態(tài)提取，其技術已經(jīng)日益成熟。國外NOV等公司也已經(jīng)通過圖像識別技術進行鐵鉆工上/卸扣過程中鉆桿接箍高度的識別，從而實現(xiàn)鐵鉆工鉗頭的自主升降來適應作業(yè)高度 ，檢測準確率已達98 %，取得了較好的效果[14]，如圖15所示。

同時，依據(jù)圖像識別技術對人機并行作業(yè)的鉆臺區(qū)域進行人員動態(tài)站位實時檢測，解決了人機協(xié)同過程中的安全性問題。

圖15 NOV圖像識別在鐵鉆工中應用

3.4 基于大數(shù)據(jù)的智能鉆井專家系統(tǒng)建設

未來智能化鉆井系統(tǒng)將以遠端智能鉆井專家系統(tǒng)為決策核心[15]。該系統(tǒng)應用大數(shù)據(jù)、人工智能、機器深度學習等算法，結合鉆機作業(yè)現(xiàn)場返回的地質、工藝、裝備綜合數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)優(yōu)化分析，從而為勘探開發(fā)現(xiàn)場提供最優(yōu)鉆具組合、泥漿參數(shù)、鉆機工作參數(shù)等信息，提高鉆機的系統(tǒng)作業(yè)時效。另外，通過大數(shù)據(jù)分析比對，可對井漏、溢流、鉆具刺漏、斷鉆具、溜鉆、卡鉆等地質事故和工程事故進行提前預警，從而提醒司鉆人員采取相應的預防措施。國外的斯倫貝謝公司依托其多年來勘探開發(fā)服務過程中積累的全球海量鉆井數(shù)據(jù)，建立了其智能鉆井專家平臺——“DELFI”[16]。該平臺集地球物理學、地質學、油藏工程學、鉆井工藝學、采油工藝學等多專業(yè)知識為一體，可為鉆井工程項目進行井眼軌跡設計、套管等鉆具組合設計、鉆井液設計和固井設計等提供一體化最優(yōu)解決方案。該平臺具有自主輔助決策功能，還會根據(jù)作業(yè)井位不斷豐富其數(shù)據(jù)庫信息，進一步自主學習，充實其優(yōu)化的準確度。我國缺少統(tǒng)一的上述后臺大數(shù)據(jù)分析平臺，大量鉆井數(shù)據(jù)未進行數(shù)字化歸檔提取。然而，國內各個裝備制造企業(yè)與鉆探業(yè)務的專業(yè)化分工，其往往不掌握上述數(shù)據(jù)信息，故該系統(tǒng)亟需由鉆井工藝部門聯(lián)合專業(yè)公司進行開發(fā)，從而支撐智能化鉆井技術的開展。

3.5 井下工具及數(shù)據(jù)傳輸技術攻關

井下智能工具作為鉆井作業(yè)的“車前燈”和“方向盤”，是智能化鉆井系統(tǒng)的關鍵組成部分。目前，限于基礎材料等瓶頸，國內與國外同行標桿企業(yè)具有一定的技術差距。建議國內加大進行高溫、高壓、耐腐蝕電子檢測元件的開發(fā)，同時進行智能鉆桿等井下高速率通訊技術的攻關，為智能化鉆井的系統(tǒng)完整性提供保障。

4 結論

1) 介紹了我國自動化鉆機相關技術發(fā)展現(xiàn)狀。分析了自動化鉆機總體技術、自動化排管技術、司鉆集成控制技術、鉆機遠程信息化監(jiān)測技術的應用情況和效果。

2) 結合實際應用情況，提出了國內自動化鉆機在系統(tǒng)作業(yè)效率、自動化工具穩(wěn)定性及作業(yè)成功率、個別狀態(tài)檢測手段瓶頸、數(shù)據(jù)零散并缺少系統(tǒng)分析、井下智能工具及近鉆頭數(shù)據(jù)檢測傳輸?shù)确矫娲嬖诘膯栴}。

3) 結合智能化鉆井作業(yè)需求，提出鉆機自動化技術向智能化方向發(fā)展，需要進行全新流程方式的鉆機總體技術開發(fā)、電動化鉆井機器人裝備開發(fā)；引進圖像識別等技術，解決檢測技術問題。同時在大數(shù)據(jù)的智能鉆井專家系統(tǒng)建設、井下工具及數(shù)據(jù)傳輸技術等方面加大研究力度。