石油钻井自动化技术探索

石油钻井自动化技术探索
摘要：自动化钻井是20世纪90年代和21世纪世界钻井的重大发展方向。

自动化钻井的发展方向是闭环钻井。

所谓闭环钻井，就是依靠传感器测量钻井过程中的各种参数，依靠计算机与人工智能技术获取数据，并进行解释和发出指令、最终由自动设备按指令进行操作，变成一种无人操作的闭环自动控制系统进行钻井。

它的主要优点是：保证钻井安全．提高钻井效率，节省钻井时间，优化钻井过程，从而获得更好的经济效益。

关键词：石油；钻井；自动化；技术
石油钻机是油、气田开发的钻井设备，随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到不断地发展。

当今，国内外广泛采用的钻井方法是旋转钻井法，相应的钻井设备为转盘旋转钻机。

陆用转盘钻机是钻井设备的基本型式，通常所说的钻机指的就是这种钻机，也可称为常规钻机，随着海洋石油勘探、开发事业的兴起，陆用钻并设备和造船技术相结合，产生了一大批各种类型的海洋钻井设备。

1 钻机的组成
石油钻机是由多种机器设备组成，具有多种功能的成套性联合工作机组。

它主要包括旋转钻进系统、钻井液循环系统、钻具起升系统、动力机组、传动和控制系统、底座和其他辅助设备等。

钻井工艺对石油钻机的基本要求是：
(1)起下钻具能力：为了起下钻具及处理井下事故等，石油钻机要有一定的起重能力和起升速度，这由钻机的起升系统承担。

(2)旋转钻进能力：为了带动钻具、钻头旋转钻进等，石油钻机要有一定的转矩和转速。

这由钻机的旋转系统承担。

(3)循环洗井能力：为了保证正常钻进、冲洗井底及携带岩屑等，循环钻井液要有一定的压力和排量。

这由钻机的循环系统承担。

为了满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列各系统和设备。

（1）起升系统
起升系统在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送进等。

这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统(钢丝绳、天车、游动滑车及大钩)和井架组成。

这实质上就是一台重型起重机。

另外，还有用于起下钻具操作的井口工具及机械化设备(吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移运机构等)。

井架的作用是安放天车、悬挂游车、大钩及专用工具(如吊钳等)，在钻井过程中进行起下钻具和下套管的操作。

另外，起下钻具过程中，可用以存放立根，其能容纳立根的总长度称为立根容量。

游动系统(钢丝绳、天车、游动滑车及大钩)可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻钻机纹车在钻井各个作业(起下钻、下套管、钻进、悬持钻具)中的负荷和降低起升机组发动机应配备的功率。

钻井绞车的作用是：用于起下钻具、下套管;钻井过程中控制钻压，送进钻具，借助猫头上、卸钻具丝扣;起吊重物及进行其他辅助工作;整体起放井架。

（2）旋转系统
旋转系统在钻井中的主要作用是带动并中钻具旋转，并带动钻头破碎岩石。

旋转系统包括的主要设备有转盘和水龙头。

为实现钻头自动给进，现代钻机配备有钻具自动送进装置。

钻井过程中，转盘主要完成的工作是：转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速;下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量;完成卸钻头、卸扣与处理事故时倒扣、进扣等辅助工作。

水龙头是提升、旋转、循环3大工作机组相交汇的“关节”部件，它的主要作用是：悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻杆柱内输入高压钻井液。

2 钻机和装备的智能化、自动化
2.1 电子/智能钻柱技术
美国Grant公司研制的智能钻杆用铜导线输送电能，可以根据井下硬件用电量大小的要求来确定输电功率的大小。

智能钻柱的数据传输速率可达104bDs、105bps和106 bps，最大已达1.56*106bps。

智能油管用光纤为主。

智能钻柱系统在井下采用分布式传感器短节，将微处理器分别安装在传感器内部，然后通过耦合元件将微处理器信号耦合到电力线上，从而传输到地面传感器。

该系统采用传输直流电，如井下硬件需用交流电，可在井下硬件上增设逆变器DC／AC。

2.2 地质导向钻井
地质导向钻井是以井下实际地质情况和油藏特征来确定和控制井眼轨迹的钻井技术。

使用这一技术，可以精确控制井下钻具，命中最佳地质油藏目标，使井眼避开地层界面和地层流体界面并始终位于产层内。

地质导向钻井是在井下定向控制自动化钻井系统的基础上将随钻测量仪(MWD)改为随钻测井仪(LWD)，而LWD仅是在MWD的系统中加上若干用于地层评价的参数传感器，如电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子密度等。

有的随钻测井仪还增加了温度、井底钻压与扭矩、井下动力钻具转速等传感器，使地质导向钻井技术成为具有随钻定向测量、随钻地层评价测井和随钻录井与自动导向钻井的国际高新先进技术。

地质导向钻井技术特别适合在薄产层和高倾斜产层中钻水平井。

对于这样的产层，使用常规方法控制井眼轨迹很难命中最佳地质目标，而使用随钻定向测量和随钻地层评价测井数据进行地质导向钻井，可以随时知道钻头周围几米范围内的地质油藏特征和钻头与地层界面或地层流体的相对位置，因此可以控制钻具始终在油气藏中间钻进。

地质导向的基本方法是在井设计阶段使用试验井或邻井的测井数据进行计算机模拟，得出新设计井的模拟测井数据以及对将钻各个地层的各种响应。

在钻井过程中，将井下随钻测量工具发送到地面的实际测井数据与各个模拟数据相对比，看它们是否一致。

如果模拟数据与随钻实测数据一致，就说明井眼命中了最佳地质目标，否则就说明应该按井下实际地质油藏特征修正或改变井眼轨迹。

修正或改变井眼轨迹也是靠旋转导向装置来完成的。

地质导向钻井技术大大提高了油层钻遇率、钻井成功率和采收率，从而实现了增储上产，节约了钻井成本。

2.3 钻机自动化
自动化钻井包括并下自动化和地面钻机自动化两大方面。

井下自动化将依靠井下闭环自动控制系统来实现，地面钻机自动化将依靠地面闭环自动控制系统来实现。

近年来，国外一些公司一直在围绕这两大方面进行大力研究，并取得了重大突破和实质性进展。

在井下定向方面，一些公司研究出了井下定向控制自动化钻井系统(也称旋转导向钻井系统)，主要包括：钻头、旋转导向装置、随钻测量仪(MWD)。

在旋转导向装置内，预设有井眼设计轨迹数据和若干控制指令。

当近钻头传感器和MWD的探管测到的井斜、方位值送回导向装置与预设的设计值进行比较，其偏差超过规定范围时，导向装置中的电子控制模块发生相应控制指令，使非旋转导向外套上的3个导向翼板按指令进行径向伸出或缩人，当其中一个或两个翼板不同程度地伸出而另一个翼板缩入时，便会产生所要求的纠斜率，使所钻的井眼轨迹符合设计的井眼轨迹，从而完成“井下闭环”。

同时，MWD将工程参数的测量值经井下脉冲发生器向上传输至地面，由地面传感器检测送至地面仪器房内的信号处理装置进行处理，再传送
至地面主控计算机供操作者进行分析、判断和决策。

操作者可将决策指令经由信息下传通道发送给导向装置，从而又完成了一个由井下一地面一井下的“闭环”。

结束语
实现数字化、信息化、自动化、智能化的钻机。

需具备完善的司钻控制系统、钻井参数系统、综合录井系统、远程监控系统、在线监测系统、远程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系统、电、气、液集成控制系统、钻台自动化机具系统、井眼轨迹自动化控制系统、随钻测量系统等。

未来的钻机，必将具备远程操作、钻井信息共享、钻井全过程智能化控制功能，从而真正实现远程支持、智能优化钻井。

参考文献
[1]张奇志.电动钻机自动化技术.2006.
[2]朱云祖.自动化钻井技术译文集.1993.。