淺談石油鉆井自動化關鍵技術應用

摘要：文章對石油鉆井工程自動化技術應用情況進行了研究，特別是對鉆機和裝備的智能化、自動化，隨鉆測量與地質導向鉆井，電子／智能、鉆柱等關鍵技術進行了詳細探討。
　　由機械化和科學化鉆井階段發展到自動化鉆井階段的關鍵技術有六個方面，它們是鉆井重大革命的里程碑和標志。
　　1　鉆機和裝備的智能化、自動化：
　　①自動給進：1935年Westing house公司第一個自動送鉆專利，20世紀40年代氣動送鉆控制，1955年有了第一個液壓動力水龍頭和水力卷揚機；②剎車系統：離合片，比例控制電磁剎車等；③井口鐵鉆工“三吊一卡”機械化；④井口一二層臺的井架機械手：起下立根拉入／推出一扣，摘；⑤循環系統一固控系統：全自動監控密閉循環一凈化系統；⑥井控一防噴及應急系統：井口裝置、防噴器組、電液井控、節流管匯系統；⑦頂驅系統：20世紀70年代Brown公司開發了電驅水龍頭，現在以美Varco公司生產的TDS系列為最好；⑧信息與數據采集、處理、決策、貯存、傳輸、通訊、管理等功能的軟硬件裝備；⑨海洋：半潛式／浮式鉆井平臺及其專用裝備；⑩鉆具、管具、鉆頭等的相應進展。
　　自動化石油鉆機都是“機電儀計”一體的智能化、信息化、自動化鉆機，具有完善的性能，集先進性、可靠性、適應性(惡劣環境與地質條件)和經濟性于一體。主要產品有：①德國Prostar-2000型自動化鉆機(鉆深7 000 m)；②美國NSCO及Apache、Pool等公司生產的A10-32型等自動化鉆機(鉆深6100m)；②英國S&R公司生產的RD-D型自動化鉆機(鉆深6100m)；③挪威、法國等也研制了中深井用自動化鉆機；④我國寶石廠生產的ZJ70、ZJ90鉆機及廣漢生產的鉆機也都在向自動化鉆機進展。
　　2、隨鉆測量與地質導向鉆井技術：
　　①1979年首次應用了MWD。MWD是把鉆后有線測量及傳輸井下參數的方法改變為隨鉆無線測量及傳輸的方法，隨鉆測量是一個重大進步。無線傳輸方法主要有泥漿脈沖法和電磁波法。但它們目前仍有很多缺點：傳輸參數數目少、傳輸速率低、傳輸距離小以及循環流體性能受限等。②從20世紀90年代中期起，相繼研發應用了LWD、PWD、IWD、NRWD等，形成了隨鉆地質導向鉆井和隨鉆工程服務技術，適應了復雜地質與環境條件下鉆復雜結構井、特殊工藝井實時處理井下復雜情況和不確定性難題，以及實時控制三維井身軌跡入窗中靶等高難技術的要求。而SWD還能探測鉆頭前方地層參數，起到了“車前燈、探照燈”作用。
　　3、旋轉導向鉆井與隨鉆測控制傳貯技術：
　　1990～1995年德國首先研究和成功應用了世界上第一個自動垂直旋轉鉆井系統(vDS)。90年代中期，斯倫貝謝(slh)等多家大公司先后研究成功了PD等系列RST／RSS。RSS是人類繼實現空間和水域制導技術之后的又一個重要里程碑”。21世紀國際上又提出了“PV”等鉆垂直井工具。RSS還成功地應用于小尺寸油管(98.4～114mm)的過油管側鉆和套管鉆進。
　　4、電子/智能鉆柱技術：
　　美國Grant公司研制的智能鉆桿用銅導線輸送電能，可以根據井下硬件用電量大小的要求來確定輸電功率的大小。智能鉆柱的數據傳輸速率可達104 bDs、105 bps和106 bps，最大已達1.56*106 bps。智能油管用光纖為主。智能鉆柱系統在井下采用分布式傳感器短節，將微處理器分別安裝在傳感器內部，然后通過耦合元件將微處理器信號耦合到電力線上，從而傳輸到地面傳感器。該系統采用傳輸直流電，如井下硬件需用交流電，可在井下硬件上增設逆變器DC／AC。
　　5、最優化鉆井與智能sOD集成技術
　　這套工作可以概括為“模型一測值一指令”的實時閉環鉆進系統和軟件系統。
　　6、信息、網絡與遠程自動化鉆井
信息技術和網絡技術以及通信技術是自動化鉆井的重要組成部分。2004，11，19 Slb與M／D Totco合作自劍橋Slb研究中心(sCR)在網上發送變泵排量的遙控指令達8000 km遠程遙控著橫跨大西洋的德州Cameron試驗中心的鉆機成功地執行命令，第一次實現了遠程自動化鉆井作業。總之，人類在進入21世紀時，石油鉆井系統正由機械化和科學化鉆井階段向半自動化再到自動化鉆井階段進展，這是發展大趨勢。

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