石油钻井自动化、智能化探究

王武斌

中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司  陕西西安 710018

摘要 在众多行业的自动化、智能化和无人化大潮的推动下，石油钻井也在朝着自动化、智能化方向迈进，只是要滞后很多，本文分析国外石油钻井自动化发展现状，探讨智能化发展趋势，并根据我公司发展现状提出建议。

关键词 石油钻井自动化 智能化 无人化

引言：纵观国内制造业及其他工业系统，自动化、智能化程度越来越高。现代化的汽车生产线早已实现了自动化、无人化，航空、汽车驾驶领域也已实现了无人自动驾驶。不仅在工业领域，与我们生活息息相关的电子产品、家用电器也越来越智能化。在钻井领域，近年来在国外钻井公司在自动化、智能化方面发展较为迅速，相比国内钻井公司发展缓慢，本文结合国内外最先进的钻井自动化智能化技术，探讨公司自动化、智能化发展方向，提出发展建议。

一、钻井自动化现状

钻井自动化包括自动化钻机、钻井自动化设备、钻井信息化等方面。

1.自动化钻机

为提高钻井效率和安全性，国外设备制造商陆续研发制造出一些自动化钻机，目前投产数量不断增加。

（1）NOV的RAPID钻机

该钻机主要应用在中深井施工，钻探能力3657米（12000ft），井架高度24米，可以处理单根钻杆，采用交流变频电机驱动，配备顶驱、铁钻工、全自动井口设备、全自动钻杆处理装置、一体化司钻控制室等。

（2）美国Schramm公司T500XD液压钻机，钻深能力4500米，伸缩式井架，配备液压顶驱，动力上卸扣设备、动力卡瓦、管柱自动化处理设备及一体化司钻控制室，每班只需要三个操作人员：一个司钻、一个副司钻、一个助手，没有钻台工和井架工。

2.钻机自动化设备

由于钻机的自动化化设备不但适用于全自动钻机，而且在普通钻机上也能改造实现，达到降低劳动强度，降低作业风险，所以发展迅速，国外已经日臻配套完善。

（1）顶部驱动装置。顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。        （2）自动排管装置。取代二层台井架工作业，可以实现钻杆脱扣后自动排放功能。国内外均有相关的设备投产使用。

（3）井口自动化设备。包括铁钻工及钻台面机械手，可以完成钻杆自动上卸扣及排放功能。

（4）自动猫道及管具自动传送装置。将场地区域的钻具传送至钻台面，采取伺服电机驱动或液压驱动，国内外有多种成熟的钻具自动传送装置投产应用。

（5）一体化司钻控制室。集参数显示、记录与控制于一体，不仅可以实现主要钻井参数的实时显示、记录，而且将这些参数融入到钻机控制程序中，实现钻机控制的信息化、智能化。

3.钻井信息化

钻井自动化离不开钻井信息化，其中远程实时作业中心是钻井信息化的重要组成部分。通过远程实时分析，实时优化调整作业方案；预判即将发生的井下复杂情况或钻井事故，及时采取措施防患于未然，降低作业风险，减少非生产时间，缩短钻井周期；对已发生的井下复杂情况或钻井事故进行及时、正确的处理；减少专家长途奔波，提高决策效率和质量，减少现场作业人员，提高作业安全性。斯伦贝谢在全球共建了10多个远程实时作业中心。

二、钻井智能化趋势

智能化钻井是自动化钻井的高级阶段，拥有强大的自主判断、自主决策、自主操作和自主学习等自主功能。主要由地面智能化、井下智能化和智能钻井专家系统构成。

1.地面设备智能化

当井深超过4500米时，平均每次起下钻前前后后要花一两天时间。如能提高起下钻速度，则可缩短钻井周期。为此，挪威WeST钻井产品公司设计了一种管柱连续运动钻机（Continuous Motion Rig，简称CMR钻机）。该钻机有以下优点：

（1）提高作业效率

可以实现连续起下钻。在起下钻过程中钻杆做连续、快速和匀速的轴向运动，在运动中完成上卸扣，而不像常规钻机那样需要停下来进行上卸扣。额定起下钻速度3600、 2700、1800米/小时，而常规钻机的起下钻速度只有600—900米/小时；

连续下套管。套管在连续下入过程中完成连接。额定下套管速度900米/小时。

连续循环。在起下钻和钻进过程中，钻井液的循环不间断，有利于实施控压钻井，提高作业安全性。

连续钻进。在钻进过程中，不用为接单根而停钻和停泵，可以边钻进边接单根，从而提高作业效率。

（2）提高作业安全性

实现钻井作业过程的全自动，无需钻台工和井架工，避免人员受伤；连续起下钻可减少或避免压差卡钻，以及激动和抽吸作用引起的井筒压力波动，有利于维持井壁稳定；连续循环有利于降低起下钻、接单根和下套管期间可能发生的井下复杂情况；连续钻进同样可避免接单根期间可能发生的井下复杂情况。

（3）降低钻井成本

因作业效率的提高，钻井周期有望缩短15%以上。钻井周期的缩短和作业安全性的提高所带来的效益，完全可以抵消钻机日费的增加，并有望降低钻井成本。

但该钻井存在以下缺点：井架的高度和重量有所增加；钻机相对复杂，预期成本高，钻机日费高，维修保养费用高。

现已完成了四款钻机设计，未来两三年将制造样机并进行现场验证。一旦验证成功并投入商业应用（公司计划2015年以后投入商业应用），CMR钻机无疑将成为新一代钻机，代表钻机技术的一次重大突破，将钻机自动化和智能化水平提升到一个新高度，有望大幅度缩短钻井周期，并在陆上和海上钻井中得到推广应用。

2.智能钻机专家系统

未来的智能钻井专家系统将地面智能化和井下智能化组成一个有机整体，实现大闭环控制，统一指挥，协调行动。

未来以智能钻井专家系统为核心的远程实时控制中心，将具有更强大的功能、更高的智能化水平、更强的自主学习和记忆、自主决策能力，并具有一定的远程控制能力，大幅度减少现场人员，显著提高钻井效率和安全性，降低综合成本，并成为未来数字油田实时三维可视化数据中心的一个重要组成部分。

三、关于钻机自动化智能化认识与发展建议

钻井自动化、智能化是钻井提速提效的重要途径，也是保障安全钻井的重要措施，是钻井技术发展的大趋势，正迎来大发展。钻机自动化、智能化水平越来越高，现场作业人员越来越少，作业效率和安全性不断提升。远程实时作业中心正发挥越来越重要的作用，未来将逐步发展成为远程实时控制中心，直接进行远程控制，最终支持无人化钻井。

预计到2030年前后，有望实现全自动钻井，钻井将进入智能化钻井阶段。同时，为适应深水、北极、沙漠等恶劣环境下的钻探需要，钻井终将向无人化方向发展。预计2040—2050年有望实现无人化钻井，并给钻井带来一次深刻的革命。

1.发展自动化钻机

建议发展自动化钻机，陆续用自动化钻机（包括适合工厂化作业的自动化钻机）淘汰落后陈旧的机械钻机，并配备自动控压钻井系统，组建若干支自动化钻井标杆队伍，以点带面，逐步提升整体自动化水平。

2. 提升钻井信息化水平，打造多个远程实时作业中心

在钻井信息化方面，我国与国际一流水平还有较大差距，建议开发拥有自主知识产权的自动化钻井工程软件包，同时打造多个远程实时作业中心，为复杂水平井和复杂深井的优快钻井提供强有力的技术支持。

四、小结

我国钻井自动化、智能化水平与国际一流水平相比还有较大差距，应充分认识钻井自动化、智能化的战略意义 ，切实把推进钻井自动化、智能化提到重要议事日程，将其作为未来钻井提速提效的重要抓手之一，推进我国钻井业务升级换代。

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