為適應(yīng)各種不同地域環(huán)境油氣藏的勘探開發(fā)，國內(nèi)外先后開發(fā)了頂部驅(qū)動鉆機(jī)、小井眼鉆機(jī)、快速移運鉆機(jī)、套管鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)及自動化鉆機(jī)等多種類型的石油鉆機(jī)，鉆機(jī)配套技術(shù)也得到快速發(fā)展。很多研究人員對國內(nèi)外鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，并對鉆機(jī)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，主要從鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式、鉆深能力及環(huán)境適應(yīng)能力等方面做了綜述。如文獻(xiàn)介紹了我國石油鉆機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀，同時指出與技術(shù)水平的差距; 文獻(xiàn)介紹了變頻鉆機(jī)、頂部驅(qū)動鉆機(jī)、小井眼鉆機(jī)及快速移運鉆機(jī)等國內(nèi)外新型鉆機(jī); 文獻(xiàn)介紹了國內(nèi)外超深井和套管鉆機(jī);文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了國外鉆機(jī)的自動化和智能化、形式多樣化以及小型化和輕型化，另外，對激光鉆機(jī)、海底鉆機(jī)和齒輪齒條鉆機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀也有所分析。這些對比研究對國內(nèi)鉆機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步有著重要的推動作用。筆者就若干*技術(shù)在油氣鉆機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1. 1 電力拖動技術(shù)

電力電子技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 50 年代末和 60年代初，70 年代開始廣泛應(yīng)用于電力拖動行業(yè)。

自從國外將電力電子技術(shù)應(yīng)用于石油鉆采裝備行業(yè)后，鉆機(jī)的驅(qū)動模式發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了電驅(qū)動鉆機(jī)，尤其是全數(shù)字交流變頻驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用，使鉆機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到簡化，減輕了維護(hù)保養(yǎng)工作，提高了安全性、可靠性和移運性能，易實現(xiàn)自動化控制及安全互鎖，操作方便靈活、故障診斷及維修保養(yǎng)方便; 同時對提高鉆井時效、優(yōu)化鉆井工藝及處理井下事故等十分有利，成為鉆機(jī)的主流模式。經(jīng)過近 40 年的發(fā)展，電驅(qū)動鉆機(jī)的性能已趨近完善和成熟。

然而在國內(nèi)，電力驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用相對較晚，1997 年寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 ( 以下簡稱寶石機(jī)械) 第 1 次將變頻技術(shù)用在 5 000 m 鉆機(jī)上，到 2002 年，寶石機(jī)械和四川宏華石油設(shè)備有限公司 ( 以下簡稱宏華) 成功將變頻驅(qū)動技術(shù)用于 7000 m 鉆機(jī)，開始了變頻鉆機(jī)的系列化生產(chǎn)。同時開始在自動送鉆系統(tǒng)和頂驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)中廣泛采用變頻驅(qū)動技術(shù)。

1. 2 自動化控制技術(shù)

為了滿足日益增長的質(zhì)量和效益要求，很多工業(yè)領(lǐng)域大量采用自動化控制技術(shù)。石油天然氣工業(yè)也力求實現(xiàn)鉆井自動化以提高作業(yè)效率，保證作業(yè)質(zhì)量，提高作業(yè)能力及安全性，降低作業(yè)成本。

通過自動化控制技術(shù)與交流變頻技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和液壓驅(qū)動技術(shù)的結(jié)合，使各種鉆井裝備更智能化，性能更優(yōu)良，如 BENTEC 的轉(zhuǎn)盤軟扭矩控制、鉆井泵軟泵功能、TPC 的扭矩安全功能、泵同步功能和防反轉(zhuǎn)功能等; 使鉆機(jī)不僅實現(xiàn)自動送鉆，還出現(xiàn)了大量自動化設(shè)備，如鐵鉆工和動力貓道等。這些設(shè)備在國外已經(jīng)很成熟，如阿克、國民油井、TSC 的鉆臺機(jī)械化設(shè)備，威德福公司的 Power-Frame井架工等。國內(nèi)的自動控制技術(shù)在鉆機(jī)應(yīng)用方面也取得一些成果，如寶石機(jī)械和宏華的鐵鉆工、動力貓道及井架工等機(jī)械化設(shè)備。

自動化鉆機(jī)的出現(xiàn)是自動化控制技術(shù)在油氣鉆機(jī)中成熟應(yīng)用的典型代表，如德國 Bentec 公司的自動化鉆機(jī)，英國生產(chǎn)的 ＲAD 鉆機(jī)、英國 BP 公司與阿拉斯加技術(shù)公司研發(fā)的輕型自動化鉆井系統(tǒng)( LADS) 都采用*的自動化控制技術(shù)實現(xiàn)鉆機(jī)自動化。

智能鉆井則是自動化控制技術(shù)在鉆機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的高度體現(xiàn)。鉆井自動化系統(tǒng)具備隨著不確定環(huán)境、地面和井下數(shù)據(jù)變化實時調(diào)整司鉆參數(shù)，并進(jìn)行自動送鉆。自動鉆井技術(shù)不僅要求鉆機(jī)系統(tǒng)具有基于計算機(jī)控制的適用性和交互式控制，同時具備數(shù)據(jù)信息的管理能力。國外關(guān)于該技術(shù)的研究較早，應(yīng)用也比較成熟，比如國民油井開發(fā)的自動鉆井插件應(yīng)用在鉆井服務(wù)中，能通過采集的數(shù)據(jù)分析自動優(yōu)化模型和算法，還有斯倫貝謝 ( Schlumberger) 等公司也將該技術(shù)用于鉆機(jī)。國內(nèi)學(xué)者及技術(shù)人員也做了大量研究工作，各鉆井公司或鉆井工藝研究單位在積累了大量的鉆井工程經(jīng)驗后，開發(fā)過一些專家系統(tǒng)，為鉆井工藝提供施工參考，但未實現(xiàn)與鉆機(jī)的結(jié)合，不能達(dá)到鉆井過程的智能化和自動化。

1. 3 傳感檢測技術(shù)

傳感檢測技術(shù)是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵，在很大程度上傳感器檢測技術(shù)的水平直接影響系統(tǒng)的質(zhì)量。鉆機(jī)zui初使用傳感器主要用在儀表系統(tǒng)，進(jìn)行鉆井過程的工藝參數(shù)監(jiān)視，主要是各種流量傳感器和壓力變送器等。隨著鉆機(jī)控制系統(tǒng)的完善以及各種自動化設(shè)備在鉆機(jī)中的配套，使得各種*的傳感檢測技術(shù)在鉆機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，比如位移傳感器、各種編碼器、接觸及非接觸式探頭等采用超聲波、紅外線、電磁等*技術(shù)作為鉆機(jī)配套的檢測技術(shù)。鉆機(jī)配套的傳感器的接口形式也由zui初的直接電信號輸出，演變成基于 Can、AS － i、Pro-fibus 等多種現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工業(yè)電視監(jiān)控探頭也由zui初的模擬信號單點輸入變?yōu)楝F(xiàn)在的基于 TCP/IP 的 720P 甚至 1080P 的高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，大大提高了傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性，同時減少了現(xiàn)場的布線，使用和維護(hù)更方便。

1. 4 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人是集機(jī)械工程、電子、控制、計算機(jī)、傳感檢測和伺服驅(qū)動等一系列*技術(shù)的綜合應(yīng)用。20 世紀(jì)后，機(jī)器人技術(shù)在鉆井裝備中也得到應(yīng)用，如阿克公司的 MH 機(jī)器人運動控制系統(tǒng)應(yīng)用于垂直排管機(jī)、折臂抓管機(jī)等管柱處理系統(tǒng); HIHUISMAN系列自動化鉆機(jī)中的管柱處理系統(tǒng)，威德福公司的全自動機(jī)械化鉆機(jī)配套的 Iron Derrick-man等已成熟應(yīng)用于海洋及陸地鉆機(jī)。

1. 5 網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)在鉆機(jī)中的應(yīng)用也非常廣泛，包括通信電纜、光纖、無線等各種通信介質(zhì)及方式用來實現(xiàn)鉆機(jī)各個系統(tǒng)及設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換及共享。圖 1 是寶石機(jī)械研發(fā)的鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，主要分為 4 層網(wǎng)絡(luò)，zui低層為控制器的下一級，為現(xiàn)場總線層，主要是 Profibus、Can 等總線用于各控制器與傳感器和執(zhí)行器之間的通信。圖中的網(wǎng)絡(luò) ( 1) 和 ( 3) 采用工業(yè)以太網(wǎng)，是設(shè)備控制層網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò) ( 1) 主要是設(shè)備之間及服務(wù)器與各設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)格 ( 3) 是工業(yè)電視監(jiān)控網(wǎng)絡(luò); 網(wǎng)絡(luò) ( 2) 和 ( 4) 是設(shè)備監(jiān)控層，負(fù)責(zé)服務(wù)器與客戶端之間的通信，各客戶端通過服務(wù)器監(jiān)控鉆機(jī)設(shè)備及鉆井參數(shù)和現(xiàn)場視頻多媒體數(shù)據(jù); 網(wǎng)絡(luò)( 5) 是廣域網(wǎng)，鉆機(jī)通過該網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回鉆井公司，同時也是鉆機(jī)在線的網(wǎng)絡(luò)接口。

誕生于 1999 年的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ( Internet of Things) 也用于鉆機(jī)系統(tǒng)。2012 年 6 月，石油天然氣公司 Statoil 公司的鉆井跟蹤系統(tǒng) ( DOTS，Drill-ing Operations Tracking System) 使用挪威 ＲFID 公司的 Trac ID System 解決方案，即采用射頻身份識別 ( ＲFID，Ｒadio Frequency Identification) 技術(shù)記錄鉆井設(shè)備的使用數(shù)量、使用頻率及使用期，讓作業(yè)公司能更好地管理設(shè)備，優(yōu)化投資，確保設(shè)備不被超期使用，同時將該技術(shù)應(yīng)用于鉆井管柱的自動記錄，解決目前手動記錄過程容易出錯、耗時長、工人長期暴露危險區(qū)域及勞動強(qiáng)度大的問題。

每一根管柱都集成一個帶身分識別的 ID，在井口附近安裝 1 個固定式數(shù)據(jù)讀取器，接收信號范圍是500 ms，將讀取器的天線環(huán)繞在井口，能可靠讀取下入井下管柱的 ID，然后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的 DOTS 進(jìn)行處理，除了自動記錄該 ID 管柱長度、質(zhì)量外，還自動記錄管柱進(jìn)、出井時間、在井時間及管柱總長度等信息。本地服務(wù)器還可以通過廣域網(wǎng)或公司的內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給 Statoil 的后端系統(tǒng)。

挪威的石油天然氣協(xié)會對 ＲFID 技術(shù)在鉆井現(xiàn)場的HSE、運輸單元、鉆井管柱、一些移動和固定設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1. 6 計算機(jī)集成控制技術(shù)

計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，在各行各業(yè)應(yīng)用十分普及。在電驅(qū)動引入鉆井裝備的同時，計算機(jī)技術(shù)也被引進(jìn)鉆機(jī)系統(tǒng)，從zui初的一次儀表、機(jī)械操控開始進(jìn)入 PLC 控制，到目前的工控機(jī)控制、嵌入式控制系統(tǒng)等計算機(jī)集成控制技術(shù)已經(jīng)在鉆井裝備中廣泛應(yīng)用。一般鉆井裝備采用 PLC 實現(xiàn)設(shè)備控制，為保證穩(wěn)定及可靠性，還在很多場合采用冗余結(jié)構(gòu)，如冷備份方案或直接采用冗余系統(tǒng)，西門子S7 － 400H 系統(tǒng); 也有采用工業(yè)計算機(jī)直接參與控制，如阿克公司采用工控機(jī)配置西門子的軟 PLC( Win AC) 實現(xiàn)控制設(shè)備控制。根據(jù)設(shè)備的復(fù)雜程度，通常 1 個設(shè)備對應(yīng) 1 臺控制器，控制器之間相互通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

隨著鉆機(jī)配置的提高，鉆機(jī)控制系統(tǒng)是包含控制站、視頻監(jiān)控、參數(shù)監(jiān)控站、操作站及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等多子站的計算機(jī)集成控制系統(tǒng)。同時配置的鉆井軟件系統(tǒng)也不斷更新，使鉆機(jī)的功能更完善、操作更安全、人機(jī)界面更友好、鉆井參數(shù)配置更優(yōu)化，如國民油井的電子司鉆 CyberBase、阿克公司的鉆井可視系統(tǒng) Drillview 等，是計算機(jī)技術(shù)成功應(yīng)用的*，系統(tǒng)不僅集中動態(tài)顯示鉆井過程和設(shè)備的參數(shù)，同時將工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)也集成顯示，系統(tǒng)具備多客戶端，通過接入局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，能在線實時查看或回看各種數(shù)據(jù)。

圖 2 為阿克公司的鉆機(jī)集成示意圖，對鉆井控制/可配置的自動鉆井系統(tǒng)、鉆井記錄儀、電子賬本、管柱處理、測井、連續(xù)管作業(yè)機(jī)、工業(yè)電視監(jiān)控、地質(zhì)評價以及二氧化碳捕獲處理系統(tǒng)等進(jìn)行了集成管理和監(jiān)控，形成有機(jī)統(tǒng)一的鉆井系統(tǒng)。

2 鉆機(jī)新技術(shù)展望

根據(jù)目前現(xiàn)有技術(shù)及鉆機(jī)的應(yīng)用情況分析，未來有關(guān)鉆機(jī)的新技術(shù)研究及應(yīng)用主要圍繞以下 4 個方面開展。

2. 1 智能鉆井

目前，雖然國外已經(jīng)在鉆機(jī)上實現(xiàn)了自動化鉆井技術(shù)，但進(jìn)行智能鉆井及大規(guī)模應(yīng)用還存在一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決和完善。智能鉆井技術(shù)主要包括隨鉆監(jiān)測和決策系統(tǒng)的建立 2 個方面。隨鉆監(jiān)測是基礎(chǔ)，為自動鉆井提供原始分析數(shù)據(jù)，同時也是保證鉆井安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié); 決策系統(tǒng)是關(guān)鍵，主要包括專家系統(tǒng)、在線建模和模型優(yōu)化等。

一方面，傳感檢測技術(shù)，尤其要滿足高溫高壓的井下參數(shù)的檢測技術(shù)、電力及信號在鉆井過程的傳輸問題和決策系統(tǒng)的建立等將是智能鉆井的 配套技術(shù)的重要研究內(nèi)容。另一方面，決策系統(tǒng)的研究、現(xiàn)場試驗及完善將是智能鉆井配套技術(shù)持續(xù)研究的內(nèi)容，建議鉆機(jī)研發(fā)生產(chǎn)單位與鉆井作業(yè)隊伍合作，聯(lián)合鉆井工藝研究院及高校等單位，充分發(fā)揮各自在鉆井相關(guān)技術(shù)研發(fā)中的優(yōu)勢，建立完善的決策系統(tǒng)并無縫接入鉆機(jī)系統(tǒng)，真正實現(xiàn)鉆井智能化及自動化，達(dá)到優(yōu)化鉆井性能、提高鉆井效率和減少鉆臺人員的目的。

2. 2 集散控制

集散控制又稱為分散控制，是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計算機(jī)、通信、顯示和控制技術(shù)，基本思想就是集中操作、分散控制、分級管理，具有配置靈活、組態(tài)方便的特點。隨著自動化設(shè)備的日益普及，單一控制器已不能滿足鉆機(jī)的控制要求，基于多控制站協(xié)同作業(yè)、多層級網(wǎng)絡(luò)的集散控制系統(tǒng)能更好地發(fā)揮作用。在目前鉆機(jī)集成控制的基礎(chǔ)上，完善鉆機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，添加工程師站，為鉆機(jī)配置的更改提供柔性接口; 同時加強(qiáng)遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，鉆井公司將每一臺鉆機(jī)作為 1 個設(shè)備建立統(tǒng)一的監(jiān)控中心，組成一個基于鉆機(jī)為基本單元的鉆井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，為加強(qiáng)信息資源整合、鉆井工作日常管理、實現(xiàn)鉆井?dāng)?shù)據(jù)共享奠定基礎(chǔ)。

2. 3 遠(yuǎn)程司鉆

目前鉆機(jī)操控都在井口旁邊的司鉆房，相應(yīng)控制系統(tǒng)等都在井口附近，環(huán)境惡劣，由于井口屬于爆炸危險區(qū)域，除了對控制系統(tǒng)的防護(hù)防爆要求高以外，對司鉆等操作人員的人身安全也存在一定威脅?；诰W(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)程司鉆技術(shù)，將司鉆及監(jiān)視中心遠(yuǎn)離井口，對提高安全性以及降低控制系統(tǒng)對環(huán)境的要求有重要意義。2004 年，斯倫貝謝在英國劍橋研究中心控制了遠(yuǎn)在 8 000 km 以外的美國得克薩斯州卡麥龍 ( Cameron) 的一口試驗井鉆機(jī)作業(yè)，這是鉆機(jī)走向自動化鉆井里程碑標(biāo)志性工程之一，同時也為鉆機(jī)的遠(yuǎn)程操控開啟了序幕。目前，制約這一應(yīng)用的關(guān)鍵因素在于鉆臺機(jī)械化程度、系統(tǒng)的可靠性、隨機(jī)事故的處理機(jī)制和安全機(jī)制不完善，圍繞這些問題開展研究工作，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，實現(xiàn)鉆機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制亦將成為現(xiàn)實。

2. 4 在線故障檢測及診斷

在很多設(shè)備故障會導(dǎo)致重大損失的工業(yè)場合都采用在線故障診斷技術(shù)，其應(yīng)用不僅可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，消除事故隱患，同時也為設(shè)備改進(jìn)優(yōu)化提供原始數(shù)據(jù)。石油鉆機(jī)尤其是海洋平臺鉆機(jī)在作業(yè)過程中，因設(shè)備故障停鉆會帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是重大事故，而鉆機(jī)系統(tǒng)是十分復(fù)雜的機(jī)械、電氣和液壓系統(tǒng)，設(shè)備的維護(hù)不僅工作量大，而且故障不易查找，因此在鉆機(jī)系統(tǒng)中集成在線故障檢測及診斷技術(shù)有重大意義。鉆機(jī)系統(tǒng)中的液壓及電氣控制系統(tǒng)主要依靠傳感檢測技術(shù)，一般根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)可直接判斷，而基于振動測試技術(shù)、計算機(jī)信息等技術(shù)和故障模式識別理論來實現(xiàn)對鉆機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的檢測與診斷將成為鉆機(jī)系統(tǒng)研究的新內(nèi)容。

3 結(jié)束語

每項新技術(shù)的出現(xiàn)到應(yīng)用都要經(jīng)歷適應(yīng)過程，大多都在其他行業(yè)成熟應(yīng)用之后，才開始應(yīng)用到油氣鉆井裝備。隨著技術(shù)的進(jìn)步和積累，從技術(shù)的出現(xiàn)再到鉆機(jī)中的應(yīng)用時間間隔將越來越短，而無論是研究還是應(yīng)用，國外都始終走在前列。目前國外的很多通用工業(yè)技術(shù)在鉆機(jī)上的應(yīng)用都十分成熟，而這些新技術(shù)在國產(chǎn)鉆機(jī)中的應(yīng)用很多才剛剛起步，甚至有些仍屬空白，導(dǎo)致鉆機(jī)市場被國外鉆機(jī)生廠商壟斷的主要原因有以下幾點:

( 1) 我國科技起步較晚，基礎(chǔ)比較薄弱，很多工業(yè)技術(shù)本身就滯后于國外。

( 2) 鉆機(jī)的使用環(huán)境對配套設(shè)備的要求 ( 耐候性好、防爆及防護(hù)等級高、可靠性高等) 限制了很多新技術(shù)的推廣。

( 3) 我國石油鉆井裝備制造企業(yè)的科研投入普遍不足，基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)力度不夠，大多是按合同訂單開發(fā)，被動應(yīng)付市場，很少提前投資進(jìn)行前沿技術(shù)或產(chǎn)品開發(fā)。

( 4) 出于短期生產(chǎn)效率和安全性的考慮，很多用戶不愿意嘗試新產(chǎn)品的應(yīng)用及試驗，給新技術(shù)的應(yīng)用和改進(jìn)帶來很大難度。

( 5) 基于成本因素的考慮，一些含有*的鉆機(jī)在國內(nèi)陸地不易推廣，使得鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)缺少相關(guān)技術(shù)積累。

環(huán)境惡劣、工作載荷大、危險系數(shù)高等是鉆井作業(yè)的特點，隨著各種新技術(shù)在鉆機(jī)中的應(yīng)用，鉆機(jī)將朝著自動化、智能化和信息化的方向發(fā)展，為鉆井作業(yè)降低作業(yè)強(qiáng)度和危險系數(shù)，提高勞動效率提供裝備保障。從長遠(yuǎn)發(fā)展看，中石油公司將采用新技術(shù)提率，進(jìn)而來降低成本，鉆井承包價格將更多地考慮裝備的技術(shù)*性和安全可靠性。

可見，加強(qiáng)*工業(yè)技術(shù)在鉆機(jī)中的應(yīng)用十分重要，石油鉆井裝備制造企業(yè)應(yīng)加大科研投入，聯(lián)合鉆井作業(yè)單位加快新技術(shù)在鉆機(jī)中的應(yīng)用。