智能石油钻机技术现状及发展方向

作者：张东海 王昌荣 中曼石油天然气集团股份有限公司

随着智能技术的发展，大数据和云计算等信息技术在石油行业的应用越来越广泛，智能石油钻机已经成为石油钻井装备领域的必然趋势。

2004年斯伦贝谢公司的远程控制钻井试验，标志着世界钻井开始步入自动化钻井阶段；2008年SPE成立了钻井系统自动化技术部；2013年一些著名油服企业联合发起了自动化钻井路线图计划，这些都极大地促进了石油钻机自动化的发展。

中国石油装备制造商从 2010年开始研制与自动化钻机相配套的单体设备，但当时在智能自动化技术、集成控制技术和通信技术应用等方面与国外都存在极大差距。经过近十年的发展，国内已基本完成了钻台自动化产品的配套，如宝鸡石油机械有限责任公司、山东科瑞、宏华石油和中曼石油等企业，目前正着重进行智能化钻机的研制与生产。

智能钻机根据智能化程度的不同可分为半自动智能钻机和全自动智能钻机。半自动智能钻机在钻井过程中，钻机操作人员需借助远程控制装置给钻井作业设备/机具发出指令，以完成起下钻、接单根或下套管等作业。目前国内外知名公司生产的智能钻机均属此种类型，有的称其为液压钻机，有的称其为自动化钻机，NOV公司则把它称为快速钻机(Rapid Rig)。

全自动智能钻机在自动化程度及智能化（聪明度)方面与半自动智能钻机相比有较大进步，如在钻机的起下钻、接立根和钻具排放等作业中，不再需要司钻给出各具体步骤的动作指令，而是由计算机控制系统自动完成整个作业过程；同时在钻进过程中，结合井下信息实时检测技术，计算机控制系统也完全代替了人工操作，司钻无需频繁地调整钻压和转速等参数。计算机控制系统是整个智能钻机的大脑，能对各种复杂工况、运行状态、操作对象的异常变化等进行实时识别、逻辑分析及决策，实现钻井施工的精准闭环控制，并且还能充分与钻井、地质和测井等专业大数据进行融合，提高生产效率。但目前国内外还没有完全符合此要求的钻机产品。

智能化钻机需要具备以下特点：

(1)操作人员大幅度减少，钻台一般仅需1~2人即可完成钻井过程中的基本操作，大部分时间钻井工人远离危险的井口区域，一部钻机仅需配备5人左右。

(2)自动化钻机中比较成熟的铁钻工、自动猫道机、自动排管机、自动卡瓦、自动吊卡和钻台推扶机械手等为智能钻机的基础配置，仍有很大的改进提升空间，同时必须实现集成化，即一人在司钻房内可对上述所有设备实现远程操作。

(3)井架通常采用柱式或桁架结构。

(4) 有些智能钻机已不采用天车、绞车和游车等设备，而是通过液压油缸的顶升来实现钻具的提升和下放。

(5)台面面积通常较小，钻台上已不配备液压猫头、手动大钳和气动绞车等设备；钻台上不设立根盒，同时井架上也没有二层台和指梁等结构。

(6)很少使用三单根立柱钻井，基本上用双立根或单立根。

(7)使用较多的液压驱动设备，因此通常要配置1台功率较大的液压源(站)，为液压设备提供动力，其功率从几百千瓦至上千千瓦，液压泵通过电机或柴油机驱动。

(8)数字控制技术可为智能化钻机提供相应工序的施工模块，各模块之间通过软件进行纵向、横向的立体衔接，总体实现闭环智能化。

(9)数据采集与实时传输技术、数字集成分析技术和互联网技术的联合运用及广泛链接，可以实现实时钻机设备参数分析、远程在线预警及诊断。

(10)钻井、地质和测井等相关专业的大数据融合，完全凭借人工智能实现钻井工.程一体化，最大程度提高生产效率。

自动化智能钻机国内外发展现状

1. 国内现状

国内多数厂家只是研制出了具有某单项功能的钻井自动化设备/机具，如自动猫道机、自动排管机和铁钻工等。这些设备虽能够达到初步集成，但仍至少需要2人操作完成。在安全性、可靠性和人性化程度等方面还不能获得国内外用户的广泛认可，因此仍处于自动化的初期阶段，更谈不上智能化。

山东科瑞在2015年12月交付给沙特阿美公司一台9000m自动化钻机，目前已经完成6口井的作业。其主要特色是管柱自动化处理系统、远程双集成司钻以及便于搬迁的快速移运技术。

2019年宝鸡石油机械有限责任公司生产的机械化7000m钻机在玛湖油田投入使用，效果良好。中曼石油从2015年起进行钻机智能化的研制工作，目前钻台自动化及其集成操作已经完成，钻井远程支持系统日益完善，若充分利用其在装备制造、钻井服务和勘探开发等领域的优势，则有望开发出集装备、工程和分析诊断于一体的更具智能化的产品。

2. 国外现状

国外的自动化钻机自 2000年以来发展较快，目前技术已趋成熟，产品已成系列化。较知名的厂家有意大利的Drillmec，德国的Bauer、海瑞克(Herenkneceht AG)、Huisman，美国的NOV 以及挪威的 WeST 等。从产量和技术成熟度上看，Drillmec的自动化钻机目前处于全球领先地位。

2006 年中石油长城钻井公司购买了一台Drillmec 全自动液压钻机，用于委内瑞拉的油田钻井，中石油川东勘探公司 2014年引进了一台海瑞克自动化钻机，目前正在川东进行钻井作业。

Drillmec 自动化钻机以HH350 液压钻机为代表，该钻机的钻具提升和下放运动未采用传统的绞车驱动，而是通过液缸的顶升来实现。钻机井架采用柱式结构，具有自升能力，由单液缸驱动井架的伸缩。该钻机配备的液压顶驱具备在井眼与鼠洞之间水平移动的能力，以实现在鼠洞与井眼间移送管柱，其中鼠洞位于井眼正前方。该钻机的另一主要特征是采用垂直管架输送系统，即该钻机未配备自动猫道机，也未在钻台面上设置立根盒，所有立根在预先接好后放置于立根盒框架内，立根盒框架直立于地面并在钻机前方构成一个半圆形排列，在半圆形圆心位置安装有可旋转的吊塔，同时安装有两个可沿其上下移动的排管机，排管机也能实现径向伸缩，如图1所示。

在进行起下钻作业时，钻杆的上卸扣及立根排放可由1名司钻在控制室通过操作手柄和按钮来完成。以下钻为例，各系统的主要动作流程为:首先在两排管机调整好适当的间距后，转塔旋转至相应的立根盒框架，排管机夹取出立根后转塔旋转至鼠洞位置，排管机将立根放入鼠洞内，随后顶驱从井眼中心移动至鼠洞中心，提取鼠洞内的立根至井眼，并配合铁钻工完成本次立根的连接。起钻过程与此相反，完成1个立根起下钻的周期约为100s。

Drilmec的HH350钻机最大输入功率1150kw，最大静钩载为3170kN，最大高度为31.3m，顶驱最大扭矩为52.23 kN·m。该钻机目前已生产100多台，遍布世界五大洲，获得行业较好认可。

综上看，不管是国内还是国外，都只是在钻井领域的某个或多个环节上实现了自动化，完整的智能钻井闭环链尚未形成，制造出严格意义上的智能化钻机仍任重道远。

关于智能钻机，可分为两个步骤进行研发。第一步，以现有国外自动化钻机为蓝本，研究出具有中国技术特色的“半自动智能钻机”，使钻机各单体设备达到行业的先进水平。这一步的主要工作是按照智能钻机的总体目标，研究出功能完善、运行可靠、可实现自动化、集成化操作的各种设备和工具(包括自动排管机、自动猫道机、全自动铁钻工、多功能顶驱、动力卡瓦以及动力吊卡等自动化设备)。

第二步，在第一步的基础上研究出符合国际通行智能设备定义的全自动智能钻机。在第一步的目标实现后，对自动化钻机进行智能化升级改造，这一时期的主要工作是完成钻机应用软件的开发，提高钻机的“智商”水平，让自动化智能钻机具备逻辑分析能力，在面对各种复杂工况时具有适应性和自动调整能力，以实现真正的智能钻机，或聪明钻机(Smart Rig)、机器人钻机(Robot Rig)。

（本文节选自《石油机械》2020年第7期，侵删）