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浅谈海洋石油模块钻机自动化发展存在的问题及对策

作者：胡泽刚日期：2014-09-22 15:10 来源：电子技术与软件工程

摘要：通过对比国内外石油钻井自动化发展状况，总结我国海洋石油模块钻机自动化发展存在的问题，并结合我国国情提出相应的对策和建议，为我国海洋石油模块钻机自动化的发展规划以及为该领域的研究和开发人员提供参考。
【关键词】模块钻机自动化问题对策
1 模块钻机的定义
模块化钻机，也即块状钻机，是指按便捷安装、模块功能的要求将钻井装置分装在不同的底座上，在装拆移动，分块运输方面优势明显。模块钻机的出现使得海洋钻井事业得到了空前的进步，主要体现在高度集装化、安装移运性能、良好的操作性能等等。相比移运式钻机，模块钻机在拆卸、移运和安装等方面都发挥着不可替代的优势。即使移运性上移运式钻机稍胜于模块钻机，但是在环境适应能力，钻井能力范围，井架稳定性，钻机布置，性价比等方面模块钻机都独占鳌头。这些优点足以可以弥补其缺陷与不足。
2 模块钻机的现状及发展
2.1 国外模块钻机的现状
目前在美国、加拿大等国家，模块钻机应用广泛，技术已比较成熟。最有名的是Varco公司和National- oilvell 公司，这类钻机有如下
主要特点：
（1）模块钻机移运性能迅速增加，模块钻机的关键竞争力是快速搬迁的能力。
（2）模块钻机趋向结构形式多样化和大型化发展。如Varco 公司的模块钻机，其功率可达4477kW，钻井深度可达一万五千米。
（3）新型一体化旋升式井架占用井场面积更小，多节自升式井架的起放比较安全，这样会使模块钻机在钻井过程中更稳定。
（4）传动更加简单得益于电气传动技术的进步，特别是使用了交流变频驱动技术。
（5）注重以人为本，更加适应操作需求。
（6）立根自动排放机构、顶部驱动钻井装置、盘式刹车及铁钻工等装置的使用，使钻井自动化、智能化由理论变为现实，科学钻井的可能得以慢慢实现。
2.2 国内模块钻机的现状
我国对模块钻机的研究相对国外而言则较少，早在上个世纪，由于装备技术及设备更新较慢，制约了我国模块化钻机的应用与发展。1997 年，ZJ20K 型橇装模块化钻机研制成功，并运至加拿大钻井作业，我国模块化钻机的市场需求随之启动，同时，也激励了模块化钻机应用技术的研究与发展。目前国内有些厂家也相继投入到模块钻机的设计开发中，并研制出了一批满足国内油田的模块钻机，其中最具代表性的是出口到美国的NaborsZJ70/4500DB 型钻机，完全达到了国际化要求，这种型号的钻机代表了我国当前石油钻机的最高设计研制水平。整套钻机设备占地面积小，且排列紧凑，该钻机模块化设计程度高，布局相当合理。同时，此钻机单元运输模块较少，结构设计合理。目前新建的海洋钻机大部分采用模块化的结构，主要区别是模块化的程度高低不同，模块化钻机自动化设计的指导思想是：降低建造成本、符运转要求、质量轻便、运转方便、结构设计优化等。海洋模块钻机的组成部分包括控制系统、旋转系统、动力系统、防喷器系统、起升系统和钻井液循环系统等。钻机模块主要包括散料储存橇、钻井服务模块和钻井设备模块等。钻机模块通常是在陆上建造好，然后再装船，再通过吊装设备安装至海洋平台上。也有一些模块钻机其模块划分较少，为了能够方便快捷，通过多次吊装的方法较短时间内安装到平台上。
3 模块钻机自动化存在的问题
我国虽然是一个制造业大国，但是在核心技术方面仍落后于一些发达国家，如美国、欧洲、日本等国家。主要表现在以下两个方面：
①缺乏核心技术创新能力，尤其是特殊技术的自主研发创新能力较低；②基础薄弱，整体技术水平无法均衡发展，标准体系滞后。同样，在规格、品质、产品品种等方面，国内的石油钻机自动化技术也存在一些的突出问题，具体表现为以下几点：
（1）海洋模块钻机自动化才刚刚起步；
（2）国内对于一些新工艺、新设备，以及有待推广的技术研究力度不够；
（3）通常，数字一体化控制技术为我国传统的钻机所采用，而真正意义上的钻机自动化是需实现设计人性化、网络信息化、控制自动化，而在我国钻机智能化基本属于空白，与国外先进水平相比落差很大；
（4）机械化工具品种很少或者缺乏完备的硬件设施；
（5）多数钻机都是常规钻机，只考虑正常水面温度、深度和通常环境条件下，而对于极寒地区、超深井以及恶劣环境条件下的特种钻井自动化工艺和技术方面还缺乏设计生产能力。
4 石油模块自动化问题的对策
随着我国经济实力和技术能力的发展，加之目前南海、东海等广阔的海洋资源，我们必须清楚认识到技术装备落后所带来的种种挑战，同时也要加大创新能力，尽量缩小与发达国家之间的差距。同时也可以引进国外先进技术，不断进行技术更新，在此基础上加以创新，结合我国实际的海洋状况，开发出合适的海洋石油模块钻机。我国的石油钻机企业也应该适应国际化的标准，与时俱进，密切跟踪和研究新技术、新工艺，实现关键领域的集成创新，尽量缩小与其它发达国家的差距，并且争取赶超。对此，针对上述海洋石油钻机自动化所面临的问题，提出以下几点措施：
（1）发展适合不同运输要求、作业环境以及适应水平井、定向井等新工艺的产品及系列，适应钻井装备人性化、个性化及多元化的要求；
（2）遵循深井钻机自动化的原则，深入创新设计，进一步提高钻机的易拆装性、移运性、安全性等各方面性能；
（3）用高精度、高水平的设备装备钻机，提高钻机控制水平和钻井作业效率，有必要组织开发高效、安全、可靠的自动化、机械化的钻井作业机械化设备，进一步发展自动智能钻井装置；
（4）加强研发工作，从目前的我国海洋钻井的工作水深来看，我国的钻井设备还远远落后与世界先进国家，研制大型海洋钻井设备，积极参与国际竞争，提升我国海洋石油钻机自动化设计能力，在保护环境的基础上形成关键技术，推出新产品，并与国际接轨，加强国际间的交流与合作；
（5）开展小型设备的前期研究，比如套管钻机、连续管钻机、不压井作业设备等的。关注海洋煤层气、超深井、永冻层钻探等重大技术国产化装备研究；
（6）充分发挥机械制造的绝对优势，将产品做精、做细、做优，提高装备的价值和性能。对于常规产品，要进一步进行完善，形成标准化体系。
（7）高起点开发配套式钻机自动化设备体系，完善运转过程中的缺陷与不足，以高性价比、高创新度的产品，主动引导市场消费；
（8）适应钻井装备机械化、自动化、智能化和遥控的要求，提高钻机的自动化水平。制开发适应现代钻井作业的机械化设备及配套仪器、仪表和装置；
（9）更加注重模块钻机的快速运移性。有效的降低停工成本和运输成本，提高钻机自动化的运移性。
5 结束语
目前的国际形势和需求促使石油开采海洋化，这就为海上石油钻井的发展提供很大的机遇，但也对钻机设备提出更高的要求与挑战，海洋石油模块钻机自动化和智能化必将是海洋石油开采的一大趋势，加强对该领域的研究势在必行。
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作者单位
中海石油深圳分公司　广东省深圳市　518067