自动化智能化石油钻井系统

   自动化（智能化）石油钻井控制系统              北京四利通控制技术有限公司   自动化（智能化）石油钻井控制系统 一、现代石油钻机 现代石油钻机是由现代机械技术、液压技术、气动技术、电气技术和计算机控制技术等多种技术组成的联合工作机组，是目前实现石油、天然气开采的必要设备，并且，也是一整套包含生产、技术、设备、材料、后勤、人事以及交通运输等等配置齐全的钻井工厂。 主要由以下几部分组成 1、提升系统。主要由绞车、游动系统、井口工具、井口机械等组成。 2、旋转系统。主要由转盘、水龙头及顶部驱动等组成。 3、循环系统。主要由钻井泵、高压管汇、循环罐、固控设备、钻井液处理及储存设备等组成。 4、动力设备。主要由柴油发电机组、燃气机组、电动机等组成。 5、传动设备。主要由减速、并车、分动、转向、倒转、变速、变矩等机械传动、液力传动、液压传动、电气传动等形式的设备组成。 6、控制系统和监视检测仪表。主要由SCR/VFD电驱动控制系统、液控系统、气控系统、组合钻井仪表以及计算机监测控制中心等组成。 7、钻机底座。主要由钻台、机房、移动导轨等组成。 8、辅助设备。主要由供气供水设备、辅助发电设备、辅助起重设备、防喷设备、防冻保温设备等组成。 9、生活区服务配套设备。  二、国内外石油钻机目前现状及发展趋势 1、现状 在提升系统、旋转系统、循环系统、动力设备、辅助设备以及钻机底座中，90%以上设备已接近国外先进水平或与世界主流设备技术水平同步，但是，井口机械设备如铁钻工、自动猫道、自动排管等井口自动化设备，国外已经得到成熟应用，国内还处于起步或研发阶段。 控制系统和监视检测仪表是体现一套钻机技术水平的核心系统，由于钻机是机械、液压、气控、电控、计算机控制以及地质学、化学、数学、几何学、材料力学、流体力学等等多专业多学科的组合体，国内钻机在生产配套过程中，同一套钻机多达几十个厂家的配套，各专业厂家因专业屏障，严重缺乏跨专业、跨行业的统一协调，造成整套钻机控制技术水平不高以及重复配套和浪费。比如，电控系统测量钻具悬重需要在死绳固定器安装传感器，仪表系统也需要测量钻具悬重在死绳固定器安装传感器，这样就安装了2套悬重传感器，并且是2套系统测量的数据不一致，司钻不知道哪个是正确的。诸如此类问题很多，甚至有些重要的钻井参数，同一个参数多达3~4个不同的专业和厂家同时测量出根本不同的数据。 从实际钻井工艺需求角度看，分专业局部技术都已达到了同等国际水平。如交流变频电驱动控制系统的应用，完全可以精确控制绞车转速、游车位移、转盘扭矩、钻井泵排量和泵压等；钻井仪表系统采用了DSP开发技术，可实现多参数测量和显示；井下随钻测量、旋转导向、地质导向等国际先进钻井技术也得到了成功应用。但是，不管是垂直井、斜井、水平井还是大位移井，其执行设备都是由电控系统控制绞车、转盘、顶驱、泥浆泵以及固控节流井控等设备实现的，然而，实际施工中，同样的井身结构，不同的司钻会操作出不同的效果。问题就在于各专业和技术之间在实际应用中基本上是脱节的，没有实现真正意义上的自动闭环钻井，而是地面和井下的各种信息全部汇集给司钻，由司钻依靠个人经验对钻机进行控制。 井队对井身质量控制的制度中描述：“司钻是技术措施直接执行者”，“钻进软硬交错地层要做到：地层软变硬，钻压重变轻，找中打窝窝，加压再钻进，地层硬变软，提起到步步跟着走，加压要均匀”。如此先进设备，这样的操作制度，的确非常尴尬！但，这就是现状！ 因此，目前我国钻机的生产配套能力还主要集中在制造上，从钻井工艺要求出发，加强整体方案设计和研究，特别是一体化、自动化、智能化控制系统的设计和研究是石油机械制造业所面临的一个重大课题。 2、发展趋势 21世纪是科学技术特别是工程科学技术进一步高速发展的机遇期，国际钻井界重点关注和发展的技术有：钻井信息技术、随钻测量和随钻地层评价技术、井下数据的动态采集处理和应用系统、信息流闭环系统和旋转导向闭环钻井技术，以及钻井液自动固控技术和控压钻井技术等，这一切都是为了昀终实现自动化智能化钻井。  三、新型钻井工艺对钻机和钻井系统的要求 随着定向井、水平井、大位移井、深井、超深井以及复杂地层井的工艺要求，自动化智能化钻井是现代钻井的发展必然，是全世界石油钻井界一直追求与奋斗的目标。它集成地质导向钻井、旋转导向钻井、随钻地震、随钻测井、智能钻杆传输等技术于一体，形成闭环钻井系统。闭环钻井技术是实现自动化钻井的关键，在实现井下闭环钻井技术的基础上，解决地面钻机的自动化，即钻井地面作业的自动化操作是实现自动化闭环钻井的必由之路。1、研制钻井专家系统，实现对钻井状况的自动处理分析，并及时正确地发出各项指令和操作；2、有效建立不同专业设备之间的科学联系，让仪表系统、随钻监测等按钻井专家系统要求实时自动参与钻机控制；3、解决钻井液自动化处理系统和自动化固井；4、完全摆脱钻井对司钻个人经验的依赖，昀终实现自动化智能化钻井。四、自动化智能化钻井关键技术途径——闭环钻井系统主要由地面操作系统、地面监控系统、双向通讯系统、井下工具系统、井下测量系统及短程通讯系统等组成，闭环钻井系统具有以下特点：(1)井下测量系统通过随钻测量钻井工程参数，如钻头钻压、扭矩、钻柱内外的压力变化等可以实现对井下工具工作状态的实时监测，极大地提高了井下安全性能；通过对井眼轨迹等工程参数的随钻测量，与井下工具控制系统配合实现井下的闭环控制，井身轨迹控制精度高，钻出的井眼平滑、没有螺旋井眼的出现，同时对钻进特殊井段的适应性强，可减少起下钻次数，实现优质、高效钻进，提高钻井效率。(2)井下随钻测井系统和随钻地震系统通过随钻测量所钻地层的地质参数以及随钻预测钻头前方的地层特性，可实时分辨油、气、水层，从而及时调整井眼轨迹，保证井眼在油气层中有效穿行，提高油气采收率。(3)地面监控分析系统通过随钻测量的工程参数及地质参数可以实时判断井下工具的工作状态及钻遇地层的地质特性，实时发出控制指令，确保井眼轨迹以昀佳路线在油层中钻进。(4)智能钻杆可实现地面与井下测量的高效率数据传输，可以使地面监控系统对井下随钻测量信息做出更正确的分析及预测，提高预测的准确性。五、实现自动化智能化钻井系统的地面关键设备—智能司钻控制系统1、智能司钻控制系统技术方案智能司钻控制系统是基于神经网络控制技术，现场总线技术，信息网络技术集成于一体的全数字化、智能化、网络化、可视化、高度集成化的控制系统。⑴、自动钻井专家系统实时钻压预测以及钻压转速确定:将钻进过程基本规律的数学模式与既定的优化目标联系起来，建立尽可能完善的钻进目标函数。在此基础上，运用昀优化理论或各种线性、非线性规划方法，在确定各种约束条件的情况下，优选目标函数的各项钻进参数，并实时参与钻机钻进过程的决策和控制。钻进循环流动压耗计算及水力参数优化确定：根据钻井泵的特性、钻柱结构、钻头类别、钻井液性能、钻井液在管内和环空的流动状态、以及流体力学的基本理论等，合理优化确定钻井水力参数，并实时参与钻机钻进过程的控制（泵压、排量等），提高钻井速度。井底压力控制及泥浆管汇系统自动化：分析计算在停泵、停钻、起钻、下钻、钻进等各工况下的井底压力，运用井底压力平衡理论，建立井底压力控制模型，合理优化钻进以及起下钻速度，并实时参与钻机控制。同时，对井控装置、井控管汇、钻井液固控、关井程序等发出自动控制指令，有效控制井侵、溢流、井涌、井喷、井漏、井塌等钻井事故。井身结构及随钻轨迹控制：采用钻柱下部组装的随钻测井工具和各类传感器，如地层电阻率ρ、岩性特征测量探头伽玛γ、中子-密度探头N-D、声波探头S、核磁共振探头NR、地层空隙压力P、井斜角θ、方位角α和导向工具面的工具面角ω、钻头井底钻压pb、井底转数n、井底扭矩Tb、钻柱不同截面处的测力传感器等等，采集并经过处理后准确得到真实的地层剖面完整资料。主要可包括地层岩性和密度、储层特性及标志层、气顶、油层、夹层、油底等岩性及其深度、地层流体深度和流体压力、流体性质、实钻三维井身轨迹、钻柱及其各组配件与钻头的实时工况、井下钻井动态工况等，这些数据与地震、SWD、测井、工程录井等方法及数据库中的信息，运用软件进行综合分析与整合集成，解释处理得出待钻井段优化的技术参数及决策，并与设计井身结构地质和工程模型时刻比较，使井下执行工具准确动作。这样连续实现“专家预测-测量采集-处理决策-控制执行-再专家预测-再测量采集-再处理决策-再控制执行-……”如此连续进行，达到智能闭环钻井的目标。随钻测量数据可实时诊断、识别、决策、控制井下动态复杂情况，随钻数据直接接入智能司钻控制系统，实现地层可视化、井眼及钻柱可视化、井内流体及流动状况可视化、井身轨迹可视化，可随钻监控井下隐患的动态变化，分析排除复杂情况，降低风险，减少乃至消除钻井事故，确保钻井安全。随钻测量数据实时与钻时预测数据进行比较和修正，使钻井专家系统模型更加科学和合理。钻井信息化：钻井现场的钻井工程数据、井眼轨迹数据、随钻测井数据、录井数据、设备运行以及故障信息、井场视频信息等通过无线网络（如卫星网、ＧＳＭ网络）实时传送到公司总部，现场工程师和总部的地质师、地球物理师、油藏工程师、设备工程师，可随时参与和协同工作，设计井眼轨道、调整钻井措施、确定完井策略等提出专家会诊决策指令意见，反馈到钻井队，实现实时昀优化钻井施工，还可使钻井和油藏地质人员“透视”地下三维图像实时监督正钻井和待钻井的井眼轨迹。⑵、控制网络[1]智能司钻控制系统由管理级、中心级和现场控制单元组成;[2]系统采用工业现场总线技术来实现数据的快速传输;[3]通过触摸屏、数据服务器、远程计算机实现监控、故障诊断、参量修改、诊断、存储、记录等功能;[4]完成对钻井设备(发电机组、绞车，转盘，顶驱，泥浆泵，铁钻工，排管机，自动猫道等)的逻辑控制、保护功能及其他辅助设备的控制。⑶、现场总线PFOFIBUS-DP[1]现场总线控制及工业以太网技术在电动石油钻机上有着广泛的应用；[2]随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能化越来越高，成本在不断的下降，因此，在智能设备之间基与开放标准的现场总线技术构建的自动化系统极大的成熟；[3]通过标准的现场总线通信接口，将现场的I/O设备、传感器、变送器的设备直接连接到现场总线上；[4]现场总线控制系统通过总线电缆传递所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高了通信的可靠性；[5]自动化控制系统、特别是现场总线控制技术在电驱动石油钻机的广泛应用，对钻机高可靠性、安全性、稳定性都有着非常重要的意义和作用。⑷、控制网络组成智能司钻控制系统控制网络包括：[1]柴油发电机组信号采集；[2]交流、直流传动控制；[3]绞车、盘刹控制；[4]顶驱控制；[5]转盘控制；[6]泥浆泵控制；[7]钻压闭环控制；[8]井压闭环控制；[9]随钻测量控制；[10]钻井仪表数据信息监视；[11]钻井液固相控制；[12]井场MCC控制；[13]铁钻工控制；[14]排管机控制；[15]机械猫道控制；[16]钻杆机械臂控制；[17]动力卡瓦控制；[18]钻机视频及海底视频显示与记录；[19]其中，逻辑控制系统是通过西门子S7-400H硬件冗余PLC，借助Profibus-DP现场总线传输数据的方式（双总线）实现自动控制，通过工业以太网和数据服务器进行实时数据通讯，将当前钻机运行的相关控制数据和设备的运行状态传送到服务器，数据长期保存在服务器上，以备查询相关设备的运行情况及生成相关装置的报表，为管理及钻井分析提供了实时可靠的数据，从而为设备的安全，可靠，稳定运行奠定了坚实的基础。系统采用双PLC控制方案，两套PLC（S7-400H）系统同步运行，更加增强了设备的可靠性。通过现场总线（西门子专用总线）将PLC、触摸屏、远程I/O站、机具站、WEB站、服务器、现场传感器、CCTV视频系统等设备联接起来，这样自动化级（PLC）、数字传动级、钻井参数、钻井机具与智能司钻控制系统构成Profibus-DP双总线控制网络，参数双向高速传递，实现对系统各装置的远程数据传