海洋石油液压钻机的发展及其关键技术

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  摘要:在海上石油的开发进程不断提速的大背景下,研发、制造出性能可靠、作业稳定性高的液压钻机将成为我国海上能源开发的重要保障。本文介绍了海洋石头液压钻机的发展背景、液压系统及其发展、应用。
  关键词:海上石油;液压钻机;能源开发
  液压钻机的驱动方式是油压驱动,其内部所有运转的零部件也是被油压驱动所控制。液压型钻机的作业状态非常稳定,操作时危险性低且易于上手,运转时钻速较高,大部分液压钻机已经实现自动化与仪表化,现在已广泛应用的液压钻机都能适应多种类型的钻进,包括大转矩、低转速的工程钻进以及金刚石钻进等。有研究人员在海洋是有液压钻机的基础上研发了与之配套的波浪补偿系统,该系统内部装置虽然并不复杂,但是对钻头部件平衡性的补偿性能十分优良,可实现对其快速、精准的补偿,除此之外,该系统的运转状态十分稳定,在作业时不会因钻探船的晃动而产生运转故障,安全隐患很低。发展至今的海洋石油全液压钻机在顶驱控制、起下钻控制与运动补偿装置均使用液压系统进行控制,作为海洋石油钻机的重要种类,液压型石油钻机将成为我国钻机发展的主流方向[1-2]。
  一、研究背景
  液压钻机的传动方式是液压传动,液压传动的特点是传动负载大、应用便捷、配置方便,因此海洋液压钻机的传递功率很大,而且占地面积小,在钻进调速方面的调整范围很大,且操作简便,易实现仪表化与自动化。基于以上优点,陆地液压钻机已在国内被广泛应用,而在海洋石油开采领域,因特有的海洋环境复杂、投资装配成本高昂等限制因素,目前未被应用,可以预见的是,随着海洋石油能源开采进程的加速,海洋石油钻机将会成为开采的中流砥柱,其中全液压钻机又将是海洋石油钻机发展的重中之重[3-4]。
  二、海洋液压钻机的发展及应用
  在全球范围内,研发出海洋石油液压钻机的国家只有挪威、加拿大、意大利等国家。2005年挪威的Eastern Drilling and Aker Drilling公司预定了能在水深三千米以上的深海环境作业的双液缸升降型液压钻机,这些钻机是第六代钻机,已成功在西非、加拿大等国家和地区进行海上石油钻井作业;加拿大的Tesco公司在不断完善套管钻井系统的基础上,研发了全新一代的液压驱动装置与电脑控制操纵的钻机装置,即新型套管钻井的液压钻机,与传统的液压钻机相比,该公司研发的新型复合型钻机不仅作业可靠性高、安全系数有保障,而且更具灵活性,能适应各种具体复杂作业环境,另外也为套管钻井提供了可靠平台,降低了相应的钻井成本;意大利的SOILMEC S.P.A油水分公司开发了多种轻型、中型系列液压钻机,其中轻型液压钻机的钻井深度范围在300-1000米,其修井深度为600-1800米,中型钻机钻井深度达1800-4000米,修井深度最深可达7000米,所有系列钻机均采用全液压驱动型式,钻机中所有部件的动力来源均为同一液压动力源;意大利的Drillmec公司研发的全液压钻机是一种新型的、可移动式无绞车型液压钻机,该钻机特点是不需要另配顶驱装置,自动化程度较高且便于装配,由于其最大驱动功率十分有限,因此多用于浅水钻井作业。
  三、海洋石油液压钻机应用中的关键技术
  海洋液压钻机的关键技术多属计算机技术、自动化技术范畴内,主要包括:虚拟样机技术、模块化设计、智能控制与液压系统仿真技术。
  虚拟样机技术属于计算机技术领域,在该技术推动下,一大批钻机相关的仿真软件被相继研发出来。虚拟样机技术对于钻机的研发、改进阶段具有极大的促进作用,作为一个庞大的系统工程,海洋石油液压钻机的研发周期很长,研发成本高昂,如果在研发过程中采用虚拟样机技术下的系统仿真软件来进行运动以及液压系统的仿真,通过施加不同的载荷来对钻机的设计进行全面的性能验证;在液压钻机设计彻底完成后,通过仿真软件与井下工业试验的结合,可以对钻机性能实现全面的评估。
  模块化设计使海洋石油液压钻机的拆卸、运输以及安装十分便捷效率,所谓模块化钻机即将钻井装置的功能分类,并进行模块化处理,按照安装难易、运输难易进行模块分类,然后将各个模块的部件分装在不同的底座上,这样就能十分效率地实现运输、安装并投入生产。模块钻机种类有钻井支持模块、动力模块、生活模块等。
  智能控制是自动化技术与人工智能的交叉领域,其概念最早在20世纪70年代初被提出来,后来这一理念陆续发展为人工智能、自动控制等前沿学科。在工业化装置中引入智能系统的目的在于在其部件被模糊定义时,可在不确定性因素的影响下完成更高层次的目标。海洋石油液压钻机是一套非常复杂的装置,该装置中的每一个系统都是非常不确定的非线性对象,为了对其加以控制,应引入智能控制系统对其加以管理,操作。鉴于国内复杂的海洋环境因素、海上平台作业限制等,对液压钻机的设备、液压系统提出了更高要求。智能系统专门用来处理非线性、随机、多因素等复杂过程,并且能与多种技术交叉领域所融合,与钻机系统加以结合后,可有效减少人工操作,提高作业准确率与作业效率,也提高了设备故障的自我辨别能力。
  液压系统仿真技术主要包括液压系统动态性能仿真、液压驱动性能仿真、液压元件流场仿真等。液压钻机中复杂的液压系统仿真、液压元件流场仿真等。液压钻机中的配套系统较为复杂,考虑到开发液压钻机的周期较长、成本过高,因此对其各种动态性能进行仿真模拟尤为重要[5]。
  四、我国海洋液压钻机的发展趋势
  作为开发海上石油资源的重要设备,液压钻机的相关研发、制造尤为关键。根据国家提出的“中国制造2025”规划,在信息化水平大幅提高的背景下,工业化与信息化的融合将更加紧密,在大力深化互联网+技术进程的不断推进下,钻机行业也将与互联网进行更深度地协同融合,打造出全新的发展生态,为未来我国研发出适应国内复杂海洋环境的液压钻机奠定坚实的基础。
  五、结论
  海洋石油液压钻机的传动功率大、稳定性高、易于实现自动化、仪表化的特点使其成为新型钻机的主要发展方向。尽管我国暂时尚未研发出适应国内海洋环境的大型海洋石油液压钻机,但是已经积极开展了研究、设计液压钻机的相关研究。液压钻機的内部装置均为液压系统驱动,并且具有模块化、智能化、自动化等特点。液压钻机应用的关键技术环节有虚拟样机技术、智能控制技术、液压系统仿真技术等,有助于其适应不同的复杂环境。针对我国复杂的海洋环境,在中国制造2025规划的大背景下,大力研发基于海洋石油平台的液压钻机有助于推动我国能源行业的可持续发展。
  参考文献
  [1]廖国敏,周雄,徐坤,何涛. 海洋液压钻机研究综述与展望[J]. 石油矿场机械,2016,(04):12-15.
  [2]王进全,王维旭. 国外钻机技术现状及我国的发展策略[J]. 石油机械,2011,(06):65-69.
  [3]王进全. 我国钻机技术进步与“十一五”发展的思考[A]. 《石油机械》编辑部.2006年石油装备学术研讨会论文集[C].《石油机械》编辑部:,2006:6.
  [4]王进全,陈立人. 我国钻机技术进步与“十一五”发展的思考[J]. 石油机械,2006,(09):117-121+2.
  [5]刘广志. 面向2000年,开拓探矿工程高技术领域[J]. 地质与勘探,1987,(02):73-77.
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