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【摘要】自动化钻井技术自上个世纪90年代以来便引领着世界钻井的发展走向。闭环钻井是自动化钻井技术发展的必然选择，其通过传感器对钻井的各项参数予以测量，并通过人工智能技术及计算机技术获取所需数据，再通过向自动设备发出指令完成操作任务，进而实现钻井的闭环自动控制系统的无人操作。本文就石油钻井自动化技术展开讨论。
【关键词】石油钻井 自动化技术 地质导向钻井
1 钻井的构造原理
1.1 基本要求
石油钻机是一种具备多项功能的成套性联合工作机组，其囊括了旋转钻进系统、钻具起升系统、传动及控制系统、钻井液循环系统、动力机组、底座及其他辅助设备等。就钻井工艺而言，石油钻机应具备起下钻具能力、旋转钻进能力、循环洗井能力等。
起下钻具能力要求石油钻机的起升速度要快、起重能力要强，以满足井下事故处理及起下钻具等要求。一般而言，石油钻机的起升及起重均由起升系统来完成。旋转钻进能力要求石油钻机的转速及转矩应得到保证，以满足钻头及钻具旋转钻进的要求。一般而言，石油钻机的转速及转矩均由旋转系统来完成。循环洗井能力要求循环钻井液的排量及压力应得到保证，以满足井底冲洗、正常钻进及岩屑携带等的要求。一般而言，循环钻井液的排量及压力由循环系统来完成。
1.2 系统及设备
1.2.1起升系统
在钻井中，起升系统的作用包括：起下钻具、起下套管、钻头送进及悬特钻具等。钻机起升系统的组成成分包括：钻井绞车、游动系统（钢丝绳、游动滑车、天车及大钩）、辅助刹车、井架、用于起下钻具的机械化设备 （吊卡、动力大钳、卡瓦及立根移运机构等） 及井口工具。就井架而言，其作用包括：安放天车、悬挂游车、大钩及专用工具、起下钻具操作、起下套管操作，或在起下钻具中存放立根。就游动系统而言，其作用包括：降低快绳拉力、减轻钻井作业中钻机纹车的负荷、降低起升机组发动机的所需功率。就钻井绞车而言，其作用包括：起下钻具、起下套管、送进钻具、控制钻压、上或卸钻具丝扣、起吊重物、整体起放井架等。
1.2.2旋转系统
在钻井过程中，旋转系统的作用包括：带动钻具旋转及带动钻头破碎岩。旋转系统包括水龙头及转盘等主要设备。一般而言，现代钻机均配备了钻具自动送进装置。转盘在钻井中主要完成以下工作：转动井中钻具、传递扭矩及转速、承托井中伞部套管柱或钻杆柱重量、卸钻头、卸扣等。水龙头在旋转、提升及循环等工作机组的作用十分关键，其作用主要表现为：悬持旋转中的钻杆柱、承受钻具重量、向旋转中的钻杆输送高压钻井液。
2 钻机和装备的智能化及自动化
2.1 电子/智能钻柱技术
智能钻杆由美国Grant公司研制而成，其主要通过铜导线完成电能的输送，且可以井下硬件设备的电能需求量为依据对输电功率予以确定。就数据转输率而言，智能钻柱最高达1.56*106bps。在井下，智能钻柱系统采用了分布式传感器短节，即把微处理器安装于传感器内部，再经耦合元件把微处理器信号耦合至电力线，进而把信号传输至地面传感器。智能钻柱系统采用了传输直流电，例如：井下硬件设备应采用交流电，以完成逆变器DC/AC在井下硬件上的增设等。
2.2 地质导向钻井
地质导向钻井在控制或确定井眼轨迹时多以油藏特征及井下实际地质情况为依据。地质导向钻井技术对井下钻机的控制精度相当高，且能快速、准确地找到最佳地质油藏目标，以确保井眼有效避开地层流体界面及地层界面而一直保持在产层。地质导向钻井技术基于井下定向控制自动化钻井系统以随钻测井仪（LWD）取代随钻测量仪（MWD），但随钻测井仪仅于随钻测量仪系统内安装多个参数传感器（包括电阻率、方位中子密度及补偿中子密度等）以完成地层评价。为了实现地质导向钻井技术的随钻地层评价测井、随钻定向测量及随钻录井与自动导钻井等，随钻测井仪可增设井底钻压及扭矩、井下动力钻具转速等传感器。实践证明，地质导向钻井技术在高倾斜产层及薄产层内的水平井钻进中的应用效果极佳，且可对钻具始终于油气藏内钻进予以有效控制。
就地质导向基本方法而言，其主要是在设计阶段，通过对邻井或试验井的测井数据予以计算机模拟，进而获得新井的模拟测井数据及各地层的相关信息。在钻井中，通过比较各模拟数据与井下随钻测量工具收集到的实际测井数据，以判断两者间的关系。若随钻实测数据与模拟数据一致，则当前地质属最佳地质目标；若不一致，则应以井下实际地质油藏特征为依据并通过旋转导向装置改变或修正井眼轨迹。实践证明，地质导向钻井技术有效地实现了钻井成功率、油层钻遇率、采收率的提高及钻井成本的下降。
2.3 钻机自动化
地面钻机自动化及井下自动化是自动化钻井的两个方面。井下自动化得以实现的必要装置为井下闭环自动控制系统；地面钻机自动化得以实现的必要装置为地面闭环自动控制系统。近年来，针对地面钻机自动化及井下自动化的研究很多，且也取得了实质性的突破。就井下定向方面而言，井下定向控制自动化钻井系统或旋转导向钻井系统由旋转导向装置、钻头及随钻测量仪组成。就旋转导向装置而言，其预设了若干控制指令及井眼设计轨迹数据。若预设设计值与随钻测量仪及近钻头传感器探管测量所得的方位值及井斜值间的差值未在规定范围，则导向装置的电子控制模块将产生对应的控制指令，进而促使3个导向翼板在指令的控制下产生井下缩入或伸出现象。若3个导向翼板的伸出及缩入不一致，则必然产生一个纠斜率，并最终完成井下闭环。此外，随钻测量仪在井下脉冲发生器的协助下把工程参数测量值上传至地面，并经信号处理装置处理后，再经地面主控计算机供操作者予以分析及决策，并在信息下传通道的协助下把决策令传输至导向装置，进而实现“井下→地面→井下”的闭环。
3 结束语
综上所述，钻机的数字化、自动化、信息化及智能化要求逐步完善司钻控制系统、综合录井系统、钻井参数系统、远程监控系统、远程安全应急系统、远程故障诊断系统、钻台自动化机具系统及随钻测量系统等。所以，钻机未来的发展方向为逐步扩充钻井信息共享、远程操作等功能，以实现智能优化钻井的研发及应用。
参考文献
[1] 刘源.谈石油钻井自动化核心技术的运用[J].价值工程，2012，31（9）：46-47
[2] 肖晓悦.石油钻井自动化技术探索[J].中国新技术新产品，2012，（7）：124-124
[3] 臧天兴.浅析钻井设备的自动化技术[J].科学与财富，2010，（7）：230-231
【关键词】石油钻井 自动化技术 地质导向钻井
1 钻井的构造原理
1.1 基本要求
石油钻机是一种具备多项功能的成套性联合工作机组，其囊括了旋转钻进系统、钻具起升系统、传动及控制系统、钻井液循环系统、动力机组、底座及其他辅助设备等。就钻井工艺而言，石油钻机应具备起下钻具能力、旋转钻进能力、循环洗井能力等。
起下钻具能力要求石油钻机的起升速度要快、起重能力要强，以满足井下事故处理及起下钻具等要求。一般而言，石油钻机的起升及起重均由起升系统来完成。旋转钻进能力要求石油钻机的转速及转矩应得到保证，以满足钻头及钻具旋转钻进的要求。一般而言，石油钻机的转速及转矩均由旋转系统来完成。循环洗井能力要求循环钻井液的排量及压力应得到保证，以满足井底冲洗、正常钻进及岩屑携带等的要求。一般而言，循环钻井液的排量及压力由循环系统来完成。
1.2 系统及设备
1.2.1起升系统
在钻井中，起升系统的作用包括：起下钻具、起下套管、钻头送进及悬特钻具等。钻机起升系统的组成成分包括：钻井绞车、游动系统（钢丝绳、游动滑车、天车及大钩）、辅助刹车、井架、用于起下钻具的机械化设备 （吊卡、动力大钳、卡瓦及立根移运机构等） 及井口工具。就井架而言，其作用包括：安放天车、悬挂游车、大钩及专用工具、起下钻具操作、起下套管操作，或在起下钻具中存放立根。就游动系统而言，其作用包括：降低快绳拉力、减轻钻井作业中钻机纹车的负荷、降低起升机组发动机的所需功率。就钻井绞车而言，其作用包括：起下钻具、起下套管、送进钻具、控制钻压、上或卸钻具丝扣、起吊重物、整体起放井架等。
1.2.2旋转系统
在钻井过程中，旋转系统的作用包括：带动钻具旋转及带动钻头破碎岩。旋转系统包括水龙头及转盘等主要设备。一般而言，现代钻机均配备了钻具自动送进装置。转盘在钻井中主要完成以下工作：转动井中钻具、传递扭矩及转速、承托井中伞部套管柱或钻杆柱重量、卸钻头、卸扣等。水龙头在旋转、提升及循环等工作机组的作用十分关键，其作用主要表现为：悬持旋转中的钻杆柱、承受钻具重量、向旋转中的钻杆输送高压钻井液。
2 钻机和装备的智能化及自动化
2.1 电子/智能钻柱技术
智能钻杆由美国Grant公司研制而成，其主要通过铜导线完成电能的输送，且可以井下硬件设备的电能需求量为依据对输电功率予以确定。就数据转输率而言，智能钻柱最高达1.56*106bps。在井下，智能钻柱系统采用了分布式传感器短节，即把微处理器安装于传感器内部，再经耦合元件把微处理器信号耦合至电力线，进而把信号传输至地面传感器。智能钻柱系统采用了传输直流电，例如：井下硬件设备应采用交流电，以完成逆变器DC/AC在井下硬件上的增设等。
2.2 地质导向钻井
地质导向钻井在控制或确定井眼轨迹时多以油藏特征及井下实际地质情况为依据。地质导向钻井技术对井下钻机的控制精度相当高，且能快速、准确地找到最佳地质油藏目标，以确保井眼有效避开地层流体界面及地层界面而一直保持在产层。地质导向钻井技术基于井下定向控制自动化钻井系统以随钻测井仪（LWD）取代随钻测量仪（MWD），但随钻测井仪仅于随钻测量仪系统内安装多个参数传感器（包括电阻率、方位中子密度及补偿中子密度等）以完成地层评价。为了实现地质导向钻井技术的随钻地层评价测井、随钻定向测量及随钻录井与自动导钻井等，随钻测井仪可增设井底钻压及扭矩、井下动力钻具转速等传感器。实践证明，地质导向钻井技术在高倾斜产层及薄产层内的水平井钻进中的应用效果极佳，且可对钻具始终于油气藏内钻进予以有效控制。
就地质导向基本方法而言，其主要是在设计阶段，通过对邻井或试验井的测井数据予以计算机模拟，进而获得新井的模拟测井数据及各地层的相关信息。在钻井中，通过比较各模拟数据与井下随钻测量工具收集到的实际测井数据，以判断两者间的关系。若随钻实测数据与模拟数据一致，则当前地质属最佳地质目标；若不一致，则应以井下实际地质油藏特征为依据并通过旋转导向装置改变或修正井眼轨迹。实践证明，地质导向钻井技术有效地实现了钻井成功率、油层钻遇率、采收率的提高及钻井成本的下降。
2.3 钻机自动化
地面钻机自动化及井下自动化是自动化钻井的两个方面。井下自动化得以实现的必要装置为井下闭环自动控制系统；地面钻机自动化得以实现的必要装置为地面闭环自动控制系统。近年来，针对地面钻机自动化及井下自动化的研究很多，且也取得了实质性的突破。就井下定向方面而言，井下定向控制自动化钻井系统或旋转导向钻井系统由旋转导向装置、钻头及随钻测量仪组成。就旋转导向装置而言，其预设了若干控制指令及井眼设计轨迹数据。若预设设计值与随钻测量仪及近钻头传感器探管测量所得的方位值及井斜值间的差值未在规定范围，则导向装置的电子控制模块将产生对应的控制指令，进而促使3个导向翼板在指令的控制下产生井下缩入或伸出现象。若3个导向翼板的伸出及缩入不一致，则必然产生一个纠斜率，并最终完成井下闭环。此外，随钻测量仪在井下脉冲发生器的协助下把工程参数测量值上传至地面，并经信号处理装置处理后，再经地面主控计算机供操作者予以分析及决策，并在信息下传通道的协助下把决策令传输至导向装置，进而实现“井下→地面→井下”的闭环。
3 结束语
综上所述，钻机的数字化、自动化、信息化及智能化要求逐步完善司钻控制系统、综合录井系统、钻井参数系统、远程监控系统、远程安全应急系统、远程故障诊断系统、钻台自动化机具系统及随钻测量系统等。所以，钻机未来的发展方向为逐步扩充钻井信息共享、远程操作等功能，以实现智能优化钻井的研发及应用。
参考文献
[1] 刘源.谈石油钻井自动化核心技术的运用[J].价值工程，2012，31（9）：46-47
[2] 肖晓悦.石油钻井自动化技术探索[J].中国新技术新产品，2012，（7）：124-124
[3] 臧天兴.浅析钻井设备的自动化技术[J].科学与财富，2010，（7）：230-231