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浅谈石油钻井自动化关键技术应用

摘要：文章对石油钻井工程自动化技术应用情况进行了研究，特别是对钻机和装备的智能化、自动化，随钻测量与地质导向钻井，电子／智能、钻柱等关键技术进行了详细探讨。
　　由机械化和科学化钻井阶段发展到自动化钻井阶段的关键技术有六个方面，它们是钻井重大革命的里程碑和标志。
　　1　钻机和装备的智能化、自动化：
　　①自动给进：1935年Westing house公司第一个自动送钻专利，20世纪40年代气动送钻控制，1955年有了第一个液压动力水龙头和水力卷扬机；②刹车系统：离合片，比例控制电磁刹车等；③井口铁钻工“三吊一卡”机械化；④井口一二层台的井架机械手：起下立根拉入／推出一扣，摘；⑤循环系统一固控系统：全自动监控密闭循环一净化系统；⑥井控一防喷及应急系统：井口装置、防喷器组、电液井控、节流管汇系统；⑦顶驱系统：20世纪70年代Brown公司开发了电驱水龙头，现在以美Varco公司生产的TDS系列为最好；⑧信息与数据采集、处理、决策、贮存、传输、通讯、管理等功能的软硬件装备；⑨海洋：半潜式／浮式钻井平台及其专用装备；⑩钻具、管具、钻头等的相应进展。
　　自动化石油钻机都是“机电仪计”一体的智能化、信息化、自动化钻机，具有完善的性能，集先进性、可靠性、适应性(恶劣环境与地质条件)和经济性于一体。主要产品有：①德国Prostar-2000型自动化钻机(钻深7 000 m)；②美国NSCO及Apache、Pool等公司生产的A10-32型等自动化钻机(钻深6100m)；②英国S&R公司生产的RD-D型自动化钻机(钻深6100m)；③挪威、法国等也研制了中深井用自动化钻机；④我国宝石厂生产的ZJ70、ZJ90钻机及广汉生产的钻机也都在向自动化钻机进展。
　　2、随钻测量与地质导向钻井技术：
　　①1979年首次应用了MWD。MWD是把钻后有线测量及传输井下参数的方法改变为随钻无线测量及传输的方法，随钻测量是一个重大进步。无线传输方法主要有泥浆脉冲法和电磁波法。但它们目前仍有很多缺点：传输参数数目少、传输速率低、传输距离小以及循环流体性能受限等。②从20世纪90年代中期起，相继研发应用了LWD、PWD、IWD、NRWD等，形成了随钻地质导向钻井和随钻工程服务技术，适应了复杂地质与环境条件下钻复杂结构井、特殊工艺井实时处理井下复杂情况和不确定性难题，以及实时控制三维井身轨迹入窗中靶等高难技术的要求。而SWD还能探测钻头前方地层参数，起到了“车前灯、探照灯”作用。
　　3、旋转导向钻井与随钻测控制传贮技术：
　　1990～1995年德国首先研究和成功应用了世界上第一个自动垂直旋转钻井系统(vDS)。90年代中期，斯伦贝谢(slh)等多家大公司先后研究成功了PD等系列RST／RSS。RSS是人类继实现空间和水域制导技术之后的又一个重要里程碑”。21世纪国际上又提出了“PV”等钻垂直井工具。RSS还成功地应用于小尺寸油管(98.4～114mm)的过油管侧钻和套管钻进。
　　4、电子/智能钻柱技术：
　　美国Grant公司研制的智能钻杆用铜导线输送电能，可以根据井下硬件用电量大小的要求来确定输电功率的大小。智能钻柱的数据传输速率可达104 bDs、105 bps和106 bps，最大已达1.56*106 bps。智能油管用光纤为主。智能钻柱系统在井下采用分布式传感器短节，将微处理器分别安装在传感器内部，然后通过耦合元件将微处理器信号耦合到电力线上，从而传输到地面传感器。该系统采用传输直流电，如井下硬件需用交流电，可在井下硬件上增设逆变器DC／AC。
　　5、最优化钻井与智能sOD集成技术
　　这套工作可以概括为“模型一测值一指令”的实时闭环钻进系统和软件系统。
　　6、信息、网络与远程自动化钻井
信息技术和网络技术以及通信技术是自动化钻井的重要组成部分。2004，11，19 Slb与M／D Totco合作自剑桥Slb研究中心(sCR)在网上发送变泵排量的遥控指令达8000 km远程遥控着横跨大西洋的德州Cameron试验中心的钻机成功地执行命令，第一次实现了远程自动化钻井作业。总之，人类在进入21世纪时，石油钻井系统正由机械化和科学化钻井阶段向半自动化再到自动化钻井阶段进展，这是发展大趋势。

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