石油钻井自动化技术的应用探究

摘要：石油作为我国重要的能源供应行业之一，为我国经济的迅速发展起到了极大地推动及保障作用。钻井作为地下石油开采的最为直接有效的方式，我国近年来在钻井技术的应用上取得了较大的突破，尤其是多项自动化技术的应用为石油企业生产提供了重要保障。本文首先介绍了钻井的基本组织构造，然后指出了传统石油钻井的缺陷，最后重点论述了石油钻井自动化技术的应用。

关键词：石油钻井；自动化技术；应用

中图分类号：TN830文献标识码： A

在最近几年以来，我国的科学技术有了长足的发展，井下测量技术、井下指导交流操作系统等被广泛使用。在目前的社会发展状况之下，因为机械化和信息化组成的石油钻井自动化操作技术正在被各个企业以及操作单位关注，并且在长期的工作当中也总结了一套完整的理论操作体系。现如今，信息技术的不断兴起发展，各项操作技术正朝着整体化以及复杂化方向发展，并且其的发展也带动了钻井技术的发展，降低了企业的生产成本的同时，原油产品的生产质量以及数量都有了显著提升。

1钻井的基本组织构造

石油钻机当中包含了各项操作功能，当中包含了旋转钻进操作体系、钻具升降操作体系、传动以及操纵体系等等各项操作设备。钻井工艺的基本要求，就是石油钻机需要拥有钻具能力、旋转钻进操作能力以及循环洗井操作能力等等。而升降钻具需要石油钻机不论是升还是降的速度，都应该保持在一个较快的速度当中，并且载重能力需要足够的强大，才能够满足井下事故的处理要求以及钻具等等的基本需求。简单的说，石油钻机的起降工作都是通过升降操作体系完成的。旋转钻进的操作能力需要石油钻机的旋转速度以及旋转的距离都有足够的保证力度，才能够符合钻头和钻具在旋转钻进过程当中的具体需求。

2传统石油钻井的缺陷

中国是石油资源大国，国内每年石油开采量位居世界前列。随着我国人口数量的增多，人们对各类资源的需求量也大幅度上涨。传统石油钻井是原油开采的主要方法，但其在技术水平、开采工艺、生产产量等方面均存在明显的缺陷。

2.1开采难

科学技术是第一生产力，先进的钻井技术不仅保证了企业的开采效率，也降低了生产人员的操作难度。由于早期石油开采技术落后于发达国家，对采油钻井技术的运用不够熟练，给原油开采带来了很大的困难，这对于企业长期从事原油开采是不利的。

2.2 成本高

高额的成本投入是制约我国石油业发展的一大因素，企业投资后难以及时收回成本。在油井维护方面也要投入大量的资金，如：原油产品的存储、油井日常维护等，而企业最终获得的经济收益与预期的标准相差较大，导致石油业发展处于滞后阶段。

2.3 产量低

传统石油钻井缺乏先进的勘测技术，从而给原油生产带来不便，原先制定的生产工艺流程无法顺利执行。油井定位失效是造成原油产量低的一大因素，如：前期勘测工作不当，造成所钻的油气层位置不科学，开采期间原油的产量不达标。

2.4 设备少

从地理位置分布情况看，原油通常遍布于地理位置特殊的区域，尤其是岩石层坚硬的区域。企业具备的钻井设备较少，使得原油开采的难度不断增大，对于土层开挖或岩层钻进均产生不利影响。如：钻井机承受的强度不够，限制了生产的持续进行。

2.5 工艺旧

石油钻井工艺过旧或开采方法少，对石油企业的资源开采利用也造成制约作用。钻井工艺方案主要包括：钻井、固井等两大方面，传统开采的钻井依赖于人力冲钻，企业消耗的人力资源较多；固井则依赖于简单的支撑结构，未全面采用水泥砂浆加固。

3石油钻井自动化技术的应用

3．1钻机和装备的智能化、自动化

3.1.1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 104bps、105bps和106bps，最大已达 1.56*106bps。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。

3.1.2 地质导向钻井

地质导向钻井是以井下实际地质情况和油藏特征来确定和控制井眼轨迹的钻井技术。使用这一技术，可以精确控制井下钻具，命中最佳地质油藏目标，使井眼避开地层界面和地层流体界面并始终位于产层内。地质导向钻井是在井下定向控制自动化钻井系统的基础上将随钻测量仪(MWD)改为随钻测井仪(LWD)，而 LWD 仅是在 MWD 的系统中加上若干用于地层评价的参数传感器，如电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子密度等。有的随钻测井仪还增加了温度、井底钻压与扭矩、井下动力钻具转速等传感器，使地质导向钻井技术成为具有随钻定向测量、随钻地层评价测井和随钻录井与自动导向钻井的国际高新先进技术。地质导向钻井技术特别适合在薄产层和高倾斜产层中钻水平井。对于这样的产层，使用常规方法控制井眼轨迹很难命中最佳地质目标，而使用随钻定向测量和随钻地层评价测井数据进行地质导向钻井，可以随时知道钻头周围几米范围内的地质油藏特征和钻头与地层界面或地层流体的相对位置，因此可以控制钻具始终在油气藏中间钻进。

地质导向的基本方法是在井设计阶段使用试验井或邻井的测井数据进行计算机模拟，得出新设计井的模拟测井数据以及对将钻各个地层的各种响应。在钻井过程中，将井下随钻测量工具发送到地面的实际测井数据与各个模拟数据相对比，看它们是否一致。如果模拟数据与随钻实测数据一致，就说明井眼命中了最佳地质目标，否则就说明应该按井下实际地质油藏特征修正或改变井眼轨迹。修正或改变井眼轨迹也是靠旋转导向装置来完成的。地质导向钻井技术大大提高了油层钻遇率、钻井成功率和采收率，从而实现了增储上产，节约了钻井成本。

3.1.3 钻机自动化

自动化钻井包括并下自动化和地面钻机自动化两大方面。井下自动化将依靠井下闭环自动控制系统来实现，地面钻机自动化将依靠地面闭环自动控制系统来实现。近年来，国外一些公司一直在围绕这两大方面进行大力研究，并取得了重大突破和实质性进展。在井下定向方面，一些公司研究出了井下定向控制自动化钻井系统(也称旋转导向钻井系统)，主要包括：钻头、旋转导向装置、随钻测量仪(MWD)。在旋转导向装置内，预设有井眼设计轨迹数据和若干控制指令。当近钻头传感器和 MWD 的探管测到的井斜、方位值送回导向装置与预设的设计值进行比较，其偏差超过规定范围时，导向装置中的电子控制模块发生相应控制指令，使非旋转导向外套上的 3 个导向翼板按指令进行径向伸出或缩入，当其中一个或两个翼板不同程度地伸出而另一个翼板缩入时，便会产生所要求的纠斜率，使所钻的井眼轨迹符合设计的井眼轨迹，从而完成“井下闭环”。同时，MWD将工程参数的测量值经井下脉冲发生器向上传输至地面，由地面传感器检测送至地面仪器房内的信号处理装置进行处理，再传送至地面主控计算机供操作者进行分析、判断和决策。操作者可将决策指令经由信息下传通道发送给导向装置，从而又完成了一个由井下一地面一井下的“闭环”。

3.2 最优化钻井与智能SOD集成技术

不断优化的钻井与智能SOD集成技术,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。这些技术能够让钻井技术不断优化,提高工作效率和工作质量。这也是石油信息化、智能化的重要体现。

3.3信息化、网络化与远程自动化钻井技术

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。自剑桥Slb研究中心(sCR)在网上发送了一种变泵排量的遥控指令达8000 km远程控制系统,这种系统不仅可以遥控着横跨大西洋的德州Cameron试验中心的钻机,而且还能够成功地执行了钻井命令。这种技术,第一次实现了远程自动化的钻井作业。现如今的社会已经是是、信息化操作社会，在自动化的钻井当中，信息操作技术。网络通信技术是其重要的构成部分。总体来说,人类在进入21世纪后,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,这就石油钻井发展的大趋势。

4结语

总之，石油钻井是生产原油资源的有效方法，企业在制定钻井方案时要充分考虑现场的地质状况，制定综合性的自动化控制系统。石油钻井不仅要实现设备操作的自动化，对整个原油开采过程也要实现智能化及一体化等先进模式，这样才能促进企业生产效率的提升，确保油井的原油资源保质保量地开采利用。

参考文献：

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[2]韩文旭.国内原油资源利用的效益对比分析[J].地质资源研究，2010，40

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