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摘要：随着我国科学技术的进步，自动化控制技术在我国各领域中的应用十分广泛，因此石油钻机技术也取得了很大进步。从电力传动技术、逻辑控制技术、管柱自动化技术、网电控制监控及直驱传动技术和司钻台远程集中操作技术等方面阐述了目前国内石油钻机SCR、司钻房等控制系统在电气自动化、智能化和信息化方面的技术现状。对照国外钻机新技术发展情况对钻机控制系统的新功能要求，提出了国内钻机存在的电气自动化、智能化和信息化集成水平不高、“软扭矩”等关键技术掌握不深入、信息化程度有待提升以及管柱自动化装备原始创新不足等问题。最后，随着人力成本的提升，结合未来钻井作业对石油钻机自动化、高效和智能等趋势要求，提出了加快自动化石油钻机的创新研究、开展钻井系统优化研究及建立大数据故障诊断系统等后续发展建议，以便更能适应市场需求。
关键词：石油钻机、智能化、电气自动化
引言
石油钻井装备高效、快速发展的时代已经过去，面对当前持续低油价时期的到来，作为石油钻机制造企业要想摆脱当前的困境，走出低谷、持续发展，其节约开资、创造更具市场竞争力的钻机、降低成本等已成为解决和缓解企业当前经济压力的有效途径。这就对石油钻采装备制造企业如何适应新形势下的要求提出了挑战，即在保证钻机装备制造在市场需求少、人工成本不断上升、运输费用升高的情况下，如何使石油钻机装备在不断紧缩的国际及国内市场中获得订单，这就需要在石油钻机的自动化，智能化下功夫。
1我国石油钻机控制技术发展现状
1.1电力拖动技术大大改善钻机操作舒适性
基于功率控制元件进行电气调速技术已经成熟，钻机已经将该驱动技术作为标配应用于各类型电驱动钻机中，已经实现了绞车、顶驱、钻井泵和转盘等关键设备的无极调速操控，大大改善了设备操作的舒适性。当然，限于核心元器件的可靠性等因素，目前上述驱动装置仍采用进口方式进行配套，以ABB、西门子等公司功率驱动模块为代表的相关产品已经占据了该钻机领域电传动产品的绝大部分市场份额。按照主驱动电机的数量，变频驱动方式可以有单传动或多传动2种配置。
1.2变频传动与直流控制技术得到广泛应用
在传统的钻机中运用电力转动技术，有效地提升了钻机的工作性能，同时石油钻机控制也变得相对简约，在后期的维护上也变得更方便。使得国内厂商生产的石油钻机在市场上更具竞争力，而石油钻机中最为重要的交流变频传动和晶阐管整流（直流）传动技术，也取得了很大的进步，并受到国外同行的肯定。在交流变频钻机中，虽然国内也能够独立完成变频器的研发与生产，但是成本较高无法全面推广，导致还是以西门子S120和ABB的ACS800变频器为主。在直流钻机中，控制系统已天水电气传动研究所等公司为代表的占据主要市场，控制系统已趋完善。
1.3自动送钻、软泵等功能逐步完善
通过PLC控制器配合其他设备，国内在钻机自动送钻、游车防碰砸、软泵、电气液联控等方面已经得到全面性的发展与完善，同时可以将一些机械设备的扭矩值的范围，压力大小范围以及流量值变化等等钻井工艺正常运行的状态进行全程监督与管控，并采取相应的预警措施，以保障钻井自动化技术的顺利进行。
1.4 石油钻机行业PLC控制技术发展现状
随着自动控制技术的不断发展及应用，PLC控制技术已经逐渐成为石油钻机控制技术的核心控制方式。在我国石油钻机电气控制系统中，目前主要采用西门子 S7-300 控制器（当前有S7-1200取代S7-300趋势），并且采用备用PLC设备来辅助生产。在控制器出现故障时，可以通过切换的方式来保证钻机正常工作。但是由于在切换过程容易造成停机，因而仍然需要改进。针对这种现象，提出热切换控制系统，及两个PLC同时进行工作，当一个PLC出现问题，另一个PLC自动承担出现问题PLC的工作，只是当前还不成熟，需改进。
2国内钻机技术发展建议
2.1加强对集成控制技术的应用
为了实现降低人力成本，钻井智能化、自动化等要求；计算机技术开始引入石油钻机系统中。使得仪表、机械操控自动化、PLC控制、工控机以及嵌入式控制系统等集成控制技术成了可能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前钻井装备使用的是PLC设备控制，通过一些冗余结构可以提升钻井机械的稳定性。比如说使用冷备份方案，或者直接采用冗余系统；也可以使用计算机全程控制。同时设备与控制器间信号相互交流，达到信息交互与共享的目的。
2.2开发故障诊断系统
在石油钻机工作中，经常会出现各种故障问题，主要是通过钻井员工或者设备厂家来进行诊断和维修，会浪费人力资源，并且诊断效率较低、停机时间长等，因而需要开发一套故障识别系统，通过对石油钻机数据采集，将信息发送到计算机中，同时通过相应的软件技术和远程控制系统，可以实现对故障的分析和精准的判断，便于维修和维护。例如NOV公司设计开发的“eHawk”软件，可以实现在线诊断和监控，具有较高的应用价值。
2.3一键式操作全自动化钻机
针对当前石油钻机平台起身、自动化管柱处理系统等各个工作流程，开发和研究整套系统或按照操作流程划分成几个大的节点分步实施等形式进行一键式自动化操作模式，不仅能够简化石油钻机操作流程、节省钻机钻井的准备时间，提升钻机工作效率，节约成本，而且可进一步提高钻机的自动化和智能化水平，增加国际竞争力，其意义深远，是今后石油钻机发展的方向。
2.4基于交互式虚拟现实技术的司钻培训系统开发
现阶段国内对司钻人员的培训依旧采用本图以及视频等方式进行培训工作，缺少实际操作。而通过数字投影技术，可以让操作人员在高仿真的环境下进行设备操作。虽然目前处于实验阶段，但是这种交互式虚拟现实技术的培训方式成本低而且效果良好而受到社会各界的关注。
2.5建立基于大数据的设备故障诊断系统，提升钻机技术服务水平
随着将来钻井作业过程全面被机械化装备所取代，各个设备的维护保养及故障修复将成为重要课题，为了应对该方面激增的业务需求，国内应加快基于大数据的故障诊断系统建设步伐。首先，根据不同钻井设备进行细化分类，对其各类常见故障进行统计分析，并建立基于检测参数或特征波形的故障特征信息库；其次，利用计算机技术完成自动预警及处置系统开发，借助网络或 4G 无线通信手段实现各类故障的智能化预警，实现设备的保养提示和预维修组织，从而减少设备意外停机给生产造成的影响。
2.6积极研发自动化工具
为了能够提升石油钻机制造企业的利润空间和石油钻机工作效率，国内许多钻井公司或部门开始研发与引进自动化工具，如顶驱，自动猫道机等。而先进的自动化工具可以提升作业效率与作业安全，同时也节约了大量的成本投入。目前国内也有一些地面以及钻台管柱等自动化设备，可是其性能与质量仍然与国外有明显距离。因此国内必须要积极投入技术的研发与创新，扩大产品范围以满足市场的需要。
2.7系统融合及集成化系统的开发
石油钻机是一项系统性很强的配套工程，所涉及配套设备多达数百种，涵盖了机械、液压、气控、电控和编程等多个专业，尤其需要多个专业的共同设计。而国内各大石油装备制造企业多是以机械加工和集成配套为主，所涉及的仪表检测、电传动控制、井场通信、视频监控和井场电路等子系统的配套通常采用用户直接指定的方式，导致不同型号产品以及同一型号产品不同供货商在产品设计中存在的结构形式、外形尺寸和技术参数的差异性等因素影响，很容易造成设备的接口不匹配、重复配置、线路多以及布局混乱等问题，使得整套产品的一致性和规范性不好，集成化程度往往达不到最佳状态。这就要求石油钻机制造企业需要投入人力物力在这方面下功夫，自己开发或者与配套企业合作来解决上面问题，已实现石油钻机系统集成化、全自动化和智能化，增加其产品的附加值和更能在市场中竞争，也为石油钻机的发展创新提供了方向。
结语
综上所述，在石油钻机生产制造中，应用石油钻机时对智能化的要求很高，对石油钻机进行升级换代。但目前的石油钻机控制系统自动化、智能化、集成化程度不高，急需更新完善来适应市场需求。通过引入智能化、全自动化控制系统，使得石油钻机的自动化、智能化、集成和人性化得到了提升、风险得以减少，同时更能适应当前市场和更能充分去面对未来市场对石油钻机的要求。
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论文作者:张永来
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/21
标签：钻机论文; 石油论文; 技术论文; 设备论文; 控制系统论文; 系统论文; 装备论文; 《建筑学研究前沿》2018年第22期论文;