王施权，钟志伟，刘冰

（1中国石油集团西部钻探工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830013；2中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，辽宁 盘锦 124010）

在21世纪，现代化信息技术和科学技术得到了快速的发展，并成为世界科技发展的前沿技术。在知识经济时代下，能源和信息被认为是现代科技的发展基础，石油化工企业作为重要能源产业的支柱，其发展融合了技术、知识、数据、信息等多种技术形式。因此，为了能够更好的促进石油化工企业的发展，需要相关人员加强对各类先进技术应用的重视。文章结合石油钻机行业发展实际情况，就基于先进技术的石油钻机工业系统建设和管理应用问题进行探究。

1 基于先进技术的石油钻机系统

在先进技术的支持下能够完成对石油钻机设备运行的全过程监督控制，帮助施工人员更为全面地了解设备的运行状态、数据网络传输状况、系统运作工况，在系统出现故障的时候及时采取措施予以处理。

1.1 硬件设计

（1）监控系统。石油钻机安全监控系统由监控主机、PLC、现场集控集散系统、终端监控机、监控主机等共同组成。在多个系统的综合作用下能够实现对钻机过程各参数的自动检测和控制。（2）硬件组成。①监控主机和终端监控机。石油钻机系统采用性能稳定的研华工控机作为上位机，控制器内部配置了80G硬盘，具有RS-232标准通讯接口和21寸液晶显示器。②现场监控、工控机、PLC和现场总线打造的监控集散系统。现场集散控制系统融合了录井仪、随钻测量仪、钻机驱动控制、自动送钻、泥浆泵控制系统，具体组成如图1所示。（3）数据远程传输、终端监控器和全球定位系统；监控主机和全球定位系统构成的通讯网络。收集到的石油钻机信息会通过全球定位系统终端来予以处理，在协议封装后会被发送到全球定位系统无线网络上。

图1 基于先进技术的石油钻机安全监控系统

1.2 现场监控主程序

现场监控主程序使用STEP7V5.3软件在PC机上完成编程，之后下载到PLC中完成操作。现场监控程序的主要控制程序如下：（1）系统初始化部分。整个程序完成了系统的初始化分析、故障诊断、连锁保护。在系统设备出现问题的时候可以及时自动切换备用设备并用声光进行报警。（2）系统控制部分。PLC通过调用SCR钻机驱动控制子程序、自动送钻控制子系统，最终实现对各部门的控制。

1.3 监控子程序设计

（1）SCR钻机驱动控制子系统。SCR钻机驱动控制子系统会采集钻速、扭矩等信号，在整合信号之后将信号输入到PLC。（2）自动送钻控制子程序。自动送钻控制子程序采集钻压、大钩负荷等参数信号，在信号收集之后将其送入到PLC中，根据实际钻压的变化来控制实际的送钻速度。（3）泥浆泵控制子程序。泥浆泵控制子程序会将采集的泵冲、泵压等信号送入到PLC中，之后根据实际信号不同时刻误差和误差变化率输入来控制系统。

智能化钻机的打造能够在保障钻机稳定使用的同时大幅度减少操作人员，每个钻台仅仅需要一个人到两个人就能够完成一系列的操作。自动化钻机中拥有了更加灵活、方便、完善的设备，在未来如何整合这些设备的性能是相关人员需要进一步思考和解决的。

2 现代先进技术在石油钻机中的应用

2.1 电力拖动技术

在时代的进步发展下，石油钻机的驱动模式发生了变化，出现了电驱动钻机，特别是全数字交流变频驱动技术应用简化了钻机的机械机构，减轻了设备维护保养工作劳动力，最终能够提升钻机设备的安全性、稳定性、可靠性。另外，将电力拖动技术应用到石油钻机领域能够提升钻井的时效，优化钻机工艺，处理井下事故。

2.2 自动化控制技术

将自动化控制技术引入到石油钻机领域会提升石油钻机作业能力，增强石油钻机的安全性，降低石油钻机成本。在石油钻机领域，将自动化控制技术和交流变频技术、传感检测技术、液压驱动技术结合在一起能够增强钻机装备的智能化水平。

其中，智能化钻井是自动化技术在钻机系统领域的最高级应用表现，在自动化控制技术的支持下，钻机自动化系统会随和地面环境的变化、井下数据参数的变化来实时性的调整司钻参数，完成自动送钻。

自动化控制技术在钻井领域的应用会在计算机控制系统的支持下来实现对钻机系统的交互控制，最终为钻井系统的运作整合出更多有效的数据信息。

2.3 传感器检测技术

传感器检测技术是石油钻机自动化发展的关键技术，传感器检测技术水平直接影响钻机系统的运作效率。石油钻机早期传感器会被设定在仪表系统上，借助传感器来完成对钻井工艺参数的监督控制。

在钻井控制系统和自动化设备的完善下，各种先进的传感器检测技术被人们应用到钻机系统中，比如位移传感器、编码器、非接触式探头、超声波、红外线、电磁波等，在这些先进技术的支持下会为石油钻机工作的顺利发展提供更多的支持。钻机配套传感器接口是钻机配套检测技术形式，在直接信号的输出、演变后转变为多种现场总线技术网络结构。

2.4 机器人技术

机器人的打造融合了机械工程、电子控制、计算机、传感检测、伺服驱动等先进技术形式，在20世纪后期被人们应用到石油钻机领域。

2.5 网络信息化技术

石油钻机领域所应用到的网络信息化技术形式包含电缆、光纤、无线等通信形式，在多个通信技术的支持下会实现对钻机系统以及关联设备数据的有效转换和高效率共享应用。

2.6 计算机集成控制技术

在社会经济和科技的发展支持下计算机集成控制技术得到了快速的发展，在各个领域的到了广泛的应用。将计算机集成控制技术引入到石油钻机领域 会进一步强化系统运作的安全性和稳定性。石油钻机领域阻碍使用PLC自动化控制的基础上在施工现场还引入了冗余结构，打造出了冷备份方案，在基础上根据设备的复杂程度，需要尽可能的实现一个设备对应一台控制器，并借助先进的通信技术实现各个控制器之间的互通互联，最终提高数据信息的共享效率。

在石油钻机配置日益完善的背景下，石油钻机系统融入了控制站、视频监控、参数监控、操作站、数据库服务器等多个设备组成的计算机集成控制系统。在石油钻机硬件设施日益完善的同时，相应的软件系统也加快了更新，在软硬件系统的支持下使得石油钻机功能更加完善、操作更加边界、人机界面更加友好、钻井参数配置得到优化。在软硬件系统完善下的石油钻机系统不仅能够动态化的显示出钻井过程和设备参数，而且还能够将工业电视监控系统实现集成化显示，通过将系统接入局域网、广域网的网上，能够帮助有需要的人随时随地的查看各类数据信息。

3 现代先进技术在石油钻机中的应用展望

3.1 智能钻井

当前，在石油化工领域虽然实现了石油钻机的自动化发展，但是支从实际运作上来看，在石油钻机建设的过程中仍然会遇到一些关键性的技术问题亟待解决。

从基本构成上来看，智能钻井技术包含随钻监测和决策系统两个方面的内容，随钻监测是石油钻机运作的基础，能够为石油钻机运作提供原始分析数据，为保证石油钻机运行安全提供重要支持。决策系统是石油钻机系统运作的关键，具体包含专家系统、在线建模、模型优化等。决策系统的完善化建设和现场试验分析是石油钻机智能化建设在未来需要持续研究的内容。为了能够更好地进行智能钻井建设，需要钻机研发生产单位和钻井作业队伍、钻井工艺研究院密切配合，在充分发挥各自在钻进技术研发中优势的情况下来打造出完善的钻机决策系统，充分发挥出决策系统在石油钻机领域的应用作用。

3.2 集散控制

集散控制系统也被称作是分散系统，是由过程控制级和过程监控级共同组成的以通信网络作为重要纽带的多级计算机系统，该系统在建设的过程中融合了计算机技术、通信技术、控制技术、显示技术，具有集中化控制、分散化操作、分级化管理、灵活配置的特点。

在自动化设备的普及下，单一的控制器不再能够满足钻机的控制需求，基于多控制站的协同作业、多层级网络分散系统开始被广泛的应用到石油钻机中，在现有石油钻机网络的基础上打造出了更加完善的石油钻机控制网络，重新加入了工程师站平台，为各个型号的石油钻机提供了更多柔性接口。

3.3 远程司钻

当前石油钻机操控系统被设定在井口旁边的司钻房，关联控制系统在井口的周围，作业环境恶劣，加上钻机井口本身就具有易燃易爆的属性，因此，在远程司钻打造之后除了会对控制系统本身的防护防爆提出较高要求，对远程司钻操作人员的自身安全也会带来威胁。

而将网络信息技术、自动控制技术、全方位监控技术引入到远程司钻中能够通过必要的防控和完善的监督控制来减少外界环境对石油钻机系统运作的干扰，并在先进技术的支持下来提升石油钻机系统化、机械化水平，打造出完善的石油钻机运作系统。

3.4 在线故障检测和诊断

在石油化工领域，如果石油钻机出现了设备故障，那么就会威胁到石油工业的发展，甚至还会带来较多的经济损失。比如海洋平台石油钻机在作业的时候，一旦出现系统故障问题将会对石油钻机的稳定运行带来不利的影响，甚至还会诱发比较大的事故损失。

石油钻机系统构成十分复杂，包含比较多的机械系统、电气系统、液压系统，系统中的设备维护工作量大，且系统设备的故障具有隐蔽性的特点，在平时工作的时候很难被发现。因此，为了能够更好地找到石油钻机系统设备的故障隐患，需要在系统运作的过程中引入集成在线故障检测技术和诊断技术。从应用实际情况来看，将在线故障检测和诊断系统引入到石油钻机领域不仅能够提升发现石油钻机设备遇到的故障，根据故障表现消除故障隐患，而且还会为石油设备的改进提供更全面的数据信息支持。

3.5 强化对智能石油钻机的研发

当前，在石油化工领域对石油钻机的研发可以分两个步骤进行：（1）将现有的国外自动化钻机作为蓝本支持，在参考过往石油钻机工作实际情况的基础上研究出具有中国技术特色的半自动智能钻机，通过研究半自动化智能钻机来使得钻机各个单体设备能够达到行业先进的水平。在研究半自动智能钻机的过程中要在熟悉智能钻机运作目标的基础上，因地制宜的研究出系统功能更加完善、系统运作安全可靠、自动化、集成化为幼体的多功能设备。（2）在半自动智能化钻机研究的基础上加快研究出满足国际通行智能设备定义的全自动智能钻机，对之前的半自动智能钻机实施进一步升级改造，通过对钻机应用软件的开发应用来提升智能钻机的智能化水平，增强自动化智能钻机的逻辑分析能力以及适应外界各个环境的能力。

4 结语

综上所述，石油钻井工作具有环境恶劣、工作载荷大、危险系数高的特点，随着智能技术的发展，大数据和云计算等信息技术在石油行业的应用越来越广泛，智能石油钻机已经成为石油钻井装备领域的必然趋势。在自动化、智能化、信息化技术的支持下，石油钻机系统的运作效率以及运作安全性将会得到保障，在钻井作业操作的时候还会降低作业强度和作业危险系数，最终会提升石油钻井工作效率。但是统观整体来看，不管是国内还是国外，都只是在钻井领域的某个或多个环节上实现了自动化，完整的智能钻井闭环链尚未形成，制造出严格意义上的智能化钻机仍然还有比较长远的路需要走。为此，在未来，需要石油化工企业加大对石油钻井设备的科研投入力度，并立足石油钻井工作发展实际情况来引进更多的技术形式，强化对新技术的研发，从而更好的促进我国石油化工企业的发展，提高油气资源开发利用成效。