為適應各種不同地域環境油氣藏的勘探開發，國內外先后開發了頂部驅動鉆機、小井眼鉆機、快速移運鉆機、套管鉆機、液壓鉆機及自動化鉆機等多種類型的石油鉆機，鉆機配套技術也得到快速發展。很多研究人員對國內外鉆機的發展現狀進行了調研，并對鉆機的發展趨勢進行了分析，主要從鉆機的結構形式、驅動方式、鉆深能力及環境適應能力等方面做了綜述。如文獻介紹了我國石油鉆機的技術現狀，同時指出與技術水平的差距; 文獻介紹了變頻鉆機、頂部驅動鉆機、小井眼鉆機及快速移運鉆機等國內外新型鉆機; 文獻介紹了國內外超深井和套管鉆機;文獻詳細介紹了國外鉆機的自動化和智能化、形式多樣化以及小型化和輕型化，另外，對激光鉆機、海底鉆機和齒輪齒條鉆機的技術現狀也有所分析。這些對比研究對國內鉆機技術的不斷進步有著重要的推動作用。筆者就若干*技術在油氣鉆機中的應用進行闡述。

1 國內外應用現狀

1. 1 電力拖動技術

電力電子技術起源于 20 世紀 50 年代末和 60年代初，70 年代開始廣泛應用于電力拖動行業。

自從國外將電力電子技術應用于石油鉆采裝備行業后，鉆機的驅動模式發生了很大轉變，出現了電驅動鉆機，尤其是全數字交流變頻驅動技術的應用，使鉆機的機械結構得到簡化，減輕了維護保養工作，提高了安全性、可靠性和移運性能，易實現自動化控制及安全互鎖，操作方便靈活、故障診斷及維修保養方便; 同時對提高鉆井時效、優化鉆井工藝及處理井下事故等十分有利，成為鉆機的主流模式。經過近 40 年的發展，電驅動鉆機的性能已趨近完善和成熟。

然而在國內，電力驅動技術的應用相對較晚，1997 年寶雞石油機械有限責任公司 ( 以下簡稱寶石機械) 第 1 次將變頻技術用在 5 000 m 鉆機上，到 2002 年，寶石機械和四川宏華石油設備有限公司 ( 以下簡稱宏華) 成功將變頻驅動技術用于 7000 m 鉆機，開始了變頻鉆機的系列化生產。同時開始在自動送鉆系統和頂驅驅動系統中廣泛采用變頻驅動技術。

1. 2 自動化控制技術

為了滿足日益增長的質量和效益要求，很多工業領域大量采用自動化控制技術。石油天然氣工業也力求實現鉆井自動化以提高作業效率，保證作業質量，提高作業能力及安全性，降低作業成本。

通過自動化控制技術與交流變頻技術、傳感檢測技術和液壓驅動技術的結合，使各種鉆井裝備更智能化，性能更優良，如 BENTEC 的轉盤軟扭矩控制、鉆井泵軟泵功能、TPC 的扭矩安全功能、泵同步功能和防反轉功能等; 使鉆機不僅實現自動送鉆，還出現了大量自動化設備，如鐵鉆工和動力貓道等。這些設備在國外已經很成熟，如阿克、國民油井、TSC 的鉆臺機械化設備，威德福公司的 Power-Frame井架工等。國內的自動控制技術在鉆機應用方面也取得一些成果，如寶石機械和宏華的鐵鉆工、動力貓道及井架工等機械化設備。

自動化鉆機的出現是自動化控制技術在油氣鉆機中成熟應用的典型代表，如德國 Bentec 公司的自動化鉆機，英國生產的 ＲAD 鉆機、英國 BP 公司與阿拉斯加技術公司研發的輕型自動化鉆井系統( LADS) 都采用*的自動化控制技術實現鉆機自動化。

智能鉆井則是自動化控制技術在鉆機系統中應用的高度體現。鉆井自動化系統具備隨著不確定環境、地面和井下數據變化實時調整司鉆參數，并進行自動送鉆。自動鉆井技術不僅要求鉆機系統具有基于計算機控制的適用性和交互式控制，同時具備數據信息的管理能力。國外關于該技術的研究較早，應用也比較成熟，比如國民油井開發的自動鉆井插件應用在鉆井服務中，能通過采集的數據分析自動優化模型和算法，還有斯倫貝謝 ( Schlumberger) 等公司也將該技術用于鉆機。國內學者及技術人員也做了大量研究工作，各鉆井公司或鉆井工藝研究單位在積累了大量的鉆井工程經驗后，開發過一些專家系統，為鉆井工藝提供施工參考，但未實現與鉆機的結合，不能達到鉆井過程的智能化和自動化。

1. 3 傳感檢測技術

傳感檢測技術是實現自動控制的關鍵，在很大程度上傳感器檢測技術的水平直接影響系統的質量。鉆機zui初使用傳感器主要用在儀表系統，進行鉆井過程的工藝參數監視，主要是各種流量傳感器和壓力變送器等。隨著鉆機控制系統的完善以及各種自動化設備在鉆機中的配套，使得各種*的傳感檢測技術在鉆機系統中得到廣泛應用，比如位移傳感器、各種編碼器、接觸及非接觸式探頭等采用超聲波、紅外線、電磁等*技術作為鉆機配套的檢測技術。鉆機配套的傳感器的接口形式也由zui初的直接電信號輸出，演變成基于 Can、AS － i、Pro-fibus 等多種現場總線技術的網絡結構，工業電視監控探頭也由zui初的模擬信號單點輸入變為現在的基于 TCP/IP 的 720P 甚至 1080P 的高清網絡攝像頭，大大提高了傳感系統的穩定性和性，同時減少了現場的布線，使用和維護更方便。

1. 4 機器人技術

機器人是集機械工程、電子、控制、計算機、傳感檢測和伺服驅動等一系列*技術的綜合應用。20 世紀后，機器人技術在鉆井裝備中也得到應用，如阿克公司的 MH 機器人運動控制系統應用于垂直排管機、折臂抓管機等管柱處理系統; HIHUISMAN系列自動化鉆機中的管柱處理系統，威德福公司的全自動機械化鉆機配套的 Iron Derrick-man等已成熟應用于海洋及陸地鉆機。

1. 5 網絡信息化技術

網絡信息化技術在鉆機中的應用也非常廣泛，包括通信電纜、光纖、無線等各種通信介質及方式用來實現鉆機各個系統及設備之間的數據交換及共享。圖 1 是寶石機械研發的鉆機集成控制系統網絡結構圖，主要分為 4 層網絡，zui低層為控制器的下一級，為現場總線層，主要是 Profibus、Can 等總線用于各控制器與傳感器和執行器之間的通信。圖中的網絡 ( 1) 和 ( 3) 采用工業以太網，是設備控制層網絡，網絡 ( 1) 主要是設備之間及服務器與各設備之間數據交換，網格 ( 3) 是工業電視監控網絡; 網絡 ( 2) 和 ( 4) 是設備監控層，負責服務器與客戶端之間的通信，各客戶端通過服務器監控鉆機設備及鉆井參數和現場視頻多媒體數據; 網絡( 5) 是廣域網，鉆機通過該網絡將數據傳回鉆井公司，同時也是鉆機在線的網絡接口。

誕生于 1999 年的物聯網技術 ( Internet of Things) 也用于鉆機系統。2012 年 6 月，石油天然氣公司 Statoil 公司的鉆井跟蹤系統 ( DOTS，Drill-ing Operations Tracking System) 使用挪威 ＲFID 公司的 Trac ID System 解決方案，即采用射頻身份識別 ( ＲFID，Ｒadio Frequency Identification) 技術記錄鉆井設備的使用數量、使用頻率及使用期，讓作業公司能更好地管理設備，優化投資，確保設備不被超期使用，同時將該技術應用于鉆井管柱的自動記錄，解決目前手動記錄過程容易出錯、耗時長、工人長期暴露危險區域及勞動強度大的問題。

每一根管柱都集成一個帶身分識別的 ID，在井口附近安裝 1 個固定式數據讀取器，接收信號范圍是500 ms，將讀取器的天線環繞在井口，能可靠讀取下入井下管柱的 ID，然后傳輸到數據庫的 DOTS 進行處理，除了自動記錄該 ID 管柱長度、質量外，還自動記錄管柱進、出井時間、在井時間及管柱總長度等信息。本地服務器還可以通過廣域網或公司的內部局域網絡將信息傳輸給 Statoil 的后端系統。

挪威的石油天然氣協會對 ＲFID 技術在鉆井現場的HSE、運輸單元、鉆井管柱、一些移動和固定設備中的應用進行了詳細描述。

1. 6 計算機集成控制技術

計算機技術發展迅猛，在各行各業應用十分普及。在電驅動引入鉆井裝備的同時，計算機技術也被引進鉆機系統，從zui初的一次儀表、機械操控開始進入 PLC 控制，到目前的工控機控制、嵌入式控制系統等計算機集成控制技術已經在鉆井裝備中廣泛應用。一般鉆井裝備采用 PLC 實現設備控制，為保證穩定及可靠性，還在很多場合采用冗余結構，如冷備份方案或直接采用冗余系統，西門子S7 － 400H 系統; 也有采用工業計算機直接參與控制，如阿克公司采用工控機配置西門子的軟 PLC( Win AC) 實現控制設備控制。根據設備的復雜程度，通常 1 個設備對應 1 臺控制器，控制器之間相互通信，實現數據共享。

隨著鉆機配置的提高，鉆機控制系統是包含控制站、視頻監控、參數監控站、操作站及數據庫服務器等多子站的計算機集成控制系統。同時配置的鉆井軟件系統也不斷更新，使鉆機的功能更完善、操作更安全、人機界面更友好、鉆井參數配置更優化，如國民油井的電子司鉆 CyberBase、阿克公司的鉆井可視系統 Drillview 等，是計算機技術成功應用的*，系統不僅集中動態顯示鉆井過程和設備的參數，同時將工業電視監控系統也集成顯示，系統具備多客戶端，通過接入局域網或者廣域網具備遠程監控功能，能在線實時查看或回看各種數據。

圖 2 為阿克公司的鉆機集成示意圖，對鉆井控制/可配置的自動鉆井系統、鉆井記錄儀、電子賬本、管柱處理、測井、連續管作業機、工業電視監控、地質評價以及二氧化碳捕獲處理系統等進行了集成管理和監控，形成有機統一的鉆井系統。

2 鉆機新技術展望

根據目前現有技術及鉆機的應用情況分析，未來有關鉆機的新技術研究及應用主要圍繞以下 4 個方面開展。

2. 1 智能鉆井

目前，雖然國外已經在鉆機上實現了自動化鉆井技術，但進行智能鉆井及大規模應用還存在一些關鍵技術需要解決和完善。智能鉆井技術主要包括隨鉆監測和決策系統的建立 2 個方面。隨鉆監測是基礎，為自動鉆井提供原始分析數據，同時也是保證鉆井安全的關鍵環節; 決策系統是關鍵，主要包括專家系統、在線建模和模型優化等。

一方面，傳感檢測技術，尤其要滿足高溫高壓的井下參數的檢測技術、電力及信號在鉆井過程的傳輸問題和決策系統的建立等將是智能鉆井的 配套技術的重要研究內容。另一方面，決策系統的研究、現場試驗及完善將是智能鉆井配套技術持續研究的內容，建議鉆機研發生產單位與鉆井作業隊伍合作，聯合鉆井工藝研究院及高校等單位，充分發揮各自在鉆井相關技術研發中的優勢，建立完善的決策系統并無縫接入鉆機系統，真正實現鉆井智能化及自動化，達到優化鉆井性能、提高鉆井效率和減少鉆臺人員的目的。

2. 2 集散控制

集散控制又稱為分散控制，是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通信、顯示和控制技術，基本思想就是集中操作、分散控制、分級管理，具有配置靈活、組態方便的特點。隨著自動化設備的日益普及，單一控制器已不能滿足鉆機的控制要求，基于多控制站協同作業、多層級網絡的集散控制系統能更好地發揮作用。在目前鉆機集成控制的基礎上，完善鉆機控制網絡，添加工程師站，為鉆機配置的更改提供柔性接口; 同時加強遠程監控能力，鉆井公司將每一臺鉆機作為 1 個設備建立統一的監控中心，組成一個基于鉆機為基本單元的鉆井監控網絡，為加強信息資源整合、鉆井工作日常管理、實現鉆井數據共享奠定基礎。

2. 3 遠程司鉆

目前鉆機操控都在井口旁邊的司鉆房，相應控制系統等都在井口附近，環境惡劣，由于井口屬于爆炸危險區域，除了對控制系統的防護防爆要求高以外，對司鉆等操作人員的人身安全也存在一定威脅。基于網絡信息通信技術、自動控制技術和視頻監控的遠程司鉆技術，將司鉆及監視中心遠離井口，對提高安全性以及降低控制系統對環境的要求有重要意義。2004 年，斯倫貝謝在英國劍橋研究中心控制了遠在 8 000 km 以外的美國得克薩斯州卡麥龍 ( Cameron) 的一口試驗井鉆機作業，這是鉆機走向自動化鉆井里程碑標志性工程之一，同時也為鉆機的遠程操控開啟了序幕。目前，制約這一應用的關鍵因素在于鉆臺機械化程度、系統的可靠性、隨機事故的處理機制和安全機制不完善，圍繞這些問題開展研究工作，進行相關技術研究，實現鉆機的遠程監視和控制亦將成為現實。

2. 4 在線故障檢測及診斷

在很多設備故障會導致重大損失的工業場合都采用在線故障診斷技術，其應用不僅可以提前發現設備故障，消除事故隱患，同時也為設備改進優化提供原始數據。石油鉆機尤其是海洋平臺鉆機在作業過程中，因設備故障停鉆會帶來重大的經濟損失甚至是重大事故，而鉆機系統是十分復雜的機械、電氣和液壓系統，設備的維護不僅工作量大，而且故障不易查找，因此在鉆機系統中集成在線故障檢測及診斷技術有重大意義。鉆機系統中的液壓及電氣控制系統主要依靠傳感檢測技術，一般根據狀態數據可直接判斷，而基于振動測試技術、計算機信息等技術和故障模式識別理論來實現對鉆機機械系統的檢測與診斷將成為鉆機系統研究的新內容。

3 結束語

每項新技術的出現到應用都要經歷適應過程，大多都在其他行業成熟應用之后，才開始應用到油氣鉆井裝備。隨著技術的進步和積累，從技術的出現再到鉆機中的應用時間間隔將越來越短，而無論是研究還是應用，國外都始終走在前列。目前國外的很多通用工業技術在鉆機上的應用都十分成熟，而這些新技術在國產鉆機中的應用很多才剛剛起步，甚至有些仍屬空白，導致鉆機市場被國外鉆機生廠商壟斷的主要原因有以下幾點:

( 1) 我國科技起步較晚，基礎比較薄弱，很多工業技術本身就滯后于國外。

( 2) 鉆機的使用環境對配套設備的要求 ( 耐候性好、防爆及防護等級高、可靠性高等) 限制了很多新技術的推廣。

( 3) 我國石油鉆井裝備制造企業的科研投入普遍不足，基礎技術開發力度不夠，大多是按合同訂單開發，被動應付市場，很少提前投資進行前沿技術或產品開發。

( 4) 出于短期生產效率和安全性的考慮，很多用戶不愿意嘗試新產品的應用及試驗，給新技術的應用和改進帶來很大難度。

( 5) 基于成本因素的考慮，一些含有*的鉆機在國內陸地不易推廣，使得鉆機生產企業缺少相關技術積累。

環境惡劣、工作載荷大、危險系數高等是鉆井作業的特點，隨著各種新技術在鉆機中的應用，鉆機將朝著自動化、智能化和信息化的方向發展，為鉆井作業降低作業強度和危險系數，提高勞動效率提供裝備保障。從長遠發展看，中石油公司將采用新技術提率，進而來降低成本，鉆井承包價格將更多地考慮裝備的技術*性和安全可靠性。

可見，加強*工業技術在鉆機中的應用十分重要，石油鉆井裝備制造企業應加大科研投入，聯合鉆井作業單位加快新技術在鉆機中的應用。