常 飛

（川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司川慶70212 隊，重慶 404100）

0 引言

在中國石油集團(tuán)公司“十二五”重大項目支持下，川慶鉆探和寶石機械共同研制了懸持式管柱處理自動化鉆機。該鉆機配有自動輸送管柱的動力貓道、懸持管柱的自動井架工、翻轉(zhuǎn)液壓吊卡、自動上卸扣裝置的鐵鉆工等管柱處理裝置。2015 年5 月開始在磨溪109 井第一口井工業(yè)試驗，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗證，基本能滿足使用要求，初步達(dá)到預(yù)期試驗?zāi)康摹?016 年8 月，經(jīng)過機械技術(shù)升級及設(shè)備改進(jìn)，設(shè)備故障率進(jìn)一步降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計介紹

鉆機采用懸持式管柱自動化處理系統(tǒng)，配套鋼絲繩拉升式動力貓道和緩沖機械手實現(xiàn)鉆桿從地面到鉆臺自動輸送；伸縮臂式鐵鉆工實現(xiàn)鉆桿和鉆鋌的自動上卸扣操作；自動井架工和液壓翻轉(zhuǎn)吊卡實現(xiàn)二層臺無人值守槽。配套的設(shè)備結(jié)構(gòu)新穎、安全性好，實現(xiàn)了管柱從排管架到鉆臺面及二層臺全過程自動化操作作業(yè)[2]。ZJ70DB56 懸持式管柱自動化鉆機布局如圖1 所示。

1.2 工作原理

圖1 鉆機管柱系統(tǒng)布局

自動化鉆機管柱處理過程主要由管柱自動輸送系統(tǒng)、建立根自動處理系統(tǒng)、立柱自動排放系統(tǒng)組成。管柱自動輸送系統(tǒng)通過動力貓道將鉆桿或鉆鋌從地面自動輸送至鉆臺面；建立根自動處理系統(tǒng)將動力貓道輸送到鉆臺的鉆桿通過液壓吊卡和鐵鉆工自動上卸扣實現(xiàn)單根管柱連接成立根或?qū)⒘⒏鹦冻蓡胃涣⒅詣优欧畔到y(tǒng)采用懸持式自動井架工懸持管柱實現(xiàn)管柱在二層臺指梁與井口之間的移動。司鉆采用雙司鉆集成控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備在司鉆房遠(yuǎn)程智能控制。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

2.1 動力貓道

動力貓道（圖2）采用液壓驅(qū)動鋼絲繩拉升形式，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動完成貓道送鉆柱裝置運送鉆桿至鉆臺面，動力貓道兩側(cè)配有管柱踢出和傾斜機構(gòu)，采用液壓油缸驅(qū)動方式，實現(xiàn)管柱進(jìn)入或送出貓道自動化。動力貓道具有3 種操作模式，分別是本地操作臺操作、遠(yuǎn)程無線遙控盒、遠(yuǎn)程司鉆房控制。

2.2 鐵鉆工

圖2 動力貓道

伸縮臂式鐵鉆工（圖3），伸縮臂式鐵鉆工占用鉆臺面面積小，利用電控液技術(shù)，通過編程實現(xiàn)鉆桿的自動上卸扣功能。相比常規(guī)的液氣大鉗，鐵鉆工更加自動化、智能化，使鉆工遠(yuǎn)離井口，提高人員安全性。鐵鉆工具有3 種操作模式且相互鎖定，分別為遠(yuǎn)程無線遙控操作、司鉆房集中控制和本地應(yīng)急操作。

圖3 鐵鉆工

2.3 液壓吊卡

液壓吊卡（圖4）具有常規(guī)吊卡所有功能的同時，增加了吊卡翻轉(zhuǎn)功能，利用電控液技術(shù)驅(qū)動油缸實現(xiàn)吊卡的開合、翻轉(zhuǎn)功能。液壓吊卡與頂驅(qū)共用液壓源，在司鉆房實現(xiàn)吊卡的遠(yuǎn)程控制。

圖4 液壓翻轉(zhuǎn)吊卡

2.4 自動井架工

自動井架工（圖5）采用液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，液缸推動四邊形傾斜臂變幅，整體安裝在氣動指梁二層臺上，由操作臺、回轉(zhuǎn)裝置、傾斜臂、伸縮臂、調(diào)垂油缸、夾持鉗、扶持鉗和鉆具檢測裝置以及電液控制系統(tǒng)等組成?；剞D(zhuǎn)裝置控制自動井架工所夾持鉆柱的旋轉(zhuǎn)并作為設(shè)備的安裝固定基礎(chǔ)。傾斜臂、調(diào)節(jié)裝置和伸縮臂控制自動井架工夾持鉆柱后移送至指定位置。夾持鉗、扶持鉗和鉆具檢測裝置用于檢測、夾持和扶正鉆柱。自動井架工采用PLC 程序控制，利用編碼器和位移傳感器實時檢測，實現(xiàn)安全互鎖，并確保立根排放精確定位。

圖5 自動井架工

2.5 司鉆集成控制系統(tǒng)

懸持式管柱自動鉆機配套遠(yuǎn)程電子雙司鉆集成控制系統(tǒng)（圖6），司鉆房遠(yuǎn)程實現(xiàn)鉆機電氣傳動、液壓系統(tǒng)、氣動控制、鉆井儀表等設(shè)備的集中控制和信息顯示。雙司鉆集成控制系統(tǒng)具有設(shè)備運動軌跡規(guī)劃、安全管控系統(tǒng)、防碰撞管理及后臺數(shù)據(jù)記錄等功能，大大提高了司鉆操作的自動化、智能化水平。

圖6 雙司鉆集成控制系統(tǒng)

3 應(yīng)用效果

3.1 鉆井工藝現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計

懸持式管柱自動化鉆機累計施工作業(yè)3 口井，正在進(jìn)行第4口井工業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)場試驗表明，懸持式管柱自動化鉆機能夠滿足鉆井工藝和安全生產(chǎn)的需求，可實現(xiàn)管柱的自動輸送、自動上卸扣和自動排放等功能，降低了勞動強度。各井基本數(shù)據(jù)見表1。

3.2 設(shè)備可靠性分析

懸持式管柱自動化鉆機設(shè)備布局合理，具有軌跡導(dǎo)向、一鍵操作、運動防碰、安全互鎖、故障智能診斷等功能，實現(xiàn)了鉆機自動化安全作業(yè)，達(dá)到了國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。經(jīng)過機械技術(shù)升級和不斷改進(jìn)，設(shè)備可靠性大幅度提高，故障率逐步降低，故障停工率1.99%。各井停工檢修統(tǒng)計見表2。

表1 各井基本數(shù)據(jù)

表2 各井停工檢修統(tǒng)計

磨溪109 井故障主要表現(xiàn)為自動井架工不能夾持8 英寸和9 英寸鉆鋌；自動模式回轉(zhuǎn)和傾斜復(fù)合動作時抖動較大；內(nèi)置伸縮傳感器故障；鐵鉆工旋扣鉗液壓馬達(dá)和滾輪頻繁損壞。磨溪X211 井故障主要為新增加伸縮油缸外置編碼器后，操作畫面上紅色坐標(biāo)亂跳，系統(tǒng)頻繁提示進(jìn)入測試模式，無法操作，取消外置編碼器接線后故障恢復(fù)；液壓吊卡打開關(guān)閉油缸活塞桿斷裂。高石001-X12 井故障主要為自動井架工夾持鉗油缸連接螺栓斷，無法打開；夾持鉗油缸漏油；回油管線接頭虛接，縮回?zé)o動作，夾持英寸鉆桿移動時下滑。高石126 井故障主要為自動井架工油缸內(nèi)置傳感器插接件電纜松動，導(dǎo)致無法操作；扶正鉗管線漏油；氣動指梁卡板部分不能打開；鐵鉆工上、下鉗支點臂斷裂。

3.3 起下鉆時效

隨著設(shè)備可靠性逐步提高，在安全井段下，實際起下鉆桿能達(dá)到18 柱/h，最快時能達(dá)到22 柱/h，和常規(guī)電動鉆機基本持平。

3.3 應(yīng)急處理及系統(tǒng)安全冗余功能

懸持式立根排放系統(tǒng)在現(xiàn)場鉆井過程中會出現(xiàn)故障，如設(shè)備功能短時不能恢復(fù)時，應(yīng)迅速使用設(shè)備的應(yīng)急處理功能或其他應(yīng)急措施，控制設(shè)備離開井口區(qū)域或干涉作業(yè)區(qū)域，將吊卡扣合鉆具，接頂驅(qū)開通泥漿泵上下活動鉆具，最大限度地消減鉆井作業(yè)風(fēng)險。設(shè)備故障處理通常按照以下流程進(jìn)行：①用司鉆控制座椅遠(yuǎn)程控制，恢復(fù)故障設(shè)備至初始狀態(tài)或安全作業(yè)狀態(tài)；②用設(shè)備的本地操作臺或控制閥手動換向按鈕控制設(shè)備進(jìn)行單動作，恢復(fù)故障設(shè)備至初始狀態(tài)或安全作業(yè)狀態(tài)；③直接拆除液壓管線或控制閥，使相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)泄壓，人工恢復(fù)設(shè)備至初始狀態(tài)或安全作業(yè)狀態(tài)。系統(tǒng)應(yīng)急處理及安全功能見表3。

4 改進(jìn)建議

4.1 鐵鉆工旋扣鉗

現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，鐵鉆工旋扣鉗滾輪與鉆桿在滾動摩擦?xí)r造成鉆桿損傷等問題，建議通過實驗不同硬度或材質(zhì)的滾輪，減少對鉆桿的損傷。鐵鉆工在大扭矩上卸扣過程中出現(xiàn)夾緊力過大、造成鉗牙壓潰或鉆桿咬傷等現(xiàn)象，建議對于不同類型鉆桿增加自動調(diào)節(jié)夾緊力功能，防止應(yīng)夾緊力過大造成鉆桿損傷。

4.2 指梁可靠性

氣動指梁包括230 個鉆桿指梁，8 個鉆鋌指梁，每個指梁都由單獨的氣缸控制，立根在該行進(jìn)出時，之前的卡板需要全部打開關(guān)閉，造成卡板銷軸退出、固定螺栓松動，氣缸及氣管線磨損，設(shè)備的可靠性大大降低，而且高空維修難度較大，增加作業(yè)風(fēng)險，建議在設(shè)計上重新考慮指梁的可靠性及可維護(hù)性。

4.3 自動井架工工作模式

通過4 口井的現(xiàn)場應(yīng)用，起下鉆中鉆桿占據(jù)很大比例，尤其是井深達(dá)到5500 m 以上時，井內(nèi)鉆具結(jié)構(gòu)大部分是4 英寸及以下鉆桿，8 英寸和9 英寸鉆鋌在3000 m 作業(yè)前一般是各兩柱。隨著井下工具螺桿和鉆頭新工具應(yīng)用越來越成熟，上部井段鉆井提速效果非常明顯，起下鉆次數(shù)顯著降低，夾持大鉆鋌的總作業(yè)時間相對很短，懸持式立根排放系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越不明顯。而且懸持式立根排放系統(tǒng)二層臺組裝繁瑣，和普通二層臺相比，要多近1 天的安裝時間。建議排放鉆桿時采用懸持模式,提高設(shè)備自動化程度的同時,還保證設(shè)備的穩(wěn)定性，提高設(shè)備的使用效率；排放大鉆鋌時采用推扶模式，不承受立根重力載荷，可改善并架的承載受力狀況，充分發(fā)揮設(shè)備的能力。

4.4 集成司鉆控制系統(tǒng)

集成司鉆系統(tǒng)采用分體式布置，主機安裝在司鉆偏房，電腦顯示器位于司鉆房，該方式在信號傳輸時出現(xiàn)中斷和丟數(shù)據(jù)包現(xiàn)象，通過優(yōu)化設(shè)計后采用一體機替代原有方案，在司鉆房應(yīng)用一體機減少中間環(huán)節(jié)，降低故障率，有效提高集成司鉆系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.5 信息化遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

隨著鉆機自動化技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，建議通過AI 技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化通信方式及信息技術(shù)實現(xiàn)鉆機控制的遠(yuǎn)程化、集群化、智能化作業(yè)，最終實現(xiàn)井場危險區(qū)域無人化作業(yè)。