方勇，趙剛，范業(yè)群

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163000）

1 引言

目前，3000 米及以下的鉆機主要型號有ZJ30DB、ZJ30DJ、ZJ30JD、ZJ30CZ、ZJ25、ZJ20DB、ZJ15DB、ZJ15D、ZJ15JD 等，主要為機械、電動、機電混合、車裝等機型。

鉆具上下鉆臺采用小絞車吊運，管具上卸扣雖配備了液氣大鉗等半自動化工具，但仍需要人工操作，勞動強度大、自動化程度低，存在安全隱患；絞車、轉(zhuǎn)盤等配置減速箱，傳動效率低，噪聲大，易漏油；沒有實現(xiàn)鉆井液循環(huán)不落地，環(huán)保性能差；鉆機搬遷部件多，搬遷工作量大。

隨著國家能源需求的多樣性，頁巖氣、煤層氣等特殊工藝井的規(guī)模開采，以及高壓噴射、水平井、欠平衡壓力鉆井等鉆井新技術(shù)的推廣應(yīng)用，也要求采用具有更高的作業(yè)效率的自動化鉆機，以期達到縮短建井周期，降低開采成本的目的。

現(xiàn)有3000 米及以下的鉆機生產(chǎn)效率低，運行費用高，安全性能差，已成為鉆井提速、提效的瓶頸，急需進行新型3000 米自動化鉆機的研發(fā)，為3000 米鉆機的更新?lián)Q代提供備選機型，提高鉆機自動化水平，降低鉆井作業(yè)勞動強度，提高安全環(huán)保水平，滿足工程技術(shù)提速、提效的需求。

2 ZJ30 中淺井自動化鉆機的研制

2016 ～2019 年，ZJ30 中淺井自動化鉆機由大慶油田與寶石機械和中石油鉆研院共同研發(fā)，完成了國內(nèi)首部中淺井自動化鉆機的設(shè)計制造與應(yīng)用。

2.1 設(shè)計原則

保證設(shè)計的先進性、可靠性、完整性、安全性，實現(xiàn)鉆機管柱處理作業(yè)的自動化。設(shè)計適應(yīng)北方油田的環(huán)境氣候，滿足鉆機野外作業(yè)要求。主要設(shè)備具有應(yīng)急操作功能。

2.2 環(huán)境條件和HSE 要求

系統(tǒng)設(shè)計充分考慮了健康、安全、環(huán)保等因素。安全設(shè)施設(shè)計、配置合理、齊全。各報警、限位及互鎖機構(gòu)靈敏、可靠。防爆電機均采用隔爆型，防護等級IP55；傳感器均為本安、澆封或隔爆型。高空設(shè)備緊固件具備可靠的防松措施。關(guān)鍵部位設(shè)計具有斷電斷液失壓狀態(tài)保護功能。系統(tǒng)按常規(guī)鉆機使用溫度-18 ～+50℃進行設(shè)計。

2.3 確定鉆機總體方案

在充分調(diào)研國內(nèi)外鉆機前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，本著高效、節(jié)能、自動化、綠色環(huán)保的目標，針對現(xiàn)有ZJ30 鉆機在應(yīng)用中的不足，進行自動化鉆機的研發(fā)與應(yīng)用，形成完善的中淺井自動化鉆機制造與應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)鉆機設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，配置鉆井液循環(huán)不落地處理系統(tǒng)，滿足綠色環(huán)保的要求，達到最佳應(yīng)用效果，解決鉆井工作中人員勞動強度大，安全風險高的難題，提升國產(chǎn)鉆機在海內(nèi)外鉆井市場的競爭能力。

2.4 鉆機配套方案

針對我國中淺油氣勘探開發(fā)井進行ZJ30 中淺井自動化鉆機的集成應(yīng)用研究，形成了鉆機的總體配置及技術(shù)方案。ZJ30/1800DB自動化鉆機（見圖1）采用超長單根進行鉆進作業(yè)，集成頂驅(qū)、絞車、泥漿泵直驅(qū)技術(shù)，管柱自動化輸送與上卸扣技術(shù)以及idriller?司鉆控制技術(shù)，實現(xiàn)鉆井作業(yè)的自動化，可以有效提升鉆井作業(yè)安全性、降低操作人員勞動強度。

表1 鉆機主要包括子系統(tǒng)和主要設(shè)備

鉆機布局主要分為兩個區(qū)域：地面區(qū)、鉆臺區(qū)。

空氣凈化處理設(shè)備如空氣凈化器、光觸媒、活性炭、定量活性氧技術(shù)等都可以有效去除苯、甲醛、胺等有毒氣體，殺滅細菌病毒，凈化車內(nèi)空氣，快速實現(xiàn)車內(nèi)空氣純凈、清新，保障駕乘人員健康。

地面區(qū)設(shè)備主要包括：液壓排管架、動力貓道、輸送機械手、液壓站、泥漿泵等設(shè)備。動力貓道擺放在大門坡道處，可以完成管柱在排管架與輸送機械手之間的輸送；液壓排管架擺放在動力貓道兩側(cè)，用于排放管柱，實現(xiàn)管柱的自動滾入/滾出；輸送機械手臥放在動力貓道內(nèi)，可以將管柱直接遞送到井口中心；液壓站布置在鉆臺底座后側(cè)低位，為整部鉆機提供的液壓動力源；泥漿泵等固控設(shè)備布置在鉆機底座的右后側(cè)，實現(xiàn)鉆井泥漿的循環(huán)和處理。

圖1 ZJ30 中淺井自動化鉆機整體布局圖

鉆臺區(qū)設(shè)備主要包括底座、井架、天車、鐵鉆工、頂驅(qū)、液壓吊卡、動力卡瓦、液壓吊卡、司鉆控制房等。底座為整部鉆機的基礎(chǔ)，在井場的正中間，其上有井架，鐵鉆工軌道固定在鉆臺井口后側(cè)，用在完成管柱下端的上卸扣作業(yè)；頂驅(qū)軌道安裝在井架左右立柱上；動力卡瓦固定在鉆臺面井口中心處，可以懸持井下管柱；液壓吊卡安裝在吊環(huán)上，可以提升管柱；司鉆控制房安裝在鉆臺面井口左側(cè)，按雙司鉆設(shè)計，實現(xiàn)對鉆機的智能化控制和遠程監(jiān)控。

液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)隨各部件安裝在不同的區(qū)域。

鉆機采用單根進行鉆進作業(yè)，并配套了舉升式管柱自動化處理系統(tǒng)，其自動化程度和作業(yè)安全性帶來很大的提升，大大減少作業(yè)人員。按照不同的鉆井作業(yè)模式，對常規(guī)鉆機和應(yīng)用管柱自動化系統(tǒng)作如下對比分析：

表2 常規(guī)鉆機和應(yīng)用管柱自動化系統(tǒng)鉆機對比分析表

根據(jù)各種作業(yè)工況分析，使用管柱自動化處理系統(tǒng)進行作業(yè)時，鉆臺面只需要2 名鉆工（含主司鉆、機具操作手）即可完成作業(yè)。

2.5 ZJ30 自動化鉆機的研制

（1）鉆機總體結(jié)構(gòu)原理。ZJ30/1800DB 鉆機采用工業(yè)網(wǎng)電（或發(fā)電機組）作為主動力，經(jīng)變頻單元（VFD）驅(qū)動交流變頻電機帶動絞車、頂驅(qū)及鉆井泵工作。井架采用前開口兩節(jié)伸縮式結(jié)構(gòu)，底座為高低臺組合結(jié)構(gòu)，高臺采用液缸直立起升。鉆機配抓舉式管柱自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)管柱輸送、上卸扣的自動化作業(yè)。

（2）鉆機傳動機構(gòu)。簡化機械傳動機構(gòu)，頂驅(qū)、絞車、鉆井泵等設(shè)備采用電機直驅(qū)技術(shù)。

絞車傳動流程圖：動力系統(tǒng)→電動機→聯(lián)軸器→絞車滾筒軸。

鉆井泵傳動流程圖：動力系統(tǒng)→電動機→聯(lián)軸器→鉆井泵。

絞車、鉆井泵、頂驅(qū)采用電動機直接驅(qū)動，一對一控制或一對二控制。絞車采用1×630kW 交流變頻電動機經(jīng)鼓形齒式聯(lián)軸器直接驅(qū)動滾筒軸；鉆井泵采用2×600kW 交流變頻電動機直接驅(qū)動齒輪軸；頂驅(qū)裝置采用1×420kW 交流變頻電動機直接驅(qū)動主軸。

（3）鉆機主體結(jié)構(gòu)。井架采用前開口兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，后倒起放，三級液缸起升，上段伸縮依靠絞車提升游吊系統(tǒng)及大繩實現(xiàn)；底座為高低臺組合，高臺采用液缸直立起升。無立根臺，取消二層平臺；取消轉(zhuǎn)盤驅(qū)動、大小鼠洞、氣動絞車等設(shè)備。底座下設(shè)軌道式平移系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆機整體平移。

（4）抓舉式管柱自動化系統(tǒng)。管柱處理系統(tǒng)主要由動力貓道、管柱輸送機械手、鐵鉆工、動力泥漿盒、動力吊卡等組成。通過貓道排管架將水平放置管柱送入管柱輸送機械手，由管柱輸送機械手將管柱直接遞送到井口，進行安全、高效鉆井作業(yè)。

（5）控制系統(tǒng)。按照自動化鉆機安裝工藝和鉆井工藝，所有控制設(shè)計集成化，實現(xiàn)各設(shè)備協(xié)調(diào)、統(tǒng)一、安全控制。通過電氣液一體化自動控制技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)iDriller 司鉆集成控制系統(tǒng)的集成化、自動化、信息化，保證鉆機所有遠控設(shè)備的集成協(xié)調(diào)操作和信息化統(tǒng)一管理。液壓系統(tǒng)采用負載敏感系統(tǒng)，一臺集成液壓站滿足鉆機起升、移運及頂驅(qū)、動力貓遭、輸送機械手、鐵鉆工、吊卡、液壓隨車吊等所有液壓設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

2.6 鉆機配套技術(shù)規(guī)范

2.6.1 鉆機主要設(shè)備參數(shù)

名義鉆井深度(φ114mm 鉆桿)：3000m；最大鉤載：1800kN；游動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：5×6；絞車額定功率：630kW；鉆井泵型號及數(shù)量：F-1300×1；井架形式：K 型，兩節(jié)伸縮式井架；井架有效高度：28m；鉆臺高度：5m，3.3m；電傳動方式：AC-DC-AC；適用最大管柱規(guī)格：鉆桿6-5/8″鉆鋌8″套管13-3/8″；適應(yīng)管柱長度范圍：8 ～13.5m。

2.6.2 管柱處理系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

輸送管柱長度范圍：8 ～13.5m；輸送最大管柱重量：20kN；輸送管柱直徑范圍2-7/8″～13-3/8″；最大卸扣扭矩：100kN·m；動力泥漿盒適用管柱范圍：2-7/8〞～7〞；氣動卡瓦適用管柱范圍：2-7/8〞～7〞；DDZ-Y7-250 液壓吊卡適用管柱范圍：2-7/8〞～7〞；DDZ-Y13 3/8-250 液壓吊卡適用管柱范圍8〞～13-3/8〞；鐵鉆工夾持范圍：鉆桿：2-7/8〞～5-1/2〞；鉆鋌：6〞～9〞；套管：4〞～13-3/8〞。

3 ZJ30 中淺井自動化鉆機的應(yīng)用

ZJ30 中淺井自動化鉆機非常適合在鉆深3000 米以內(nèi)的鉆井作業(yè)中使用，鉆機于2019 年3 月14 日運到某油田鉆井隊安裝調(diào)試，2019 年4 月13 日開始打第一口井，經(jīng)過工業(yè)性現(xiàn)場試驗，通過了安全評估檢測，應(yīng)用效果良好，受到工人的歡迎。

圖2 雙司鉆集中控制室

圖3 ZJ30 中淺井自動化鉆機現(xiàn)場應(yīng)用

ZJ30 中淺井自動化鉆機與原同規(guī)格的常規(guī)鉆機相比，綜合指標有很大提高。鉆機應(yīng)用了中淺井管柱自動化處理技術(shù)、司鉆集中控制技術(shù)和絞車、頂驅(qū)、鉆井泵“三直驅(qū)”技術(shù)等，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，方便搬運安裝，降低作業(yè)強度，鉆機安全環(huán)保性能好。

通過ZJ30 中淺井自動化鉆機自動管柱輸送處理系統(tǒng)與雙司鉆集中控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，減少了鉆井鉆臺作業(yè)人數(shù)，降低工人勞動強度，取消高空作業(yè)，保障操作人員人身安全，提高鉆井效率，滿足鉆井HSE 要求，為大慶油田的鉆井發(fā)展提供裝備保障。

4 結(jié)語

中淺井鉆機管柱自動化處理技術(shù)、雙司鉆集中控制技術(shù)的應(yīng)用，降低了鉆井勞動強度，提高了安全環(huán)保水平，減少了作業(yè)人數(shù)，為中淺井鉆井工程提供了裝備保障，為未來中淺井鉆機的改進提供了新思路。