劉慶豐

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州434024）

1 引言

用高性能、高自動(dòng)化程度的設(shè)備裝備鉆機(jī)提高鉆井作業(yè)效率及鉆機(jī)整體自動(dòng)化水平，將操作人員從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來成為了當(dāng)今自動(dòng)化鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。自動(dòng)化鉆機(jī)配備的管柱處理系統(tǒng)是一套由多種裝置聯(lián)合作業(yè)、模仿人工操作步驟、多工種有序銜接、規(guī)范化傳輸運(yùn)送、一體化集中控制的智能化系統(tǒng)，石油鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了管柱（鉆桿、油管、鉆鋌、套管）從堆場(chǎng)到鉆臺(tái)、直至二層臺(tái)全過程自動(dòng)化控制操作。國內(nèi)陸地鉆機(jī)已陸續(xù)開始配置管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)。目前國內(nèi)海洋移動(dòng)平臺(tái)均配備了自動(dòng)化程度高的管柱處理系統(tǒng)，但管柱處理系統(tǒng)基本被國外制造商所壟斷，而海洋固定式平臺(tái)鉆機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)的程度還很低，尤其是管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)更是空白。

海洋固定平臺(tái)鉆修機(jī)常年矗立于鉆采平臺(tái)，一套鉆修機(jī)不僅要具備鉆井功能，還要兼顧修井功能。鉆井和修井的作業(yè)工況會(huì)有所不同，另外受平臺(tái)空間的限制，管柱拋接會(huì)存在多個(gè)方向，加上作業(yè)環(huán)境惡劣等因素，管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)必需結(jié)合海洋固定平臺(tái)鉆修機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)而研制。

2 主要結(jié)構(gòu)組成

管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要包括動(dòng)力二層臺(tái)、導(dǎo)向定位裝置、二層臺(tái)機(jī)械手、鐵鉆工、動(dòng)力鼠洞、集成控制系統(tǒng)等。

2.1 動(dòng)力二層臺(tái)

動(dòng)力二層臺(tái)主要由主支撐結(jié)構(gòu)、活動(dòng)指梁排、指梁門閂、大門門閂、控制閥組等組成，如圖1所示。

由于海洋鉆井和修井時(shí)的管柱直徑不一樣，因此，二層臺(tái)的指梁能適應(yīng)規(guī)格2 3/8"油管到5 7/8"鉆桿的排放，采用司鉆房控制可實(shí)現(xiàn)指梁間距自動(dòng)可調(diào)。指梁采用雙指梁排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大能排放5 7/8"規(guī)格的鉆桿。指梁排按照鉆桿的排放要求布置，每個(gè)指梁可以分別調(diào)節(jié)，通過指梁的調(diào)整可滿足同時(shí)排放不同規(guī)格的管柱需要。指梁排中預(yù)留有管柱排放緩沖區(qū)，用來排放不滿一排的管柱，保障管柱在大風(fēng)惡劣天氣的管柱安全。每個(gè)活動(dòng)指梁上都有門閂，整個(gè)二層臺(tái)配有大門門栓和鉆鋌門閂，均能全自動(dòng)開閉，保證作業(yè)安全，減少司鉆操作帶來的失誤風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 動(dòng)力二層臺(tái)

2.2 導(dǎo)向定位裝置

導(dǎo)向定位裝置除不具備頂驅(qū)，能提供旋轉(zhuǎn)扭矩外，具備與頂驅(qū)類似的其他與自動(dòng)化排管相關(guān)的全部功能。液壓吊卡與導(dǎo)向定位裝置作為自動(dòng)排管系統(tǒng)的特殊游動(dòng)部分，由導(dǎo)向定位裝置、吊環(huán)和液壓吊卡三部分組成。

導(dǎo)向定位裝置吊裝在大鉤下方，由本體、導(dǎo)軌、放置裝置、液壓吊卡與導(dǎo)向定位裝置集成控制系統(tǒng)四部分組成。導(dǎo)向定位裝置通過導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，保證液壓吊卡的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)，同時(shí)配備放置裝置。

導(dǎo)軌安裝在井架上，為導(dǎo)向定位裝置本體提供導(dǎo)向定位支撐，同時(shí)提供一定的抗旋轉(zhuǎn)扭矩支撐。放置裝置是導(dǎo)向定位裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝與放置機(jī)構(gòu)，具備放置導(dǎo)向定位裝置和移動(dòng)導(dǎo)向定位裝置兩種功能。導(dǎo)向定位裝置如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向定位裝置

2.3 二層臺(tái)機(jī)械手

二層臺(tái)機(jī)械手主要用于管柱的抓取與排放，采用推扶式、懸掛結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)、移動(dòng)、手臂伸縮及鉗頭夾持，如圖3所示。

圖3 二層臺(tái)機(jī)械手

2.4 鐵鉆工

鐵鉆工是鉆修井作業(yè)時(shí)進(jìn)行鉆桿、油管、鉆鋌等上卸扣作業(yè)的自動(dòng)化工具，如圖4所示。

海洋鉆修機(jī)通常兼顧鉆井和修井作業(yè)，鐵鉆工必須適應(yīng)油管到鉆桿不同管徑的管柱不同扭矩要求。鐵鉆工的各執(zhí)行部件的液壓壓力采用電控壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)管柱類型與直徑，自動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊力和沖扣與旋扣扭矩，保證管柱安全和減少對(duì)管柱的損傷。

圖4鐵鉆工（單位：mm）

2.5 動(dòng)力鼠洞

動(dòng)力鼠洞是石油天然氣鉆修井作業(yè)進(jìn)行管柱自動(dòng)化處理的配套工具，如圖5所示。動(dòng)力鼠洞由管柱對(duì)中機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)座三部分組成?？梢詩A持和定位規(guī)定范圍內(nèi)任意直徑和長度的管柱；在配合鐵鉆工使用時(shí)，可以減少副司鉆在鐵鉆工對(duì)準(zhǔn)管柱中心時(shí)的操作次數(shù)，從而提高鐵鉆工接管柱的效率，增加了生產(chǎn)過程中的安全性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5 動(dòng)力鼠洞

2.6 集成控制系統(tǒng)

管柱處理系統(tǒng)由副司鉆在司鉆房通過控制面板上的手柄、旋鈕開關(guān)、按鍵開關(guān)等對(duì)管柱處理系統(tǒng)配套的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行控制。管柱處理系統(tǒng)所有自動(dòng)化部件的邏輯判斷與控制均由集成控制系統(tǒng)完成。通俗點(diǎn)講，管柱處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管柱處理系統(tǒng)在作業(yè)中的安全，電控系統(tǒng)配合對(duì)提升系統(tǒng)的控制，保證作業(yè)安全。

管柱處理系統(tǒng)與電控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)采用簡單的無源節(jié)點(diǎn)信號(hào)通訊，即管柱處理系統(tǒng)給電控系統(tǒng)需要絞車剎車時(shí)的信號(hào)，電控系統(tǒng)給管柱系統(tǒng)絞車反饋信號(hào)。這樣提高了不同控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的效率，降低了系統(tǒng)之間不兼容造成的故障率，同時(shí)提高了作業(yè)安全。

3 應(yīng)用情況

四機(jī)公司集成配套的管柱處理系統(tǒng)于2020-11-13在渤海灣錦州25-1油田WHPB平臺(tái)首次得到應(yīng)用，截至2021-02-23，已進(jìn)入第3口井的鉆進(jìn)，總進(jìn)尺深度8 950 m，基本實(shí)現(xiàn)了二層臺(tái)的無人化作業(yè)。經(jīng)過3口井的考驗(yàn)，管柱處理系統(tǒng)整體運(yùn)行情況良好。四機(jī)公司根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題和用戶建議也在不斷優(yōu)化和改進(jìn)，取得了顯著的效果。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)目前存在的主要問題是二層臺(tái)機(jī)械手和鐵鉆工作業(yè)效率沒有達(dá)到人工的作業(yè)效率。機(jī)械手從液壓吊卡抓取管柱到旋轉(zhuǎn)到二層臺(tái)安全區(qū)域，游車開始下放所用平均時(shí)間為35 s。機(jī)械手從二層臺(tái)抓取管柱到完全交接給液壓吊卡并回到等待區(qū)域所有平均時(shí)間為63 s。人工排放管柱所用平均時(shí)間為45 s，鐵鉆工旋扣所有平均時(shí)間為80 s，人工采用鉆桿鉗旋扣所有平均時(shí)間為60 s。機(jī)械手排管和鐵鉆工上扣分別如圖6和圖7所示。

圖6 機(jī)械手排管

圖7 鐵鉆工上扣

4 結(jié)論

國內(nèi)鉆井裝備在自動(dòng)化和智能化方面得到了高速發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，尤其是陸地鉆機(jī)的管柱處理系統(tǒng)也逐步在完善，而適用于海上作業(yè)工況的國產(chǎn)化自動(dòng)化設(shè)備還在起步階段，但借鑒陸地鉆機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)海上固定平臺(tái)應(yīng)用，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，相信未來幾年管柱處理系統(tǒng)在海洋鉆修機(jī)上的運(yùn)行會(huì)越來越成熟。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，建議管柱處理系統(tǒng)著重以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：①提高各自動(dòng)化部件傳感器的檢測(cè)精度，適用海洋環(huán)境工況；②分析海洋鉆修機(jī)所有作業(yè)工況，進(jìn)一步完善導(dǎo)向定位裝置的結(jié)構(gòu)，滿足作業(yè)需求，提高作業(yè)效率；③動(dòng)力二層臺(tái)指梁為非全指梁門栓，改進(jìn)指梁結(jié)構(gòu)避免大風(fēng)作業(yè)時(shí)，鉆桿滑出指梁的風(fēng)險(xiǎn)；④解決鐵鉆工在旋扣5 7/8"鉆桿時(shí)打滑問題，旋轉(zhuǎn)扭矩需達(dá)到85 kN·m；⑤進(jìn)一步不僅要增加自動(dòng)化程度，同時(shí)要降低系統(tǒng)故障率。