白丙建，張 洪 ，王耀華，趙亮亮，邢廣亮

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002； 2.中國石油川慶鉆探工程有限公司， 成都 610056)

隨著石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是近幾年管柱自動化系統(tǒng)在陸地鉆機上的大量應用，鉆機作業(yè)的安全性顯著提高，工人勞動強度明顯降低，鉆井效率也得到了一定的提升。然而，采用立根鉆進的中深井鉆機必不可少的建立根作業(yè)，仍然需要占用鉆井時間或人力操作，影響效率。目前，我國陸地鉆機建立根通常采用2種方式：①鉆井開始之前通過占用井口的方式提前建好本次鉆深所需的立根，可以配套常規(guī)風動絞車，亦可配套管柱自動化系統(tǒng)。這種方式建立根需要占用井口，建立根和鉆井不能同時進行，需要額外的建立根作業(yè)時間，工作效率低[1-5]；②采用雙小鼠洞以及鉆臺上左、右2臺風動絞車配合實現(xiàn)離線建立根。這種方式雖然不占用井口，減少了作業(yè)等待時間，但需要多人配合，自動化程度低，操作較繁瑣[6-7]。

本文通過對國內(nèi)外陸地自動化鉆機離線建立根系統(tǒng)的介紹和技術(shù)性能的分析，指出各種離線建立根系統(tǒng)在鉆機上的配套適應性及關(guān)鍵技術(shù)，并提出幾點建議。

1 國內(nèi)外陸地鉆機離線建立根系統(tǒng)

離線建立根系統(tǒng)一般融合在鉆機管柱自動化系統(tǒng)中，即鉆井管柱自動化處理系統(tǒng)具備離線建立根功能，是技術(shù)含量較高的產(chǎn)品。國外具有代表性的離線建立根自動化鉆機有德國海瑞克(HerrenknechtAG)公司的TI-350型自動化鉆機[8]、意大利Drillmec公司的AHEAD(Advanced Hydraulic Electrical Automated Driller)鉆機、美國斯倫貝謝公司(Schlumberger)的未來鉆機。國內(nèi)具備離線建立根功能的鉆機有中曼石油裝備集團有限公司的陸地離線作業(yè)鉆機，以及依托中石油項目的寶雞石油機械有限責任公司與川慶鉆探工程有限公司聯(lián)合研發(fā)的新一代7 000 m自動化鉆機。

TI-350型自動化鉆機，采用兩單根一立柱進行鉆井作業(yè)，井架沒有常規(guī)鉆機的二層臺，立根水平存放在地面上的鉆桿盒內(nèi)，如圖1所示。該鉆機共配有6套管柱處理設備，主要包括用于離線建立根的水平擰扣機、地面行車、鉆桿盒和用于鉆進作業(yè)的貓道、抓管機械手、鐵鉆工。在鉆井作業(yè)的同時，地面行車將2根單根管柱分別吊運并放置在地面的水平擰扣機上，待上扣完成后，再由地面行車將連接好的立根吊至鉆桿盒內(nèi)水平存放。在鉆井需要時，地面行車將立根從鉆桿盒吊運至井口正前方的貓道上，再由安裝在底座前側(cè)的抓管機械手將貓道上的立根直接輸送到井口中心，最后由鉆臺面的鐵鉆工完成立根與井中管柱的連接。該套管柱系統(tǒng)配套較少設備，實現(xiàn)了離線建立根，其抓管機械手因為需要抓取長約19 m的兩單根立柱，機械手自身長度達17.4 m、質(zhì)量達35 t。在起下鉆時每柱立根均需在鉆臺與地面間來回輸送，使用頻率很高，負載較大，能耗高，完成1個立根的起下鉆時間較長[9]。

圖1 TI-350鉆機

AHEAD鉆機也采用兩單根一立柱進行鉆井作業(yè)，井架無二層臺，立根低位豎直存放在鉆機底座右前側(cè)的地面立根架內(nèi)，如圖2所示。該鉆機配套的管柱處理設備包括吊運單根的地面行車、翻轉(zhuǎn)機械手、可伸縮鼠洞、動力鉗、鐵鉆工、立根架、安裝在立根架體上的柱式排管機械手及扶管機械手和輔助吊機等。鉆機在鉆進作業(yè)的同時，水平行車將單根管柱吊運至翻轉(zhuǎn)機械手正下方，翻轉(zhuǎn)機械手依次將2根單根管柱由水平位置送至鉆臺前側(cè)的豎直的可伸縮鼠洞內(nèi)，并由動力鉗完成上扣，再由排管機械手將連接好的立根輸送至底座右前側(cè)的立根架內(nèi)存放。鉆井需要時，先由排管機械手將立根從立根架內(nèi)取出，移送至鼠洞位置，并由扶管機械手扶持立根上端，頂驅(qū)前傾，使中心管與立根上端連接后，再由頂驅(qū)上提立根到鉆臺面并移送到井口，由鐵鉆工完成立根下端與井中管柱的連接。該套管柱系統(tǒng)配套設備較多，其中安裝在立根架頂部的輔助吊機只用于處理鉆鋌立根，不參與鉆桿立根的建立。

圖2 AHEAD鉆機

未來鉆機采用三單根一立柱進行鉆井作業(yè)，立根低位豎直存放在鉆機底座正前方的地面上，如圖3所示。該鉆機共配套管柱處理設備13套，主要包括動力貓道、提管機械手、分別用于井口和離線建立根上卸扣的2套鐵鉆工、分別用于井架左右前側(cè)立根排放的2套橋式排管機械手和2套扶正臂等。該鉆機在鉆進作業(yè)的同時，動力貓道依次輸送三根單根管柱上鉆臺，安裝在井架前側(cè)的提管機械手上提單根，送至鉆臺前側(cè)的可伸縮鼠洞中并完成上扣，再由二層臺上的排管機械手將連接好的立根輸送至底座正前方的地面立根臺上存放。鉆井需要時，先由排管機械手移送立根至交接位置交給提管機械手，再由提管機械手上提立根到鉆臺面，并移送到井口。

圖3 未來鉆機

中曼石油的陸地離線作業(yè)鉆機采用兩單根一立柱進行鉆井作業(yè)，立根低位豎直存放在鉆機底座正前方的地面上，如圖4所示。該鉆機配套的管柱處理設備包括自動鉆桿盒、自動貓道、自動鼠洞、管柱提升機、分別用于離線建立根和井口的鐵鉆工、排管機械手、扶正臂等。鉆機在鉆進作業(yè)的同時，自動鉆桿盒將單根運至自動貓道，再由自動貓道依次將2根單根輸送到具有夾持和升降功能的自動鼠洞中，由管柱提升機、鐵鉆工配合連接成立根，再由貓道上方的排管機械手將連接好的立根輸送至管柱彈夾存放。鉆井需要時，先由排管機械手移送立根并交給管柱提升機。管柱提升機將立根提升至鉆臺面，在扶正臂共同作用下將立根移送至井口[10]。

圖4 中曼公司的陸地離線作業(yè)鉆機

寶石機械的7 000 m自動化鉆機采用三單根一立柱進行鉆井作業(yè)，立根高位豎直存放在鉆臺面上，如圖5所示。該鉆機配套有安裝在地面的動力貓道、安裝在鉆臺面的扶管機械手和鐵鉆工、安裝在井架前立柱的提管機械手、安裝在二層臺的排管機械手共5臺管柱自動化設備。在鉆進作業(yè)的同時，3根單根管柱由具有輸送多根管柱功能的動力貓道輸送上鉆臺后，提管機械手依次扣合第1、第2單根并上提，扶管機械手推扶單根下端，分別放入2個鼠洞中，提管機械手再扣合第3單根上提，與兩個鼠洞中單根通過鐵鉆工依次連接成雙根、立根，提管機械手繼續(xù)上提立根到鉆臺面后，交給二層臺上的排管機械手，排管機械手將立根輸送至鉆臺面的立根臺上，高位豎直存放備用[11-12]。鉆井需要時，排管機械手直接將立根從存放區(qū)移送至井口。該鉆機離線建立根和井口上卸扣共用1臺鐵鉆工，管柱處理系統(tǒng)配套設備少；起下鉆時立根在鉆臺面輸送，運行路徑短，效率較高。

圖5 寶石機械公司的7 000 m自動化鉆機

2 離線建立根系統(tǒng)技術(shù)分析

從上述5種鉆機可以看出，鉆機立根的存放位置和存儲方式?jīng)Q定了離線建立根系統(tǒng)中單根輸送、立根連接、立根移送、立根存儲等設備的功能及數(shù)量，并對鉆機整體結(jié)構(gòu)、起下鉆能耗、操控系統(tǒng)要求，以及人工應急進行管柱處理的能力等方面有較大的影響。筆者以TI-350型鉆機、未來鉆機、寶石機械7 000 m自動化鉆機為例進行技術(shù)分析。

2.1 鉆機總體的影響

TI-350型鉆機采用雙單根一立柱水平存放，按存放6000 m、?127 mm(5英寸)鉆桿立根估算，立根每柱長19 m，約315柱，需要7套鉆桿盒(長20 m，寬2 m)，占地面積約280 m2；未來鉆機和寶石機械7 000 m自動化鉆機采用三單根一立柱豎直存放，同樣以存放6 000 m、?127 mm(5英寸)鉆桿立根估算，立根每柱長28.5 m，約210柱，立根存放面積僅需約15 m2(考慮存取立根所需的間距，每柱接頭按占地面積0.07 m2計算)。從上述對比可以看出，存放相同數(shù)量的立根，立根低位水平存放所需的面積比立根豎直存放所需面積大得多。 但是，立根低位水平存放時，鉆機沒有二層臺、也沒有立根臺，主體結(jié)構(gòu)相對簡單，穩(wěn)定性好。立根豎直存放時，根據(jù)立根相對井口位置不同，需要在鉆機主體上設置二層臺、立根臺或者配套獨立于鉆機主體的立根架來存放立根。

故立根低位水平存放的離線建立根系統(tǒng)僅適應于中淺井鉆機，或?qū)畧稣嫉孛娣e要求不高的鉆機。立根豎直存放的離線建立根系統(tǒng)更適合于深井、特深井鉆機。

2.2 起下鉆能耗及效率的影響

起鉆作業(yè)時，TI-350型鉆機采用抓管機械手將井口位置的立根運送至地面的貓道，再由水平行車將立根移送到鉆桿盒內(nèi)；未來鉆機先用提管機械手將井口位置的立根下放地面，再由排管機械手將立根運送到地面的立根臺存放；寶石機械7 000 m自動化鉆機直接用排管機械手將井口位置的立根移送到鉆臺面的立根臺存放。下鉆時，各鉆機作業(yè)流程與上述相反。從各鉆機起下鉆作業(yè)的流程分析可以發(fā)現(xiàn)，立根高位存放可減少立根上、下鉆臺的動作，減少相關(guān)設備動作所需的能源消耗。若按鉆機鉆臺高10 m、立根移送設備(抓管機械手或提管機械手)豎直平均運行速度0.8 m/s粗略估算，立根高位存放較立根低位存放每起1柱立根的時間可減少約25 s，效率較高。

2.3 配套設備數(shù)量及操控要求

以TI-350型鉆機為代表的立根低位水平存放鉆機，配套有地面行車等6套管柱自動化設備，設備數(shù)量較少；其地面行車及水平擰扣機由專人操控，其余設備由司鉆操作，各設備間沒有聯(lián)合動作，操控簡單。以斯倫貝謝未來鉆機為代表的立根低位豎直存放鉆機，配套有動力貓道等13套管柱自動化設備，設備較多；提管機械手、扶正臂等設備間有聯(lián)合動作，動作銜接要求高，操作復雜。以寶石機械7 000 m自動化鉆機為代表的立根高位豎直存放鉆機，配套了鐵鉆工等5套管柱自動化設備，鐵鉆工供離線建立根和井口鉆進上卸扣共用，設備數(shù)量少；起下鉆時，立根只在排管機械手和吊卡之間交接，流程簡單，容易操控。

2.4 系統(tǒng)可靠性要求及人工應急作業(yè)能力

立根低位存放，立根在存放區(qū)與井口之間的輸送必須依靠輸送機械手或提管機械手，人力常規(guī)作業(yè)不能完成立根上、下鉆臺操作，故對系統(tǒng)的可靠性要求高。否則，在上提下放立根的設備有故障時，鉆機不能進行起下鉆及鉆進作業(yè)。立根高位存放，設備故障時，可通過井架工在二層臺上依靠風動絞車輔助進行人工排立根作業(yè)，不影響鉆機起下鉆及鉆進作業(yè)。

結(jié)合上述分析，離線建立根系統(tǒng)的不同立根存放位置和方式對鉆機各方面影響如表1。

表1 立根不同存放方式對鉆機影響

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管柱提升機械手設計

陸地鉆機要實現(xiàn)離線建立根，必須配套用于立根提升的設備，實現(xiàn)不占用游吊系統(tǒng)及井口、高效提升立根的作業(yè)需求。以立根豎直存放鉆機為例，提管機械手需同時具有在貓道上提升單根并送入鼠洞、提升管柱配合鐵鉆工上扣、上提立根沿軌道行走、遞給二層臺排管機械手等功能。 根據(jù)功能需求，設計該機械手的鉗頭結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)、擺臂、旋轉(zhuǎn)、行走機構(gòu)。依據(jù)離線建立根的規(guī)格，確定參數(shù)并進行各種工況的載荷分析。分析時既要考慮管柱提升過程中設備所承受的重力載荷及功能載荷，又考慮因風力、管柱上提下放時等所引起的動態(tài)載荷。設備的整體結(jié)構(gòu)既要保證承載能力，又應有效地控制結(jié)構(gòu)自重及外形，關(guān)鍵承載構(gòu)件可以采用高強度材料，使其強度、剛度提高而自重較輕[13]。

3.2 控制系統(tǒng)設計

離線建立根作業(yè)由單根輸送、立根連接、立根排放等一系列順序動作完成，系統(tǒng)各設備既要定位精確和響應快速，又要具有安全防護功能以滿足管柱移運過程中防墜、過載保護、緊急停止的要求，從而確保系統(tǒng)安全可靠運行。設計時，各執(zhí)行機構(gòu)可采用伺服電機驅(qū)動，或在液壓驅(qū)動系統(tǒng)回路中增加高精度的比例節(jié)流調(diào)速閥，軟件上電控程序算法增加補償功能，從而提高控制精度和響應速度；各檢測機構(gòu)可通過設置旋轉(zhuǎn)編碼器、位移傳感器、接近開關(guān)、稱重傳感器、視覺識別系統(tǒng)等來解決設備的精確定位、運行軌跡的自動規(guī)劃、過載保護等問題，從而實現(xiàn)可靠、高效離線建立根的目的[14]。

3.3 系統(tǒng)安全性設計

由于離線建立根作業(yè)參與設備多，并且與井口鉆井作業(yè)同步甚至交叉進行，存在提管機械手、扶管機械手、頂驅(qū)、吊卡、鐵鉆工等多個動態(tài)設備之間以及設備與管柱之間的碰撞可能，故各設備不但要設置鎖緊、防墜等安全防護功能，整體還需設置各種運動防碰撞功能。另外，系統(tǒng)應具有過載保護、緊急停止、故障報警等功能，使操作人員能實時監(jiān)測、掌控設備運行情況。同時，電液控制系統(tǒng)設計應充分考慮各基礎元件性能，做好冗余設計，以保證系統(tǒng)的安全性和完備性[15]。

4 發(fā)展建議

1) 離線建立根是陸地鉆機向自動化、智能化方向發(fā)展必需具備功能之一。我國陸地鉆機離線建立根系統(tǒng)必然有很大的市場需求。根據(jù)國內(nèi)陸地鉆機的現(xiàn)狀、鉆工的操作習慣以及基礎元件性能等情況，短期內(nèi)現(xiàn)有鉆機結(jié)構(gòu)不會有顛覆性的改變。建議現(xiàn)階段我國陸地鉆機離線建立根系統(tǒng)采用立根高位豎直存放的方式，以滿足設備故障時進行常規(guī)人工作業(yè)的需要，同時加強系統(tǒng)可靠性、易維護性的研究。

2) 因陸地鉆機搬家較頻繁，在滿足離線建立根功能的前提下應減少設備配套數(shù)量，建立根和鉆進作業(yè)盡可能共用1套設備，使用時優(yōu)先保證鉆進需要。系統(tǒng)配套較少的設備，可以降低鉆機購置費用、減少搬家車次、縮短安裝調(diào)試時間，從而降低鉆井成本。

3) 加強生產(chǎn)廠家與國內(nèi)鉆探公司的合作研發(fā)，充分發(fā)揮各自潛能。生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶的實際需求開發(fā)離線建立根系統(tǒng)，鉆探企業(yè)在油田現(xiàn)場充分試驗，并將使用過程中遇到的問題及時反饋給廠家并加以改進優(yōu)化。雙方共同努力，離線建立根系統(tǒng)將逐步成熟并在我國陸地鉆機上配套。

5 結(jié)論

1) 對國內(nèi)外陸地自動化鉆機的離線建立根系統(tǒng)進行和技術(shù)性能分析，指出各種離線建立根系統(tǒng)在鉆機上的配套適應性及關(guān)鍵技術(shù)。

2) 以TI-350型鉆機為代表，采用立根低位水平存放的離線建立根鉆機，更適合于淺井作業(yè)，可減少占地面積及起下鉆次數(shù)。若采用API第3類超長單根(13.72 m)進行鉆進作業(yè)，可不配水平擰扣機，減少設備配置及操作人員，同時縮短抓管機械手、地面行車的長度，減輕設備自重，使鉆機搬遷更便捷。

3) 以未來鉆機為代表，采用立根低位豎直存放的離線建立根鉆機，多設備間動作銜接要求高，對設備的可靠性要求高。為避免因提管機械手故障不能取放立根，建議增配可提升立根上下鉆臺的吊機，從而保證鉆機能正常鉆井作業(yè)。

4) 以寶石機械7 000 m自動化鉆機為代表，采用立根高位豎直存放的離線建立根鉆機，與常規(guī)鉆機結(jié)構(gòu)型式基本一致。為更好滿足應急作業(yè)需求，建議適當增大鉆臺面積，方便貓頭、大鉗等應急設備的安裝和人員的操作。

5) 陸地鉆機離線建立根系統(tǒng)受鉆機結(jié)構(gòu)型式、占地面積限制、需頻繁拆卸搬家等因素的影響，研發(fā)及推廣難度較大。建議研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的陸地鉆機離線建立根系統(tǒng)，使其能夠滿足鉆機高效、安全、可靠的管柱處理作業(yè)需要。