成小強

（中國石油集團(tuán)西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

0 引言

近年隨著國內(nèi)鉆井裝備的高速發(fā)展，逐步從機械化、電動化向自動化、智能化轉(zhuǎn)變。然而，要實現(xiàn)真正意義上的智能化，實現(xiàn)無人操作，不僅需要自動化設(shè)備、通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備的組合，還需要將鉆井作業(yè)流程與自動化設(shè)備聯(lián)系起來，實現(xiàn)一整套復(fù)雜動作的循環(huán)。

“一鍵聯(lián)動”自動化裝備系統(tǒng)的研究主要定位于套管段內(nèi)的頻繁起鉆、下鉆作業(yè)流程。系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，將作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化，由系統(tǒng)自動控制執(zhí)行，對于存在風(fēng)險或無法自動的環(huán)節(jié)，由司鉆人工操作和人工確認(rèn)。系統(tǒng)自動控制完成安全的保障環(huán)節(jié)，人工和自動化可以靈活切換，保障操作安全。

該項目主要著眼于在役鉆機自動化裝備配套技術(shù)，在現(xiàn)有電動鉆機基礎(chǔ)上優(yōu)化人機互動系統(tǒng)界面、完善防碰防撞互鎖，并具有自動化機具聯(lián)動功能、集成遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷等信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)本質(zhì)安全，提效率、提效益。

基于上述預(yù)期目標(biāo)，該項目開展的研究內(nèi)容主要包括：成套自動化機具系統(tǒng)升級解決方案；自動化機具流程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計；多設(shè)備控制無縫對接；集成通信協(xié)議、接口兼容技術(shù)優(yōu)化?！耙绘I聯(lián)動”系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有石油鉆機在施工過程中管柱（鉆桿、套管）實現(xiàn)自動化處理，包括運輸、舉升、排放、抓取等一系列聯(lián)合動作（表1）。

表1 鉆井自動化處理系統(tǒng)

1 鉆井作業(yè)流程

新一代鉆機基本配備頂驅(qū)作業(yè)，所以本文探討的均是帶頂驅(qū)情況下的鉆井作業(yè)。無論分為幾開次或是否定向、水平鉆井，鉆井工藝基本的流程可以分為鉆進(jìn)、接單根、起鉆、下鉆、劃眼、循環(huán)、下套管、固井等。最常規(guī)和最基本的，也是運用自動化裝備最多的多次循環(huán)同一套動作的作業(yè)，就是起鉆、下鉆作業(yè)。

（1）起鉆作業(yè)流程：上提鉆具至二層臺位置→坐好井口卡瓦→卸開鉆桿立柱→將鉆桿立柱坐在立根盒→打開吊卡→將立柱拉入二層臺。

（2）下鉆作業(yè)流程：將二層臺立柱拉出→放入吊卡→上提立柱→與井口鉆柱連接→打開井口卡瓦→下放鉆桿。

2 鉆井自動化裝備動作流程

根據(jù)鉆井作業(yè)基本流程，要實現(xiàn)“一鍵聯(lián)動”就必須對各自動化裝備的動作進(jìn)行分解，充分考慮其先后順序，避免互相干擾，完成整套作業(yè)。

2.1 起鉆作業(yè)時自動化裝備動作流程

打開自動化裝備“一鍵聯(lián)動”系統(tǒng)→選擇起鉆模式→絞車自動上行至二層臺合適位置→自動卡瓦包住鉆柱→鐵鉆工動作，卸開立柱→鉆臺機械手將立柱拉回立根盒指定位置→二層臺機械手抓住立柱→打開液壓吊卡→二層臺機械手將立柱推入指定位置→絞車自動下行→液壓吊卡自動扣合→自動卡瓦打開→絞車自動上提。完成一個起鉆循環(huán)動作。

2.2 下鉆作業(yè)時自動化裝備動作流程

打開自動化裝備“一鍵聯(lián)動”系統(tǒng)→選擇下鉆模式→絞車自動上行至二層臺合適位置→二層臺機械手拉出立柱，推入液壓吊卡→液壓吊卡自動扣合→絞車緩慢上提→鉆臺機械手將立柱推至井口扶正→鐵鉆工完成上扣→緩慢上提絞車→打開自動卡瓦→絞車下行至井口指定位置→關(guān)閉自動卡瓦→液壓吊卡自動打開→絞車自動上行。完成一個下鉆循環(huán)動作。

2.3 編寫“一鍵聯(lián)動”程序

采用聯(lián)網(wǎng)控制，按照目前使用最廣泛的西門子PLC S-1200編寫邏輯程序，利用模擬器進(jìn)行反復(fù)模擬運行。

3 現(xiàn)場實驗應(yīng)用

經(jīng)過安裝調(diào)試，目前該自動化“一鍵聯(lián)動”系統(tǒng)已經(jīng)在克拉瑪依鉆井公司7000 m 自動化鉆機應(yīng)用，在萬米起下鉆試驗中，提升系統(tǒng)最大鉤速在1.0～0.8 m/s（起鉆和下鉆略有不同），起鉆單次循環(huán)所用時間最短為180 s，下鉆單次循環(huán)所用時間最短為178 s，平均起鉆速度達(dá)到18.1 柱/h，平均下鉆速度18.5 柱/h；單趟起鉆最快速度達(dá)到20 柱/h，單趟下鉆最快達(dá)到20 柱/h，速度與人工操作相當(dāng)，正在進(jìn)一步完善和量化推廣策劃（圖1）。

圖1 參與“一鍵”聯(lián)動的自動化鉆井裝備

4 結(jié)束語

鉆井裝備按照機械化、電動化、自動化、智能化的發(fā)展順序不斷進(jìn)步，鉆井自動化裝備處于大范圍推廣階段，許多獨立動作的自動化裝備基本已經(jīng)在新一代鉆機上配置。目前鉆井自動化裝備“一鍵聯(lián)動”技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用，具有提速、增效、安全、減員的特點。然而要實現(xiàn)鉆井裝備智能化運行，鉆井裝備的研究還任重而道遠(yuǎn)?！耙绘I聯(lián)動”向智能化鉆井裝備邁了重要一步，后續(xù)將繼續(xù)研究在特殊情況下自動化裝備的應(yīng)急處理操作。