石文明

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石油工程技術(shù)服務(wù)行業(yè)要求石油鉆機降低安全風(fēng)險、降低人工成本、減輕工人勞動強度，提升鉆井作業(yè)效率、提高機械化與自動化水平，達到降本增效的目的。根據(jù)此要求，中國石油天然氣集團公司制定了“兩年一代、六年三代”的鉆機發(fā)展規(guī)劃，以實現(xiàn)作業(yè)井場“省人、省心、省力、省時、省錢”為目標(biāo)，以全面改善提升一線員工作業(yè)環(huán)境為出發(fā)點，中國石油集團渤海鉆探工程有限公司配套了7000 m 自動化鉆機（圖1），推進工程技術(shù)服務(wù)隊伍標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機械化和信息化建設(shè)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

7000 m 自動化鉆機（圖1）配套管柱自動化處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆機管柱（鉆桿、鉆鋌、套管等）從地面到鉆臺面、再到二層臺之間的輸送、接立根、建立根和鉆井過程中管柱的提升、下放等全過程自動化作業(yè)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷、鉆機智能送鉆功能的智能化控制系統(tǒng)，徹底改變了傳統(tǒng)石油鉆機依靠人力和經(jīng)驗識別為主的操作和故障診斷模式，對中國石油集團提出的鉆井作業(yè)隊伍“標(biāo)準(zhǔn)化、機械化、信息化、專業(yè)化”建設(shè)發(fā)展起到了強有力的技術(shù)支撐。

圖1 7000 m 自動化鉆機

1.2 工作原理

自動化鉆機模擬人工作業(yè)流程，配套了管柱從地面到鉆臺面、再到二層臺不同位置，具有不同結(jié)構(gòu)特點和不同行為方式的機器人系統(tǒng)，完全替代了人工作業(yè)方式，其主要設(shè)備包括液壓驅(qū)動杠桿舉升式鉆桿盒、液壓排管架、動力貓道、鉆臺機械手、鐵鉆工、動力卡瓦、緩沖機械手、液壓吊卡、二層臺機械手。整個過程無需人工參與，實現(xiàn)了機器全流程自動化作業(yè)，形成了安全、高效、流暢的管柱處理新模式。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備組成

2.1 液壓排管架（圖2）

圖2 液壓排管架

液壓排管架導(dǎo)管架為三角桁架結(jié)構(gòu)，底座為箱式拖撬，力學(xué)穩(wěn)定性高、地面受力均勻，可解決寒冷地區(qū)底座與地面冰融化分離問題。采用油缸起升造斜與同步控制技術(shù)，實現(xiàn)管柱兩端同步滾動將管柱自動輸送到動力貓道上。

2.2 動力貓道（圖3）

圖3 動力貓道

動力貓道采用拉伸式結(jié)構(gòu)，通過液壓馬達驅(qū)動完成貓道送鉆柱裝置運送鉆桿至鉆臺面，具備上1 根鉆具、下3 根鉆具的能力；控制系統(tǒng)采用司鉆房遠(yuǎn)程、無線遙控、本地應(yīng)急3 種控制模式，整機一撬運輸。

2.3 鐵鉆工（圖4）

圖4 鐵鉆工

鐵鉆工采用伸縮臂式結(jié)構(gòu)，可前后伸縮、上下移動、整體回轉(zhuǎn)，能夠適應(yīng)各種規(guī)格的鉆桿、鉆鋌的上/卸扣作業(yè)，具有司鉆房遠(yuǎn)程、無線遙控、本地應(yīng)急3 種控制模式，且各模式權(quán)限互鎖。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。

2.4 液壓吊卡（圖5）

圖5 液壓吊卡

液壓吊卡實現(xiàn)-90°～30°翻轉(zhuǎn)，且任意角度位置可停，具有機械安全保險，通過更換補心適應(yīng)不同尺寸管柱。采用電控液方式，通過司鉆房操作面板進行集成遠(yuǎn)程操控。

2.5 鉆臺機械手（圖6）

圖6 鉆臺機械手

鉆臺機械手通過伸縮、回轉(zhuǎn)、鉗頭開合3 個動作可完成常規(guī)起下鉆立根排放作業(yè)，具有下沉或偏移可避讓立根臺過道，保證正常的鉆井作業(yè)流程。機械手具有內(nèi)鉆具感知、旋轉(zhuǎn)角度、機械臂伸出長度等信息實時采集，實現(xiàn)鉆臺手一鍵去井口，一鍵排放功能。

2.6 二層臺排管裝置（圖7）

圖7 二層臺排管裝置

二層臺排管裝置由二層臺機械手及動力二層臺組成，折臂結(jié)構(gòu)，安裝在二層臺下方，與二層臺一起安裝運輸。所有運動機構(gòu)采用電動驅(qū)動，回轉(zhuǎn)、行走及伸縮使用伺服電機精準(zhǔn)控制，可實現(xiàn)手動、自動兩種模式作業(yè)。

2.7 雙司鉆控制系統(tǒng)（圖8）

圖8 雙司鉆控制系統(tǒng)

司鉆房采用雙工位操控方式。配套寶石機械自主知識產(chǎn)權(quán)的Idriller 雙司鉆集成控制系統(tǒng)，采用主、副雙司鉆并行操作，控制模塊一用一備，雙工位司鉆操作臺互備互換，提高集成控制的穩(wěn)定性及冗余能力，實現(xiàn)包括管柱自動化設(shè)備在內(nèi)的鉆機集成化控制，完成了多設(shè)備同時作業(yè)時的流程管理、位置速度管理、防碰撞管理等。

3 自動化鉆機油田應(yīng)用情況

7000 m 自動化鉆機已經(jīng)分別在新疆塔里木油田、青?；ㄍ翜稀⒏拭C慶城、四川威遠(yuǎn)等地相繼開鉆作業(yè)，截至目前累計鉆井深度約40 000 m，鉆機配置全套自動化工具，減少鉆臺面人員配置25%；采用電機直驅(qū)技術(shù)，提高傳動效率9.6%，減輕設(shè)備重量10%；IdrillerR雙司鉆集成控制系統(tǒng)自動化程度高、作業(yè)安全可靠；鉆機遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備故障遠(yuǎn)程專家診斷；配套自動集中潤滑系統(tǒng)，實現(xiàn)單井作業(yè)免維護。鉆機整體運行良好，性能穩(wěn)定。

4 智能化發(fā)展建議

4.1 電動化技術(shù)

管柱系統(tǒng)采用全電動伺服驅(qū)動技術(shù)，配套大扭矩伺服電機，實現(xiàn)鐵鉆工、動力貓道全電動化驅(qū)動和控制，減少現(xiàn)有裝備漏油及故障問題，提高設(shè)備自身的信息化水平及診斷能力。

4.2 視覺識別技術(shù)

利用機器視覺技術(shù)和智能機械臂技術(shù)，鐵鉆工完成一鍵式伸縮和升降，自動調(diào)節(jié)夾緊力，減小對管具的損傷。通過機器視覺技術(shù)，準(zhǔn)確識別鉆桿接頭，精確定位作業(yè)位置，一鍵到位，大幅降低人為誤操作概率，有效提升作業(yè)效率。

4.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

借助5G 邊緣計算MEC 鉆機控制系統(tǒng)部署智能監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了對設(shè)備的實時跟蹤檢測、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、告警預(yù)警等。