適用于在役陸地鉆機的自動化立根排放系統

，，， ，

(1.三一集團有限公司 湖南分公司，長沙 410100；2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣分公司，成都 610017；3.東營市產品質量監督檢檢所，山東 東營 257000)

在鉆井起下鉆作業過程中，需要將鉆桿立根由井口中心移送至二層臺指梁間區域或從二層臺指梁間區域移送至井口中心。傳統作業方式是由一名井架工站在二層臺的猴臺上，伸手到井口中心位置將立根接到游車上的吊卡內或從吊卡內取出，同時還需要不斷地在指梁間與井口中心之間移動鉆桿立根[1]。這一作業過程存在以下問題：整個作業過程動作重復性高，工作枯燥乏味，長時間工作時效率低；鉆井作業多為野外作業，工作環境惡劣，勞動強度大，且經常深夜施工，井架工容易產生疲勞，從而操作失誤，導致安全事故；井架工長時間在高空作業，有極大的安全隱患和風險；新一代石油工人不愿意從事此類高風險且勞動強度大的工種，鉆采行業面臨愈來愈嚴重的用工難局面[2-3]。

鉆井設備屬于高價值的固定資產，更新換代較慢。如何針對相當數量的在役陸地鉆機，提出適宜的自動化改造方案，降低鉆井工人的勞動強度，提升鉆井效率，是一個值得深入研究的課題[4]。

1 自動化立根排放系統總體方案

1.1 方案設計

自動化立根排放裝置由二層臺扶管機械手、鉆臺面提管機械手、司鉆集成控制系統等三部分組成。裝置采用“上扶下提”的方式[5]，以防爆伺服電機為驅動元件，由PLC 控制[6]，實現在起下鉆和立根排放等作業過程中對鉆柱的扶持、提升、下放和平移等動作的自動控制，替代了井架工和鉆臺內外鉗工，減少了作業人數，簡化了起下鉆作業流程，提高了作業安全性。

為了滿足在役陸地鉆機自動化改造的要求，二層臺扶管機械手的總質量比普通二層臺的增加不超過10%，與鉆機原有二層臺具有互換性；鉆臺面提管機械手在能夠滿足提升鉆鋌的前提下，占用鉆臺的面積盡可能小。

1.2 工作原理

本文提出的自動化立根排放裝置的工作流程為：起鉆時，頂驅帶著液壓吊卡從井口提起鉆柱，到達指定高度后停止。然后，鉆臺面提管機械手伸展至井口，抓住鉆柱的下部。同時，二層臺扶管機械手也伸展至井口，環持鉆柱的上部。接著，鉆臺面提管機械手將鉆柱提升一段距離，使鉆柱上部接箍與液壓吊卡脫離。然后，打開液壓吊卡的活門。接下來，上、下機械手同步動作，臂架收攏，回轉，平移，到達預定指梁，將鉆柱移動至目標位置。鉆臺面機械手向下移動，將鉆柱擺放在立根盒上。最后，上、下機械手同時動作，釋放鉆柱，回到待機位置。下鉆時，工作流程與上述相反。

1.3 主要技術參數

二層臺容量 180柱?127 mm(5英寸)鉆桿

4柱?177.8 mm(7英寸)鉆鋌

4柱?228.6 mm(9英寸)鉆鋌

最大處理管柱質量 10 t

操作半徑 ≥2 600 mm

工作電壓 380 V

系統功率 20 kW

1.4 技術分析

1.4.1二層臺扶管機械手結構設計

二層臺扶管機械手由二層臺和機械手兩大部分組成，如圖1所示。其中，二層臺包括二層臺框架、指梁、舌臺、欄桿和維修架，并設置有鉆鋌鎖、指梁鎖等安全機構；機械手安裝在二層臺猴臺的軌道中，由防爆伺服電機控制機械手平移、回轉、伸展，以及抓手開合。抓手可張大縮小以適應不同外徑的鉆具。二層臺扶管機械手與普通二層臺大工操作模式具有互換性，當設備出現故障時，機械手各部件可手動調整姿勢和開合抓手，方便快速恢復至人工作業模式。此外，在維修架內可對機械手進行維修。

由于二層臺扶管機械手采用伺服電機驅動、扶管操作方式，結構輕巧，總體質量比普通二層臺增加不多，確保了井架強度安全。

1—二層臺框架；2—欄桿；3—指梁；4—維修架；5—指梁鎖；6—鉆鋌鎖；7—扶管機械手。

1.4.2鉆臺面提管機械手結構設計

鉆臺面提管機械手主要由底座、臂架和抓手組件組成，如圖2所示。底座固定在立根盒對稱中心線上，靠近井口的一側，用于安裝臂架和抓手。機械臂采用的是折疊連桿結構，能夠收攏伸展，以底座為中心進行回轉，帶著抓手移動。抓手組件包含扶持抓手和夾取抓手。夾取抓手布置在下方，可在垂直方向上下移動，用于提升或下放鉆柱。在抓手下方設置用于支撐抓手組件的萬向滾輪[7]，目的是將鉆柱的自重通過萬向滾輪傳遞至鉆臺面，減小臂架承受的載荷，從而實現臂架結構小巧緊湊。

鉆臺面提管機械手的最小回轉半徑為600 mm，最大操作半徑為3 100 mm。

1—底座；2—回轉機構；3—轉臺；4—折疊臂架；5—扶持抓手；6—抓手固定臂；7—抓手伸縮臂；8—夾持抓手；9—萬向滾輪。

1.4.3司鉆集成控制系統

控制系統由中央控制單元和伺服控制單元組成，操作界面如圖3所示。伺服控制單元包括伺服驅動器和伺服電機兩部分；伺服控制具有優異穩定性、快速響應性和對負載變化自適應能力[8]，可以消除機械手在運動過程中因機械負載的慣量大范圍變化所帶來的不良影響。通過司鉆房內操作，自動化立根排放裝置能完成自動(或手動)起下鉆作業，將立根從立根盒(指梁)內精確往返移運到井眼中心。

圖3 自動化立根排放系統操作界面

2 技術特點

1) 與國內外懸持式管柱自動排放裝置相比，本文提出的自動化立根排放裝置采用“上扶下提”式結構，將鉆柱重力的受力點從二層臺轉移到了底座上，減輕了二層臺負載對井架的影響，可廣泛應用于陸地和海洋新造鉆機和在役鉆機自動化改造。

2) 在二層臺上預設了人工作業模式，系統包括翻轉式舌臺，能夠自動操作和人工操作的鉆鋌鎖和指梁鎖等，可滿足緊急情況下快速切換到人工作業模式的需求。

3) 鉆臺面提管機械手采用隨動支撐臂結構，簡化了承載結構，占用鉆臺面的空間小，適用于舊鉆機的改造。

4) 階段式一鍵操作。控制系統中設置了幾個關鍵位置點，當設備運行至關鍵位置點后，司鉆在確定相關設備的工作狀態后，點擊“確認”按鈕，設備將自動執行下一流程的動作。在兼顧安全的前提下，大幅提高了設備的自動化程度，降低了司鉆操作的難度。

5) 二層臺扶管機械手和鉆臺面提管機械手聯合作業，能夠簡化起、下鉆的流程，兩者同步動作，直接將立柱移動到指定位置。原人工操作，二層臺和鉆臺面的操作存在先后順序，此裝置的二層臺扶管機械手和鉆臺面提管機械手可并行作業，大幅提高了起下鉆的效率。

6) 二層臺扶管機械手和鉆臺面提管機械手均采用防爆伺服電機驅動，動作精準、響應速度快、同步性好，環境適應性強，實現管柱精確、平穩排放。系統功率小，節能環保，避免了液壓系統固有的“跑冒滴漏”的頑疾[9]。

7) 系統功率小，節能環保。傳統的液壓驅動的管柱排放系統的功率大約為50 kW[10]，而本系統的功率僅為20 kW。

3 結論

本文提出的自動化立根排放裝置采用伺服電機驅動，通過司鉆房集成控制系統，實現二層臺扶管機械手和鉆臺面提管機械手同步作業，簡化了起下鉆的作業流程，能夠自動完成抓取、移動和排放鉆柱的作業，替代了井架工和鉆臺內外鉗工，減少了危險區域作業人數，提高了鉆井效率。此外，輕量化的二層臺扶管機械手和占地面積小的鉆臺面提管機械手特別適用于在役陸地鉆機的自動化改造。