推扶式管柱自動化處理系統優化及發展建議

李建亭

(中原工程有限公司 工程服務管理中心，河南 濮陽 457001)

0 引言

鉆機管柱自動化處理系統是實現鉆機智能高效工作的重要保障，它可以使鉆機作業效率和安全性得到顯著提升，并且能夠降低工作強度，從而達到節約人力成本的目的[1]。管柱自動化處理系統具有研發周期長、技術要求高等特點。我國鉆井裝備發展迅速，目前已成為世界鉆井裝備制造大國，但在管柱自動化系統的相關技術方面還與國外先進技術存在較大差距[2]。在國內，很多石油陸地鉆機的鉆井管柱處理還是依靠人力或者簡單的機具作業模式，這導致作業效率低、勞動強度大、安全性差和作業人員多等問題，制約了我國鉆井工程技術的發展。針對該問題，本文設計了管柱自動化處理系統的相關設備，以期提高鉆井管柱自動化處理系統的自動化和智能化水平。

1 管柱自動化處理系統

1.1 結構分析

圖1是推扶式管柱自動化處理系統的結構圖，主要由鉆臺機械手、彈簧指梁、動力貓道、液壓吊卡、司鉆集成控制系統等組成。推扶式管柱自動化處理系統通過自動化控制技術和通信技術，結合頂驅配合作業，從而完成鉆機管柱處理系統的自動化作業。該系統可以實現鉆桿、鉆鋌和套管等鉆井管柱的自動輸送、連接和立根排放等作業，在解決管柱處理勞動強度大、作業風險高等方面具有顯著的優勢。

圖1 推扶式管柱自動化處理系統結構

1.2 系統特點

本文所設計的推扶式管柱自動化處理系統在立根臺鼠洞處，運用油缸舉升式動力貓道，可以完成鉆桿、鉆鋌和套管的自動化運輸，其作業效率較高。人工立根排放流程的模擬是通過二層臺機械手、鉆臺機械手和彈簧指梁二層臺配合實現的。鉆臺面立根臺完成立根下端的定位，二層臺機械手拉動立根上端進行作業，并將立根推放到二層臺設計的指梁內，以完成管柱的自動化排放和立根傾斜排放，從而實現二層值守的無人化。上卸扣的自動化通過伸縮式鐵鉆工實現，井口作業的機械化通過液壓吊卡和液壓卡瓦等管柱處理工具完成[3-5]。為了簡化控制臺布置，實現對管柱處理裝置的有效整合，利用高度集成的司鉆集中控制平臺替代傳統的副司鉆操作臺。液壓系統應用負荷敏感控制技術，以實現不同壓力流量要求的多裝置共同作業工況。對于動力貓道、二層臺機械手和鐵鉆臺等設備設置一鍵操作功能，以提高工作效率。

在推扶式管柱自動化處理系統中，動力貓道和鐵鉆工等設備具有突發情況處理能力，可以在設備出現故障時保持常規管柱的處理作業，因此其可靠性較高并且具有一定的容錯能力。

1.3 系統參數設定

為了使推扶式管柱自動化處理系統較好地完成作業任務，設定如表1所示的技術參數指標。

表1 主要技術參數指標

2 重要設備的相關技術

2.1 動力貓道

如圖2所示，動力貓道選擇鉆柱由鼠洞位置直接舉升式結構，免去了坡道和小鼠洞的裝置。為了滿足鉆柱接單根的要求，鉆柱可以從地面送入設定的立根臺鼠洞[6]。進入工作狀態后，液壓馬達驅動鏈輪旋轉使滑車向前移動，通過舉升機構和滑車的共同作業使鉆柱上端接入立根臺鼠洞口。動力貓道設置手操盒無線遙控、應急操作控制和司鉆房遠程控制3種模式，均可以實現一鍵操作功能。

圖2 動力貓道

2.2 鐵鉆工

如圖3所示，為了替換常規液氣大鉗等上/卸扣裝置，鐵鉆工通過伸縮臂式結構固定在鉆臺面上，以便完成鉆桿和鉆鋌的上/卸扣作業。鐵鉆工可以進行整體的旋轉，通過PLC程序可實現井口或鼠洞多個位置的設定，不僅可以通過手動操作分歩完成上/卸扣作業，而且可以通過一鍵操作完成作業。鐵鉆工具有夾持鉆具范圍大、自動化程度高、作業范圍廣等特點，其操作簡便快捷，具有一定的優勢[7]。鐵鉆工由全液壓驅動，旋扣滾輪旋轉和伸縮臂整體旋轉則由液壓馬達進行驅動，控制模式設置手動無線操作、本地控制操作和司鉆房遠程操作3種模式。

圖3 鐵鉆工

2.3 二層臺機械手

如圖4所示，二層臺機械手聯合彈簧指梁二層臺進行作業，通過機械手推扶的方式完成管柱立根在二層臺指梁和井口之間的自動化排放，使二層臺的值守實現無人化[8-9]。

圖4 二層臺機械手和彈簧指梁

整機在液壓作用下繞回轉中心擺動，回轉設備由液壓馬達驅動進行前后位置的移動，實現對二層臺范圍的全覆蓋。在其下面安裝有扶持鉗，在進行作業時環套可以鎖定在立根上端，實現推移作業。該二層臺機械手的作業過程均由液壓和電氣綜合進行控制，其操作過程自動化程度高，安全性得到了提升。

整個裝置的作業過程由PLC編程控制，可以對其進行實時監控，能夠保證立根排放的精確性，并且具有安全互鎖功能[10]。

2.4 鉆臺機械手

如圖5所示，在鉆臺2與鉆桿盒之間設有鉆臺機械手，主要是為了實現立根在立根臺和井口、鼠洞之間的輸送，并保證排放立根和接鉆桿的良好對接。鉆臺機械手由遠程技術進行控制，可以對推扶臂的旋轉和伸縮進行精確的定位，能夠保證鉗頭精確可靠地與鉆柱立根下端抱合，從而順利完成推扶作業。鉆臺機械手既可以獨立工作完成鉆臺面立根推扶作業，也可以與二層臺機械手進行聯合作業，完成整個立根排作業的自動化過程。

圖5 鉆臺機械手

2.5 液壓吊卡

液壓吊卡選取對開式結構，由液壓缸對吊卡的開合及鎖緊進行控制，通過司鉆房的遠程控制方式，可以與頂驅協同作業完成起/下鉆桿或者套管的作業[11]。

2.6 動力卡瓦

動力軸瓦選取內置式結構，可設置于轉盤內以替代傳統的手動卡瓦，當進行鉆井作業時，可用于懸掛井下鉆桿、鉆鋌及套管等管柱[12]。動力卡瓦可由液壓缸驅動，遠程控制通過電液系統進行操作，其工作反應速度靈敏。卡瓦體和鉗牙盒設有快放機構，能夠使鉗牙盒的更換更加便捷，卡瓦座與轉盤通過伸縮塊進行固定。

3 系統裝置的優化

為了進一步提高推扶式管柱處理系統的自動化水平，本文根據實際應用中該系統出現的問題，對系統的部分設備進行了優化。其主要優化內容涉及結構強化、人機界面和控制程序等方面，并對鐵鉆工、液壓吊卡、二層臺機械手、動力貓道以及司鉆集成控制系統進行了相應的改進。

3.1 旋扣滾輪優化

針對旋扣滾輪表面易磨損的問題，經過比較不同材質、不同硬度和多種結構形式的優劣，選取了材質和硬度在實際中表現較好的材料制做旋扣滾輪。在現場試驗中，優化后的旋扣滾輪進行旋扣時對鉆具的壓痕較輕，旋扣可實現一次到位，多次試驗的旋扣成功率在98.7%以上。

3.2 二層臺機械手的優化

1) 扶持臂優化

在實際應用中發現扶持臂工作時有變形和左右晃動的情況，因此通過對扶持臂結構調整和部分位置的強度優化，提高了主、副臂的強度和剛度，使扶持臂的受力條件有所改善，增強了設備對現場惡劣工況的適應性(圖6)。

圖6 鐵鉆工的改造

2) 電纜和液壓走線的優化

由于二層臺機械手的電纜和液壓管線一般基于同一個線纜吊架，液壓管線帶壓竄動時容易對電纜造成損壞。針對該問題，對電纜和液壓管線進行了單獨線纜吊架的布置，進行分開走線和固定，從而消除了前述問題帶來的隱患。

3) 安裝梁連接方式優化

由于機械手安裝梁結構并不對稱，現場安裝和對正操作較為困難，經過實際勘驗分析后，將安裝梁與井架體的連接方式改進為耳板銷軸連接，使得安裝梁的對正較為容易，并且安裝過程操作簡便快捷。

3.3 動力貓道優化

在實際使用中，對動力貓道吊點位置、底座結構和鏈條張緊設備進行了改進。對動力貓道底座前端增設吊裝點和活動扶梯，使優化后的動力貓道作業效率提高了13%，效果較為明顯。為了使鏈條松邊有效張緊，減小鏈條與托板的磨損，在鏈條下方設計了鏈條張緊裝置。

3.4 電控系統優化

1) 司鉆集成控制結構改進

由于司鉆集成控制系統的運行時間長、工作任務量大，會造成服務器柜體散熱不良和信號傳輸中斷等問題。針對該問題在司鉆房內設置一體機和顯示屏，使中間環節減少，報錯率有所降低，改善了系統的可靠性和運行穩定性。

2) 控制程序的改進

由于作業過程中切換動力時容易造成系統的供電不穩，所以對控制柜、服務器和客戶端增加UPS電源，從而保證在緊急斷電和動力切換情況下，服務器和客戶端能夠穩定運行，降低由此帶來的安全隱患。

在對設備和控制程序進行改進后，作業時效有顯著提高。隨著作業人員操作熟練度的提高、作業流程的不斷改進，預計起、下鉆等作業的效率將會進一步提升。表2為主要作業時效的相關情況。

表2 作業時效統計表 單位：h

4 優化后技術的優勢

4.1 管柱垂直輸送

基于液壓舉升式動力貓道，管柱可由地面直接輸送到立根臺鼠洞，同時實現管柱由水平狀態到垂直狀態的轉換。通過頂驅在立根臺鼠洞可完成建立根或卸單根的操作。相比之前的常規作業方式，管柱直接輸送可以有效減少鉆臺面與鼠洞之間的輸送時間，其效率相對較高。

4.2 仿真人工二層臺立根自動排放

鉆臺機械手推扶立根下端使其位于立根臺，二次機械手推扶立根上端進入彈簧指梁二層臺，實現立根排放的自動化作業。這種工作方式實現了鉆臺機械手、二層臺機械手和彈簧指梁二層臺的聯合作業，可以仿真人工立根排放操作，使立根推扶式聯合作業以自動化方式進行，提高了作業效率。

4.3 一鍵自動卸扣

通過一鍵式自動化操作即可實現井口或者鼠洞上/卸扣作業，無需施加人工干預，鉆臺面作業效率較高，可以降低人員的工作量，實現卸扣作業的自動化。

4.4 司鉆集成多功能控制

對管柱自動化處理系統進行遠程控制，增設設備安全交接和防碰撞功能，可以完成設備集中操縱和信息統一管理，司鉆控制的智能化水平有所提高。

5 結語

目前，我國鉆井裝備與國外先進技術相比，其自動化水平還有待進一步提升，為了進一步提高國產鉆機的市場競爭力，針對我國鉆機自動化、智能化和信息化建設問題，特提出如下的相關建議：

1) 強化設備的集成性

管柱自動化處理設備已經由單一的功能向多功能集成發展，提高管柱處理作業的集成化水平成為提高產品競爭力的必然手段。例如，在實際運行中將鉆井防噴液及涂螺紋油功能集成于鐵鉆工，將管柱螺紋機械化清洗和測量等功能集成于動力貓道。

2) 提升鉆機性能

針對不同的鉆機設備，制定相應的管柱自動化處理系統優化方案。基于鉆機結構和鉆深級別，在基礎配置的基礎上，配置適應特殊作業的設備，以減輕鉆機優化的工作量。

3) 加強海洋管柱自動化系統的設計

目前常規油氣資源的開發逐漸趨少，“深”、“海”、“特”、“非”已經成為鉆井的發展趨勢，要求鉆井技術不斷升級創新，以更好地適應新的發展方向，必須強化對國內海洋管柱自動化處理系統的研究和應用。

4) 推進鉆機智能化改造

基于“大數據”、“云計算”等智能化技術，使管柱自動化處理系統與鉆井設備深度融合，不斷創新作業模式和鉆井的結構布置，開發井下地質參數分析系統，從而提升全鉆井作業的智能化和自動化水平。