自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

白尚懿，楊小亮，何生兵，孔令雄

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

近年來(lái)，隨著全球石油工業(yè)的高速發(fā)展，鉆井市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，鉆井承包商希望能夠提升鉆機(jī)的自動(dòng)化和智能化水平，提升鉆井效率、降低安全事故率、減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到縮短鉆井周期、降低鉆井作業(yè)成本的目的。而在整個(gè)鉆井過(guò)程中，有30%以上的時(shí)間耗費(fèi)在起下鉆等管柱處理作業(yè)上，尤其是深井鉆機(jī)更為明顯，其起下鉆作業(yè)更加頻繁，管柱處理占用了大量的鉆井輔助時(shí)間[2]。但目前鉆機(jī)常規(guī)管柱處理作業(yè)由多人配合作業(yè)，主要依靠較為落后的人力作業(yè)模式，作業(yè)頻度大，鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度大(尤其是起下鉆作業(yè))，效率低下，作業(yè)安全難以保證。鑒于此，鉆井裝備越來(lái)越多地采用自動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)智能控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)代替人力的高強(qiáng)度體力工作，一方面減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面降低由于惡劣環(huán)境和疲勞大意等造成的危險(xiǎn)事故的發(fā)生概率，同時(shí)伴隨石油鉆機(jī)機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化的發(fā)展，與之相匹配的自動(dòng)化、智能化管柱處理系統(tǒng)顯得尤為關(guān)鍵。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)介紹蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司的自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)設(shè)備研究及試驗(yàn)情況，詳細(xì)分析現(xiàn)有的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)各種設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、分類(lèi)，為全自動(dòng)、無(wú)人化鉆井管柱處理系統(tǒng)進(jìn)一步的研發(fā)工作提供一定的參考借鑒。

1 自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)開(kāi)始向著系列化、模塊化的方向發(fā)展，此系統(tǒng)開(kāi)始逐步被應(yīng)用于陸地鉆機(jī)之上。

(1) Varco公司在1993年研發(fā)成功可遠(yuǎn)程操控的管柱輸送裝置。

(2) 斯倫貝謝SedcoForex公司1996年研制了一部安裝了全自動(dòng)鉆桿操作系統(tǒng)的新式鉆機(jī)，可實(shí)現(xiàn)管柱在鉆臺(tái)、排放區(qū)、地面間的全自動(dòng)化移動(dòng)操作，作業(yè)成本減少，工作效率提高。

(3) NOV公司的管柱自動(dòng)作業(yè)已形成了產(chǎn)品系列化、模塊化，可以為不同種類(lèi)的陸地或海洋鉆機(jī)提供服務(wù)。該公司生產(chǎn)的管柱輸送裝置可以實(shí)現(xiàn)操作的自動(dòng)化和控制的智能化，成為石油行業(yè)很多企業(yè)的標(biāo)桿。圖1為NOV公司管柱自動(dòng)處理裝置。

圖1 NOV公司管柱自動(dòng)處理裝置

(4) 挪威的Aker Kvaerner公司推出了包括Eagle-Eagle Light、GantryCrane、PipeeckPipehandler等在內(nèi)的眾多系列產(chǎn)品，服務(wù)效果良好。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

(1) 蘭石集團(tuán)公司作為國(guó)內(nèi)最早的石油鉆機(jī)成套供應(yīng)商，被譽(yù)為“中國(guó)石化機(jī)械搖籃和脊梁”，也是機(jī)械工業(yè)油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心、甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心的依托單位，在管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備方面，依托甘肅省智能制造專(zhuān)項(xiàng)資金，自主研發(fā)了從地面排管架到二層臺(tái)機(jī)械手全流程管具處理系統(tǒng)設(shè)備及司鉆集成控制系統(tǒng)，主要有液壓排管架、動(dòng)力貓道、緩沖機(jī)械手、鉆臺(tái)機(jī)械手、吊卡、卡瓦、動(dòng)力鼠洞、鐵鉆工、泥漿防濺盒、絲扣油涂抹裝置、二層臺(tái)機(jī)械手、司鉆集成控制等十一種不同結(jié)構(gòu)、不同規(guī)格的系列化管柱處理系統(tǒng)設(shè)備，所有設(shè)備已完成了研發(fā)，其中動(dòng)力貓道已完成研制以及場(chǎng)內(nèi)鉆機(jī)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了一鍵式操作，效果良好。根據(jù)不同用戶(hù)需求、不同鉆機(jī)級(jí)別，蘭石裝備可以配套與之相匹配的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)。

(2) 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司作為中石油系統(tǒng)石油裝備制造骨干企業(yè)，在中石油系統(tǒng)的支持下，大力開(kāi)發(fā)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，目前已經(jīng)研制了動(dòng)力貓道、二層臺(tái)機(jī)械手、動(dòng)力鼠洞、泥漿防濺盒、緩沖機(jī)械手等管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備，有部分產(chǎn)品已投入使用，目前還處于試驗(yàn)以及接收用戶(hù)檢驗(yàn)階段。

(3) 煙臺(tái)杰瑞石油服務(wù)集團(tuán)股份有限公司的管柱處理系統(tǒng)設(shè)備主要有推扶式排管機(jī)械手，該裝置安裝在二層臺(tái)下方，配合人工或者鉆臺(tái)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)立根的存取。

(4) 中國(guó)石化勝利油田鉆井工藝研究院的管柱處理系統(tǒng)設(shè)備主要有動(dòng)力貓道，該裝置采用鋼絲繩拖曳方式實(shí)現(xiàn)管柱在排管架與鉆臺(tái)面之間的輸送。

(5) 其他還有三一集團(tuán)有限公司、四川宏華石油設(shè)備有限公司、中國(guó)石化江漢石油管理局第四機(jī)械廠等均有部分管柱處理系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)，并有部分產(chǎn)品已投入生產(chǎn)使用，有部分仍在研發(fā)試驗(yàn)階段，其中三一集團(tuán)有限公司排管機(jī)械手在應(yīng)用中效果良好。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)發(fā)展情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)外對(duì)管柱自動(dòng)處理技術(shù)的研究起步較早，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在歐美等國(guó)家技術(shù)已比較成熟，應(yīng)用也較為廣泛，而在國(guó)內(nèi)石油機(jī)械行業(yè)企業(yè)大多數(shù)的管柱自動(dòng)處理技術(shù)的研究及應(yīng)用剛剛起步，目前主要的操作方式依然是人工操作或部分機(jī)械化操作，遠(yuǎn)不能達(dá)到目前鉆井自動(dòng)作業(yè)的要求，蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司根據(jù)目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，積極研制符合用戶(hù)需求的的自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)，為管柱的自動(dòng)化處理給出合理、符合現(xiàn)狀的解決方案。

2 自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)的解決方案

2.1 自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)作業(yè)流程

管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)由管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)和管柱自動(dòng)排放系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)負(fù)責(zé)將管柱由地面移送到鉆臺(tái)上，為接立根操作完成準(zhǔn)備工作；管柱自動(dòng)排放系統(tǒng)負(fù)責(zé)立根的排放，在吊卡、卡瓦和鐵鉆工配合工作，完成接立根操作后，將管柱立根轉(zhuǎn)移到立根盒內(nèi)，為起下鉆作業(yè)做好準(zhǔn)備。具體流程如圖2所示。

圖2 管具處理流程

2.2 自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理單體設(shè)備介紹

2.2.1 液壓排管架

與動(dòng)力貓道共用液壓站，采用液壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)輸送到動(dòng)力貓道排管架上，如圖3所示。

圖3 蘭石液壓排管架

2.2.2 動(dòng)力貓道[1]

該設(shè)備由貓道底座、坡道、支架、送鉆柱裝置、控制系統(tǒng)組成。管柱由排管架自動(dòng)送入送鉆柱裝置，通過(guò)拉升或者舉升支架實(shí)現(xiàn)送鉆柱起升，送鉆柱小滑車(chē)向前運(yùn)動(dòng)，完成鉆柱向井口位置的移送。自帶液壓系統(tǒng)，預(yù)留液壓排管架接口。根據(jù)不同起升方式，蘭石有鋼絲繩拖曳式和液缸舉升式動(dòng)力貓道，并且已經(jīng)系列化，可以適應(yīng)不同級(jí)別鉆機(jī)配套，產(chǎn)品照片如圖4、5所示。

圖4 蘭石鋼絲繩拉升式動(dòng)力貓道

2.2.3緩沖機(jī)械手

采用液壓驅(qū)動(dòng)，主要部件包括：安裝座、扶持臂、扶持鉗、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。固定在井架后背梁上，采用雙扶正臂結(jié)構(gòu)，可對(duì)貓道輸送的管柱進(jìn)行緩沖，在井口、鼠洞進(jìn)行鉆桿推扶作業(yè)。如圖6所示。

圖6 蘭石緩沖機(jī)械手

2.2.4泥漿防濺盒

該設(shè)備是針對(duì)鉆具卸扣上提時(shí)，鉆具中的泥漿有四射噴濺現(xiàn)象，導(dǎo)致工作現(xiàn)場(chǎng)濕滑，存在較大的安全隱患等而研究、設(shè)計(jì)，該裝置可有效防止泥漿飛濺并回收鉆具內(nèi)流出的泥漿，如圖7所示。

2.2.5 鐵鉆工

主要功能是快速、安全地完成鉆桿、鉆鋌等管具的上卸扣和旋扣作業(yè)。如圖8所示。

圖8 蘭石鐵鉆工

2.2.6 動(dòng)力鼠洞

該設(shè)備的功能是在小鼠洞位置卡持鉆鋌、鉆桿、套管等管具，實(shí)現(xiàn)在小鼠洞建立根，如圖9所示。

圖9 蘭石動(dòng)力鼠洞

2.2.7 二層臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)

推扶式二層臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱(chēng)“自動(dòng)排管系統(tǒng)”)是針對(duì)鉆井過(guò)程中起、下鉆作業(yè)時(shí)鉆井立根(雙根、三根鉆桿或鉆鋌)依靠?jī)?nèi)、外鉗工在鉆臺(tái)面推、井架工在二層臺(tái)拉，勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高等研究、設(shè)計(jì)的專(zhuān)用設(shè)備，是完成在井口(或鼠洞)與二層臺(tái)之間移運(yùn)和排放立根作業(yè)的機(jī)械化設(shè)備，可通過(guò)推拉立根的方式，引導(dǎo)井口(或鼠洞)的立根到二層臺(tái)指梁，或反向引導(dǎo)二層臺(tái)指梁的立根到井口(或鼠洞)；通過(guò)與液壓吊卡配合可實(shí)現(xiàn)起、下鉆時(shí)二層臺(tái)無(wú)人化作業(yè)。如圖10所示。

2.2.8 液壓動(dòng)力集成系統(tǒng)

液壓動(dòng)力集成系統(tǒng)的主要功能是為鐵鉆工、液氣大鉗、套管鉗、鉆臺(tái)機(jī)械手、緩沖機(jī)械手、液壓貓頭、防噴器移動(dòng)裝置、底座井架緩沖液壓缸等鉆機(jī)配套設(shè)備和管柱自動(dòng)化設(shè)備提供相應(yīng)的液壓動(dòng)力，如圖11所示。

圖11 蘭石綜合液壓站

2.2.9 鉆臺(tái)機(jī)械手

鉆臺(tái)機(jī)械手是針對(duì)鉆井過(guò)程中，上鉆具、接鉆具對(duì)扣、存立根、取立根、方鉆桿進(jìn)大鼠洞、甩鉆具等工作需要靠鉆工推拉鉆具，勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高等研究、設(shè)計(jì)的專(zhuān)用設(shè)備，該裝置可通過(guò)無(wú)線遙控或遠(yuǎn)程控制臺(tái)操作，代替鉆工完成上述工作，如圖12所示。

圖12 蘭石司鉆集成控制系統(tǒng)

2.2.10 集成控制系統(tǒng)[3]

集成控制系統(tǒng)主要包括常規(guī)鉆機(jī)的控制和管柱自動(dòng)化配套設(shè)備的控制，常規(guī)鉆機(jī)的控制，其主要功能是對(duì)絞車(chē)、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤(pán)、電控系統(tǒng)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及監(jiān)控實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；管柱自動(dòng)化配套設(shè)備的控制，其主要功能是對(duì)9臺(tái)單元設(shè)備、1臺(tái)液壓動(dòng)力集成系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及監(jiān)控，并與常規(guī)的鉆機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制上的聯(lián)動(dòng)、互鎖，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、起下鉆、下套管等過(guò)程中管柱輸送與運(yùn)移的自動(dòng)化，同時(shí)，具備鉆臺(tái)區(qū)域各設(shè)備的區(qū)域化管理、統(tǒng)籌控制，在設(shè)備不干涉的條件下最大程度的實(shí)現(xiàn)并行作業(yè)，提高作業(yè)效率；對(duì)各減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，如圖13所示。

通過(guò)以上十個(gè)子系統(tǒng)單體設(shè)備的研制，形成一套可用于陸地或者海洋鉆機(jī)的自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的手工操作，該管柱自動(dòng)處理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)管柱從地面料場(chǎng)到鉆井過(guò)程的一體化操作，工人只需負(fù)責(zé)一些輔助工作，減少了工人的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，增大了操作范圍，鉆井工作流暢度的提高極大地縮短了鉆井作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了鉆工由勞動(dòng)者演變?yōu)椴僮髡叩慕巧D(zhuǎn)換，在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)石油鉆井行業(yè)中，蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司給出了安全、高效、低成本的解決方案。

3 自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)[4]

國(guó)內(nèi)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)剛剛起步，正處于試驗(yàn)階段，管柱自動(dòng)化作為提升鉆機(jī)效率、保障安全、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵技術(shù)，正向著智能化、無(wú)人化等方向發(fā)展，具體體現(xiàn)在以下方面。

3.1 節(jié)能技術(shù)

在整個(gè)鉆井過(guò)程中，有30%以上的時(shí)間耗費(fèi)在起下鉆等管柱處理作業(yè)上，同時(shí)管柱自動(dòng)化處理是一個(gè)多設(shè)備的集成系統(tǒng)，導(dǎo)致在整個(gè)鉆井過(guò)程中耗能較大，存在著很?chē)?yán)重的能源浪費(fèi)情況，需要相關(guān)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中引起重視，處理好管柱處理系統(tǒng)設(shè)備之間的有效銜接以及工藝流程的優(yōu)化，貫徹落實(shí)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

3.2 電驅(qū)技術(shù)

目前管柱自動(dòng)化處理設(shè)備大多數(shù)以液壓驅(qū)動(dòng)為主，以致于現(xiàn)場(chǎng)漏油、管線布局混亂等實(shí)際問(wèn)題；隨著中國(guó)制造2025以及自動(dòng)化、智能化推進(jìn)，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)備受青睞，該技術(shù)具有顯著的節(jié)能、減排和降噪效果，同時(shí)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制更加精確，管線布置簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了采用液壓電驅(qū)動(dòng)的漏油等問(wèn)題。

3.3 大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)智能鉆井專(zhuān)家技術(shù)

石油鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化必須基于大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)專(zhuān)家系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、自動(dòng)參與鉆井控制。這就要求管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備能夠提供精準(zhǔn)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，便于智能鉆井專(zhuān)家系統(tǒng)自行分析，執(zhí)行指令。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了現(xiàn)有的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)各種設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、分類(lèi)，進(jìn)一步說(shuō)明了每種設(shè)備的特點(diǎn)，重點(diǎn)描述了蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備及管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)根據(jù)鉆井工藝要求進(jìn)行的自動(dòng)化處理工藝的作業(yè)流程。指出今后管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的3個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，即節(jié)能技術(shù)、電驅(qū)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)智能鉆井專(zhuān)家技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化鉆井作業(yè)。