鉆井自動化送/甩鉆裝備發展探析

張 杰，曹巍巍，姚賀杰，楊中興，楊東升，孫緒發

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457；2.中國石油集團濟柴動力有限公司再制造分公司，河北滄州 062658）

0 引言

近年來，隨著國內外鉆機配套設備自動化技術水平不斷提高，相繼開發出了自動鐵鉆工、全自動液壓動力貓道、自動排管裝置、二層臺機械手臂、自動甩鉆等高技術含量的裝置。

我國鉆機數量在全球的占有量相對較多，但在正在服役的鉆機中傳統鉆機所占比例較高。在鉆井過程中，傳統鉆機的鉆桿上、下鉆臺需3～4 名工人配合，使用鉆臺與貓道上的兩部氣動絞車，通過鋼絲繩拉、拽方式將鉆桿拖入坡道、貓道完成作業。此操作效率低、工人勞動強度大、安全性差，鉆桿的損壞程度高[1]。鉆機配套液壓動力貓道、氣動甩鉆裝置實現自動化送、甩鉆功能是鉆井裝備自動化技術發展水平的體現，是大勢所趨。

1 液壓動力貓道

國外先進鉆機配備動力貓道較早，尤其是俄羅斯、美國等石油輸出大國，基本上要求鉆機配備。其中以加拿大CANRIG 公司的技術最為領先，國內不少廠家也在進行這方面研究。本文以CANRIG 公司液壓貓道原理為例進行闡析。

該裝置集機械、電氣、液壓于一體遠程無線遙控，將鉆桿在地面與鉆臺之間進行送上或運下。其結構主體有平跑道、斜跑道、運移桿三部分，不需要另外配備坡道和貓道，斜跑道可折疊到平跑道上整體運輸，到井場后斜跑道與鉆臺連接固定即可（圖1）。

圖1 全自動液壓動力貓道結構

（1）送鉆過程。搖臂將鉆桿從管排架上鉤住后緩慢升起，依靠鉆桿的重力經平跑道滾入運移架中的V 形槽內，此動作前運移架上的一側擋舌會升起防止沖出V 形槽，完成此動作另一側擋舌升起。鋼絲繩拉動運移架在平跑道中行走，到達平跑道行程終點后運移架前端的滾輪開始在斜跑道的軌道中起升，直至把運移架的前端送上鉆臺到達限位處。小車推動鉆桿沿運移架前端V 形滾輪前移，頂驅提環前伸吊卡鎖緊鉆桿后提升。

（2）甩鉆過程。頂驅將鉆桿下落，手動推入落到小車上拖動后移，運移架落回平跑道起點位置，運移架一側擋舌落下，V 形槽內的撥翻將鉆桿撥出滾落到搖臂上再下落到地面。

擋舌、撥翻、搖臂由液壓齒輪泵控制液壓缸實現升降，柱塞泵為絞車提供動力實現運移架的起升及鉆桿的進退。PLC 控制電氣、液壓系統實現與機械系統的聯動，單人無線遙控操作完成送、甩鉆。液壓動力貓道的優點是動作平穩、安全性高、承載力大、可運送鉆桿、套管、油管、鉆鋌等鉆具，缺點是：①運送能力有限，每次只能運送1 根，運送單根鉆具的能力為3 min 左右，耗時長；②液壓系統額定工作壓力16 MPa，長期使用密封件易造成滲油，污染環境；③需要頂驅的配合才更能體現其先進性，國內7000 m 以下鉆機配置頂驅較少。

2 氣動甩鉆裝置

國內鉆井速度較快，縮短甩鉆時間可以大幅提升鉆井隊的效益。國內在用的傳統鉆機相對較多，自動氣動甩鉆裝置的誕生替換原貓道不更改坡道，就能很好地解決甩鉆時間長的問題，最多一次可以同時甩3 根鉆桿。以4000 m 鉆機為例，配備的鉆桿約400 根，比傳統甩鉆可以節約2/3 時間。該裝置結構分成兩截方便疊加運輸，到達井場后將坡道落到該裝置上固定即可（圖2）。

圖2 全自動氣動甩鉆裝置現場使用

為了適應快速的鉆井作業，鉆井隊通常需要提前將每3 個單根鉆桿接成1 個立根排放到二層平臺上，以4000 m 鉆機計約130 根立根，接立根的過程還需要傳統方式送鉆，在甩鉆過程中使用全自動氣動甩鉆裝置提高效率。

鉆井隊完成鉆井作業拆除井架前需將立根鉆桿拆分成單根鉆桿運送下鉆臺，使用氣動甩鉆裝置的流程是：①井架游車將立根吊起，第1 根鉆桿放入鼠洞內卸扣分離；②游車將另兩根鉆桿吊起，鉆臺上的氣動絞車將鼠洞內的鉆桿吊出放到坡道V 形槽內；③在此過程中游車將第2根鉆桿放入鼠洞卸扣分離后依次與第1 根鉆桿并排擺放到坡道V 形槽內；④甩鉆裝置的翻板將3 根鉆桿撥到小車上，小車的卡爪扣住鉆桿端部一起拖動到指定位置后，卡爪抬起小車脫離鉆桿，貓道上的翻板將3 根鉆桿一起傾斜抬出貓道。從甩鉆裝置抬板將鉆桿撥到小車計時起至鉆桿滾出貓道約1 min，大幅提升了甩鉆效率（圖3）。

圖3 甩鉆裝置各工作環節情況

翻板、卡爪、抬板均由氣動系統控制氣缸實現。PLC 控制電氣、氣控系統實現與機械系統的聯動，單人無線遙控操作完成甩鉆。氣動甩鉆裝置的優點是動作迅速耗時少、一次3 根效率高、電耗低（整機約5 kW）、使用井場氣源即可工作方便無污染。缺點是承載能力低，鉆鋌、套管等偏重偏大的鉆具不能運送；考慮到安全因素暫不能實現送鉆功能。

3 結束語

上文介紹了液壓動力貓道和氣動甩鉆裝置，兩種裝備均可以實現單人遠程操作、手動和遙控雙控制、PLC 控制驅動，能夠實現自動聯鎖，安全性高。液壓動力貓道的制作成本高、承載力大、運送速度慢，比較適合于國外鉆井要求，而氣動甩鉆裝置制作成本低、效率高、故障率低、無污染，比較適用國內的快速鉆井。結合國內陸地鉆機的實際情況，提高鉆井自動化送/甩鉆裝備的安全性和智能化是未來的發展方向，能夠起到“立竿見影”的效果，具有深遠的現實意義。