7000 m 自動化鉆機應用與建議

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

隨著科學技術的發展，石油工程技術服務行業要求石油鉆機降低安全風險、降低人工成本、減輕工人勞動強度，提升鉆井作業效率、提高機械化與自動化水平，達到降本增效的目的。根據此要求，中國石油天然氣集團公司制定了“兩年一代、六年三代”的鉆機發展規劃，以實現作業井場“省人、省心、省力、省時、省錢”為目標，以全面改善提升一線員工作業環境為出發點，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），推進工程技術服務隊伍標準化、專業化、機械化和信息化建設。

1 系統的結構和工作原理

1.1 系統設計

7000 m 自動化鉆機（圖1）配套管柱自動化處理系統，實現了鉆機管柱（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，具有遠程監測與故障診斷、鉆機智能送鉆功能的智能化控制系統，徹底改變了傳統石油鉆機依靠人力和經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隊伍“標準化、機械化、信息化、專業化”建設發展起到了強有力的技術支撐。

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，具有不同結構特點和不同行為方式的機器人系統，完全替代了人工作業方式，其主要設備包括液壓驅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，實現了機器全流程自動化作業，形成了安全、高效、流暢的管柱處理新模式。

2 系統關鍵設備組成

2.1 液壓排管架（圖2）

圖2 液壓排管架

液壓排管架導管架為三角桁架結構，底座為箱式拖撬，力學穩定性高、地面受力均勻，可解決寒冷地區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，實現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構，通過液壓馬達驅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；控制系統采用司鉆房遠程、無線遙控、本地應急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構，可前后伸縮、上下移動、整體回轉，能夠適應各種規格的鉆桿、鉆鋌的上/卸扣作業，具有司鉆房遠程、無線遙控、本地應急3 種控制模式，且各模式權限互鎖。相比常規的液氣大鉗，鐵鉆工更加自動化智能化，使鉆工遠離井口，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-90°～30°翻轉，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、鉗頭開合3 個動作可完成常規起下鉆立根排放作業，具有下沉或偏移可避讓立根臺過道，保證正常的鉆井作業流程。機械手具有內鉆具感知、旋轉角度、機械臂伸出長度等信息實時采集，實現鉆臺手一鍵去井口，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，折臂結構，安裝在二層臺下方，與二層臺一起安裝運輸。所有運動機構采用電動驅動，回轉、行走及伸縮使用伺服電機精準控制，可實現手動、自動兩種模式作業。

2.7 雙司鉆控制系統（圖8）

圖8 雙司鉆控制系統

司鉆房采用雙工位操控方式。配套寶石機械自主知識產權的Idriller 雙司鉆集成控制系統，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，提高集成控制的穩定性及冗余能力，實現包括管柱自動化設備在內的鉆機集成化控制，完成了多設備同時作業時的流程管理、位置速度管理、防碰撞管理等。

3 自動化鉆機油田應用情況

7000 m 自動化鉆機已經分別在新疆塔里木油田、青海花土溝、甘肅慶城、四川威遠等地相繼開鉆作業，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%；采用電機直驅技術，提高傳動效率9.6%，減輕設備重量10%；IdrillerR雙司鉆集成控制系統自動化程度高、作業安全可靠；鉆機遠程在線監測系統，實現設備故障遠程專家診斷；配套自動集中潤滑系統，實現單井作業免維護。鉆機整體運行良好，性能穩定。

4 智能化發展建議

4.1 電動化技術

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

4.2 視覺識別技術

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

4.3 工業互聯網技術

借助5G 邊緣計算MEC 鉆機控制系統部署智能監控平臺，實現了對設備的實時跟蹤檢測、大數據統計分析、告警預警等。