自動化鉆機研發(fā)理論

摘 要：鉆機行業(yè)競爭日益激烈，鉆機作業(yè)環(huán)境也日趨復(fù)雜，針對效率高、性能可靠、安全風(fēng)險小的自動化鉆機研發(fā)已迫在眉睫。本文從研發(fā)角度介紹了自動化鉆機研發(fā)的思路和方法，以及自動化鉆機研發(fā)過程中應(yīng)該注意的問題和解決辦法。

關(guān)鍵詞：自動化鉆機 一體化 拆分和整合 常規(guī)鉆機

中圖分類號：TD421 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0072-02

國內(nèi)鉆機經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，鉆機的類型和級別日益增加，從當(dāng)年的大慶II型鉆機到現(xiàn)在的9000 m、12000 m鉆機，從探井到修井，從陸地到海洋，從平地到沙漠、大山、森林和沼澤，從純機械傳動鉆機到現(xiàn)在的直流、交流、交流變頻、混和動力和液壓鉆機，鉆機結(jié)構(gòu)類型更是數(shù)不勝數(shù)，門類繁多。盡管如此，國內(nèi)鉆機與國外鉆機還是有一定的差距，主要原因是鉆機在自動化研發(fā)、應(yīng)用方面，重視和投入程度不夠，導(dǎo)致鉆機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏創(chuàng)新，鉆機關(guān)鍵部件沒有競爭優(yōu)勢，尤其對高投入高回報的海洋鉆井鉆機，自動化程度太低，操作工人勞動強度大，人機安全系數(shù)低。在此條件下，常規(guī)鉆機利潤下降，國內(nèi)鉆機競爭日趨激烈。所以研發(fā)自動化鉆機，實現(xiàn)鉆機關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化，將是今后整個鉆機行業(yè)發(fā)展的主題。

根據(jù)不同的使用環(huán)境，自動化鉆機需要不同的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，而決定自動化鉆機總體結(jié)構(gòu)的主要因素是鉆機的關(guān)鍵零部件和整個鉆井工藝。鉆機關(guān)鍵零部件的設(shè)計取決于鉆機上下游產(chǎn)業(yè)的技術(shù)支持力度；鉆井工藝需要對整個鉆井工藝進行綜合分析和優(yōu)化。結(jié)合目前國內(nèi)鉆機行業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，自動化鉆機設(shè)計應(yīng)該從以下幾點著手開展。

1 自動化鉆機總體概念設(shè)計

自動化鉆機總體概念設(shè)計，排除市場和生產(chǎn)的干擾，作為研發(fā)和儲備技術(shù)的一種手段，這個設(shè)計過程牽涉到幾個學(xué)科和專業(yè)，需要在鉆機設(shè)計行業(yè)或者在鉆機使用方面經(jīng)驗豐富、大機械和自動化控制專業(yè)性強的團隊。自動化鉆機研發(fā)核心內(nèi)容包括鉆機安裝，設(shè)備操作和控制，鉆機井口工具及鉆具排放，鉆機泥漿循環(huán)和凈化系統(tǒng)，鉆機動力源系統(tǒng)，井控和固控系統(tǒng)、鉆機動力驅(qū)動和控制以及各個系統(tǒng)、設(shè)備、工具、環(huán)境檢測等部分。自動化鉆機總體概念設(shè)計主要有以下幾點：首先依據(jù)鉆井工藝提出常規(guī)鉆機從開鉆到完井所有的工序、步驟、人力、工具、設(shè)備結(jié)構(gòu)和環(huán)境地質(zhì)參數(shù)等，然后列出整個鉆井到完井所用到的鉆井設(shè)備、工具、各個系統(tǒng)等。根據(jù)所有鉆井設(shè)備、工具、各個系統(tǒng)使用性能統(tǒng)一或者分類設(shè)備動力源以及控制，其次優(yōu)化鉆井工藝和整合各個鉆井設(shè)備，進行一體化設(shè)計，模擬、建模數(shù)個自動化鉆機方案，最后對每個方案，從自動化鉆機的自身性能、自動化程度、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化等幾個方面進行裁量，取舍和優(yōu)化。

具體考慮以下幾點。

1.1 自動化鉆機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化鉆機總體結(jié)構(gòu)要與鉆機設(shè)備融到一起設(shè)計，從鉆機總體考慮集成結(jié)構(gòu)和設(shè)備，結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安裝、設(shè)備的動力和控制統(tǒng)一考慮。自動化鉆機應(yīng)把常規(guī)鉆機的絞車，井架，天車，游車，頂驅(qū)，轉(zhuǎn)盤，大小鼠洞，各種操作鉗，鉆桿排放裝置，動力源及驅(qū)動、各個管匯閥門以及這些設(shè)備的控制、檢測、維護等等，整體一體化設(shè)計而言，一定要把鉆機提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、固定部分三者結(jié)合在一塊來設(shè)計，使設(shè)備融合到結(jié)構(gòu)中，打破常規(guī)鉆機設(shè)備和工具面貌，來實現(xiàn)鉆機設(shè)備和工具操作控制的自動化。

1.2 自動化鉆機設(shè)備驅(qū)動方式

自動化鉆機設(shè)備驅(qū)動方式有電驅(qū)動和液壓驅(qū)動，根據(jù)使用環(huán)境和驅(qū)動方式選擇使用哪種動力驅(qū)動，然后再選擇哪種動力傳遞方式。

1.3 自動化鉆機總體控制設(shè)計

自動化鉆機總體控制包括工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)設(shè)計，自動化鉆機所有控制設(shè)計應(yīng)集成設(shè)計，按照自動化鉆機安裝工藝和鉆井工藝，對鉆機所有控制點進行程序號化設(shè)計，使用可視和參數(shù)修改的計算機處理界面，使鉆機控制和操作方便容易，鉆機工作安全可靠。

1.4 自動化鉆機總體檢測設(shè)計

自動化鉆機總體檢測包括設(shè)備自身性能檢測、鉆機工作時各模塊連接參數(shù)檢測、整個鉆機工作環(huán)境氣體檢測、鉆機泥漿配比和容量損失檢測、井下鉆井及環(huán)境參數(shù)檢測等，檢測與控制同步，檢測與安全維護和預(yù)防同步。

2 自動化鉆機關(guān)鍵零部件的研發(fā)

鉆機關(guān)鍵零部件除了絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤外，還包括頂驅(qū)和柴油發(fā)電機，這五個設(shè)備國內(nèi)已有了系列化的設(shè)計和生產(chǎn)。但是自動化鉆機需要的絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)和柴油發(fā)電機也決非現(xiàn)在的尺寸和樣子，因此需要尺寸小功率大以及防暴等級、使用性能好的電機、馬達和柴油發(fā)電機，這就要求鉆機生產(chǎn)廠家與這些設(shè)備的外購廠家合作，共同研發(fā)出適合自動化鉆機使用的電機、馬達和柴油發(fā)電機。這里要強調(diào)的是自動鉆機不僅僅是為了方便快捷，以為的要求鉆機尺寸小，而是要求鉆機自動化程度越來越高、性能越來越可靠，效率和安全程度越來越高，而作業(yè)強度和風(fēng)險越來越小。

3 自動化鉆機井口操作工具的研發(fā)

自動化鉆機井口操作工具要求把常規(guī)鉆機支撐鉆柱用的補心和卡瓦、鉆柱上卸扣用的各種操作鉗、提放單（立）根的吊卡和吊環(huán)、排放單（立）根的鉆桿排放裝置按照使用方式集成在一起，打包分塊設(shè)計。在設(shè)計轉(zhuǎn)盤時就考慮把補心和卡瓦合在一起設(shè)計，盡量使補心和卡瓦整合在一起再放到轉(zhuǎn)盤內(nèi)，并且與轉(zhuǎn)盤使用相同的驅(qū)動方式和控制。對于井口各種操作鉗盡可能做到一鉗多用，實現(xiàn)自動操作和控制。吊卡、吊環(huán)與頂驅(qū)整合在一起設(shè)計，也盡可能使用相同的驅(qū)動方式和控制。鉆桿排放裝置與井架整合在一起設(shè)計，使井架內(nèi)設(shè)備與井架結(jié)構(gòu)相融合。打包分塊設(shè)計是在滿足鉆井工藝和工具相互協(xié)調(diào)工作的前提下進行的，不是簡單的相互疊加。整合是為了增加各個部分的功能，實現(xiàn)集中控制和驅(qū)動，最大化減少設(shè)備和工具數(shù)量。

4 自動化鉆機泥漿循環(huán)和凈化系統(tǒng)、井控和固控設(shè)備設(shè)計

自動化鉆機泥漿循環(huán)和凈化系統(tǒng)、井控和固控設(shè)備也是先整體設(shè)計后，再按系統(tǒng)工藝和地質(zhì)環(huán)境要求打包分塊設(shè)計，把設(shè)備、管匯、控制、檢測、安裝與結(jié)構(gòu)融合在一起，與整個自動化鉆機結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)。

5 自動化鉆機其它輔助設(shè)備的研發(fā)

自動化鉆機輔助設(shè)備包括自動化鉆機工作前后的一些準(zhǔn)備設(shè)備以及外用接口，這些部分設(shè)備是按位置及使用時間可以掛接在自動化鉆機上還是集成設(shè)計到自動化鉆機各分包內(nèi)，取決于自動化鉆機的總體設(shè)計。

6 自動化鉆機標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

自動化鉆機的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范除了鉆機性能參數(shù)外，鉆機設(shè)備通用性、電氣液設(shè)備和控制級別與性能、管匯、自動化程度等與常規(guī)鉆機標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范相比，要求更高，也更復(fù)雜，因為現(xiàn)在距自動化鉆機的系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化還有很長的路要走，所以自動化鉆機標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制訂需要不斷摸索和積累，它將伴隨著自動化鉆機發(fā)展而不斷完善。有了自動化鉆機才會有智能化鉆機，所以從務(wù)實的態(tài)度來推進鉆機的全面發(fā)展，是當(dāng)前我們研發(fā)和設(shè)計人員需要做的工作。

7 結(jié)論

自動化鉆機設(shè)計，不是簡單的拆分和整合，一定要結(jié)合自動化鉆機使用和工藝來設(shè)計和集成自動化鉆機每個零部件，用實體模型來檢驗自動化鉆機各項性能參數(shù)和動作，盡可能在設(shè)計角度和階段就預(yù)測出鉆機自動化程度和使用性能，當(dāng)然最后還得考慮制造成本、周期和實現(xiàn)難度。

自動化鉆機的發(fā)展前景十分廣闊，當(dāng)然也存在著風(fēng)險和難度，研發(fā)自動化鉆機是鉆機行業(yè)每個研發(fā)和設(shè)計人員最大的夢想和夙愿，自動化鉆機研發(fā)的成功與失敗也將影響國產(chǎn)鉆機工業(yè)的興衰，自動化鉆機的發(fā)展也決定鉆機整個產(chǎn)業(yè)鏈和上下游企業(yè)的興起，國產(chǎn)鉆機的未來將會在一場自動化鉆機設(shè)計與創(chuàng)新的競賽和合作中開始新的一頁。

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