陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

白丙建,譚剛強(qiáng),欒 蘇,楊海剛,劉春寶

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002;2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西 寶雞721002;3.川慶鉆探工程有限公司,成都610051)

陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

白丙建1,2,譚剛強(qiáng)3,欒 蘇1,2,楊海剛1,2,劉春寶1,2

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002;2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西 寶雞721002;3.川慶鉆探工程有限公司,成都610051)

鉆桿自動(dòng)化處理在提高鉆井效率,降低鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度方面效果明顯。介紹了國(guó)內(nèi)外陸地鉆機(jī)鉆桿處理的發(fā)展現(xiàn)狀。提出一種適用于陸地鉆機(jī)的鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,能對(duì)鉆桿進(jìn)行地面到鉆臺(tái)的傳送、上卸扣操作、鉆臺(tái)區(qū)立根傳送,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

鉆桿排放裝置;自動(dòng)化系統(tǒng);方案

在鉆井作業(yè)過(guò)程中需要進(jìn)行大量的鉆桿處理作業(yè)。這些作業(yè)主要包括:鉆桿的放置、移送到鉆臺(tái)、頂驅(qū)鉆進(jìn)時(shí)接立根、起下鉆時(shí)排放立根以及完鉆后卸立根、甩單根等操作。傳統(tǒng)鉆機(jī)的鉆桿處理作業(yè)是由二層臺(tái)井架工、鉆臺(tái)鉆工、司鉆等多人協(xié)作完成,存在高危險(xiǎn)性、高勞動(dòng)強(qiáng)度、低作業(yè)效率等問(wèn)題。

近年來(lái),隨著對(duì)鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化操作需求的日益提高,國(guó)內(nèi)陸地鉆機(jī)陸續(xù)開(kāi)始研制配套鉆桿自動(dòng)化處理工具,例如用于鉆桿輸送的動(dòng)力貓道、用于上、卸扣的鐵鉆工、用于立根排放的二層臺(tái)機(jī)械手等。但是,目前國(guó)內(nèi)鉆機(jī)還沒(méi)有整套鉆桿處理系統(tǒng)。針對(duì)這一現(xiàn)狀,有必要研究設(shè)計(jì)一套適用于鉆桿處理的自動(dòng)化系統(tǒng),以滿足鉆井作業(yè)提速、增效、安全的需求。

鉆桿自動(dòng)處理系統(tǒng)能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制的機(jī)械化設(shè)備來(lái)完成上述鉆桿處理作業(yè)。該系統(tǒng)結(jié)合液、氣、電和微機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)鉆桿在鉆臺(tái)與地面之間的自動(dòng)輸送、排放、儲(chǔ)運(yùn)等[1],以機(jī)械化設(shè)備替代鉆工來(lái)完成鉆桿處理作業(yè),避免了傳統(tǒng)的用鋼絲繩提吊鉆桿上、下鉆臺(tái)等高危險(xiǎn)操作,使鉆工遠(yuǎn)離高危作業(yè)區(qū)域,同時(shí)大幅降低了鉆工的作業(yè)強(qiáng)度。

1 國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)鉆桿處理發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

在國(guó)外,鉆桿處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)起步于20世紀(jì)40年代,目前產(chǎn)品已呈現(xiàn)多樣化和系列化的發(fā)展趨勢(shì)[2],基本都是動(dòng)力貓道、鐵鉆工、立根排放機(jī)械手組合來(lái)完成整個(gè)鉆桿處理作業(yè)。在海洋平臺(tái)方面,具有代表性的公司有美國(guó)的NOV公司,挪威的MH公司。NOV公司的立柱式排管系統(tǒng)主要包括低位軌道、導(dǎo)向臂、吊卡、立柱、夾持臂及夾持鉗等,它與鐵鉆工配合完成鉆桿接立根和立根的排放作業(yè),其指梁一般采用星型;MH公司的橋式排管機(jī)主要包括縱向軌道、橫向軌道、夾持臂及夾持鉗等,它與低位扶正手配合完成鉆桿立根排放作業(yè),其指梁一般采用X-Y型。在陸地鉆機(jī)上,威德福公司開(kāi)發(fā)的鐵井架工管子處理系統(tǒng)(Iron Derrickman Plus Pipe-Handling System)可用于立根排放作業(yè),部分特種鉆機(jī)(煤層氣鉆機(jī)、斜井鉆機(jī))上配套有用于鉆桿輸送的機(jī)械手。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi),近幾年陸續(xù)有廠家在研制鉆桿處理的單元設(shè)備,例如寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TZG140S型鐵鉆工、DM9型動(dòng)力貓道、TJG9 3/4-10型自動(dòng)井架工等;四川宏華石油設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LM-120型鐵鉆工、鉆柱輸送裝置;煙臺(tái)杰瑞公司生產(chǎn)的高空智能排管系統(tǒng);勝動(dòng)集團(tuán)石油機(jī)械公司生產(chǎn)的系列管桿自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)。上述設(shè)備部分已發(fā)往油田進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。但是,國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田鉆機(jī)還沒(méi)有配套鉆桿自動(dòng)化處理設(shè)備,仍采用傳統(tǒng)的鋼絲繩提吊鉆桿上、下鉆臺(tái),用液氣大鉗上、卸扣,用風(fēng)動(dòng)絞車(chē)拖拽配合人力推拉排放立根。一整套適用于鉆桿處理全程自動(dòng)化的系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)尚未投入使用。

2 鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案及參數(shù)

針對(duì)國(guó)內(nèi)鉆井作業(yè)的需要,開(kāi)展鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)的研究勢(shì)在必行。本文通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外各類(lèi)鉆桿處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種適合于陸地鉆機(jī)的鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,如圖1。

圖1 鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)方案示意

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù):

傳送速度(鉆桿從鉆桿盒到建一立根存入指梁)12柱/h

適用單根鉆桿長(zhǎng)度 8～11 m

適用立根(三單根一立根)鉆桿長(zhǎng)度 27～29 m

立根最大質(zhì)量 1 500 kg

適用鉆桿直徑73.0～168.3 mm(28～68英寸)

最大卸扣轉(zhuǎn)矩 70 k N·m

鉆桿立根排放最大作業(yè)半徑 4.3 m

自動(dòng)井架工回轉(zhuǎn)角度 ±170°

液壓系統(tǒng)壓力 16 MPa

2.2 方案說(shuō)明與流程描述[3]

如圖1所示,鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要由貓道、舉升機(jī)械手、鉆桿盒、電液控制系統(tǒng)等11個(gè)部分組成。立根架固定安裝在常規(guī)鉆機(jī)大門(mén)坡道旁邊,在立根架內(nèi)安裝了用于扶正鉆桿單根的扶正夾頭、用于旋扣或緊扣的液壓大鉗、用于提鉆桿的提升滑車(chē)以及鉆桿的懸持夾頭;在立根架的正前方固定安裝有貓道,在貓道內(nèi)裝舉升機(jī)械手;在貓道的一側(cè)布置有鉆桿盒;在鉆機(jī)井架上安裝有氣動(dòng)的新型二層臺(tái),在二層臺(tái)下方懸吊安裝有自動(dòng)井架工。整套系統(tǒng)的操作由電液控制系統(tǒng)完成,液壓系統(tǒng)為各設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力,電控系統(tǒng)根據(jù)程序及各部件的傳感器信號(hào)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行操作控制,系統(tǒng)控制臺(tái)設(shè)在鉆機(jī)司鉆房?jī)?nèi)。

鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)的具體作業(yè)流程包括3個(gè)階段:

1) 單根鉆桿的地面?zhèn)魉?將裝滿鉆桿的鉆桿盒置于貓道側(cè)圖示位置,操作鉆桿盒的提升梁將鉆桿滾入貓道中間的舉升機(jī)械手卡爪內(nèi),卡緊后機(jī)械手在油缸的作用下舉升,將單根鉆桿直立在立根架內(nèi)。

2) 單根連接為立根 立根架內(nèi)提升滑車(chē)下行,滑車(chē)卡鉗夾持鉆桿后舉升機(jī)械手回位;提升滑車(chē)上行約1根單根高度,舉升機(jī)械手舉升第2根鉆桿后,提升滑車(chē)下行使第1根鉆桿與之對(duì)好扣,液壓大鉗分別夾持上、下鉆桿的下、上接頭后,舉升機(jī)械手回位,扶正夾頭扶正,通過(guò)液壓大鉗將第1和第2根鉆桿連接成雙根;之后松開(kāi)扶正夾頭和大鉗,提升滑車(chē),繼續(xù)上提雙根約1根單根高度;機(jī)械手舉升第3根鉆桿后,同理完成第3單根的連接,至此整個(gè)立根連接完成;懸持夾頭夾持連接好的立根,提升滑車(chē)卡爪松開(kāi),下行約1根單根高度再夾持立根;提升滑車(chē)夾好立根后,懸持夾頭松開(kāi),提升滑車(chē)將整個(gè)立根上提到鉆臺(tái)面上,等待安裝在新型二層臺(tái)下方的自動(dòng)井架工抓取。

3) 立根鉆臺(tái)區(qū)傳送 自動(dòng)井架工在立根架內(nèi)抓取已連接好的立根,提升滑車(chē)松開(kāi)卡爪后,將立根轉(zhuǎn)移到所需要的位置(二層臺(tái)指梁內(nèi)或井口)供鉆井作業(yè)使用。

上述作業(yè)流程是從鉆桿盒的鉆桿單根輸送到在立根架內(nèi)建一立根并存入二層臺(tái)指梁的過(guò)程。在鉆井完成后甩鉆桿作業(yè)為其逆過(guò)程,在此不再贅述。

該鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的操作模式,鉆桿上、下鉆臺(tái),接、卸立根均不需占用頂驅(qū)及井口工具,使得鉆桿處理和鉆井過(guò)程可并行,從而節(jié)省大量鉆井輔助時(shí)間,提高了鉆井效率;鉆桿輸送及立根處理均為機(jī)械化遠(yuǎn)程操作,不需工人在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè),避免發(fā)生人身事故。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 在石油鉆機(jī)領(lǐng)域,特別是陸地石油鉆機(jī)領(lǐng)域內(nèi),鉆桿全程自動(dòng)化處理系統(tǒng)還是一個(gè)新生事物。但是,隨著石油鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化、無(wú)人操作化程度的日漸提高,以及HSE管理體系的發(fā)展需要,鉆桿自動(dòng)處理系統(tǒng)的應(yīng)用和普及必將是大勢(shì)所趨。

2) 該鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)特別適用于深井和超深井陸地鉆機(jī)的鉆桿自動(dòng)化處理作業(yè)。

3) 本文提出的鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)打破了從井架大門(mén)坡道上、下鉆桿,在鉆臺(tái)面建立根的常規(guī)傳統(tǒng)模式,引入立根架這一全新的設(shè)備來(lái)完成鉆桿的輸送,接、卸立根等鉆桿處理作業(yè),避免了作業(yè)人員與鉆桿的直接接觸,降低了鉆井人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了鉆井作業(yè)的工作環(huán)境。

4) 通過(guò)部分設(shè)備的局部更改或優(yōu)化,該系統(tǒng)還可適用于鉆鋌的作業(yè)處理。

[1] 尹曉麗,牛文杰,張中慧.鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(7):42-46.

[2] 劉文慶,崔學(xué)政,張富強(qiáng).鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(11):74-77.

[3] 白丙建,賈秉彥,樊春明,等.一種用于鉆桿接立根的裝置:中國(guó),201220274200.2[P].2013-01-16.

Design Tentative of Automatic Drill Pipe Handling System in Land Rig

BAI Bing-jian1,2,TAN Gang-qiang3,LUAN Su1,2,YANG Hai-gang1,2,LIU Chun-bao1,2
(1.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center,Baoji 721002,China;3.Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China)

Automatic drill pipe handling made favorable effect in improving the drilling efficiency and lightening the drilling workers labor intensity.The present development states of automatic drill pipe handling abroad is introduced in this paper and a design tentative of automatic drill pipe handling system in land rig is brought.This system can finish automatically drill pipe transmission and screwing up and screwing off and three-joint unit transmission.

drill pipe racking back device;automatic system;project

TE928

A

1001-3482(2014)02-0086-03

2013-08-29

中石油科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”(2011B-4301)

白丙建(1979-),男,四川綿陽(yáng)人,工程師,2003年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事石油機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)工作,E-mail:baibj163@163.com。