GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)研制

黃悅?cè)A，劉春寶，王耀華，買(mǎi)成華，邢廣亮，王 翠，白丙建

(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)

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GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)研制

黃悅?cè)A1，2，劉春寶1，2，王耀華1，2，買(mǎi)成華1，2，邢廣亮1，2，王 翠1，2，白丙建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)

為提高鉆井作業(yè)效率、降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高操作安全性，同時(shí)為了提高鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化水平。研制了GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，通過(guò)配置舉升式動(dòng)力貓道、自動(dòng)井架工、液壓吊卡、鐵鉆工等機(jī)械化設(shè)備，與頂驅(qū)裝置配合實(shí)現(xiàn)鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機(jī)械化輸送、機(jī)械化建立根、立根自動(dòng)化排放等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高效、安全、低作業(yè)強(qiáng)度的管柱自動(dòng)化處理作業(yè)模式。通過(guò)鉆機(jī)集成雙司鉆智能控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管柱處理系統(tǒng)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程集中控制。

鉆井；管柱；自動(dòng)化處理系統(tǒng)

常規(guī)鉆機(jī)的管柱處理作業(yè)基本是由常規(guī)貓道與坡道，風(fēng)動(dòng)絞車(chē)、液壓鉆桿鉗以及套管鉗等機(jī)械化工具，并在多人操作及人力輔助配合下完成的。隨著陸地鉆機(jī)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化需求的日益提高，依靠人力輔助簡(jiǎn)易的機(jī)械化工具已不能滿(mǎn)足“提速、提素、提質(zhì)”的需求。管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)屬于一種新型的鉆井裝備，鉆機(jī)通過(guò)配套管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)進(jìn)行鉆井作業(yè)，可大幅縮短接單根、建立根、起下鉆等管柱處理作業(yè)時(shí)間，從而達(dá)到提高鉆井作業(yè)效率和安全性[1]的目的。

目前，國(guó)內(nèi)鉆井裝備制造商已陸續(xù)研制出了動(dòng)力貓道[2]、二層臺(tái)井架工、鐵鉆工、液壓吊卡等管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)單元設(shè)備。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司與大慶鉆探工程公司于2015-01共同研制出了國(guó)內(nèi)首套適合于小型陸地鉆機(jī)配套使用的GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，該管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)包括舉升式動(dòng)力貓道，二層臺(tái)自動(dòng)井架工、翻轉(zhuǎn)式液壓吊卡、軌道式鐵鉆工以及雙司鉆集成控制系統(tǒng)等設(shè)備(子系統(tǒng))，可與頂驅(qū)裝置配合完成鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機(jī)械化輸送、機(jī)械化建立根、立根自動(dòng)化排放等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高效、安全、低作業(yè)強(qiáng)度的管柱自動(dòng)化處理作業(yè)模式，有效解決了目前國(guó)內(nèi)小型陸地鉆機(jī)普遍存在的管柱處理勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)危險(xiǎn)性高、作業(yè)效率低、易發(fā)生人身安全事故的現(xiàn)狀。

1 技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)是充分結(jié)合常規(guī)ZJ30DB型鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式而進(jìn)行的全新設(shè)計(jì)。鉆機(jī)地面管子堆場(chǎng)配置了舉升式動(dòng)力貓道(含液壓排管架)、鉆臺(tái)面配置了鐵鉆工、液壓吊卡，二層臺(tái)配置了自動(dòng)井架工，鉆機(jī)司鉆控制房配置了雙司鉆集成控制平臺(tái)。各部件在鉆機(jī)上的安裝位置如圖1所示。

1—舉升式動(dòng)力貓道；2—雙司鉆集成控制平臺(tái)；3—液壓吊卡；4—自動(dòng)井架工；5—鐵鉆工。

1.2 工作原理

系統(tǒng)基于常規(guī)鉆機(jī)管柱處理作業(yè)原理，即單根管柱在地面管子堆場(chǎng)區(qū)域與鉆臺(tái)面區(qū)域之間的雙向輸送作業(yè)，鉆臺(tái)面小鼠洞/井口建立根，井口與二層臺(tái)指梁間的立根排放的基本作業(yè)流程原理。通過(guò)配置舉升式動(dòng)力貓道、二層臺(tái)自動(dòng)井架工、液壓吊卡、鐵鉆工等機(jī)械化設(shè)備配合鉆機(jī)游吊系統(tǒng)及頂驅(qū)裝置、聯(lián)合雙司鉆集成控制平臺(tái)監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機(jī)械化輸送、機(jī)械化建立根、立根自動(dòng)化排放等作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)(如表1)

表1 GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 機(jī)械化及自動(dòng)化程度高

該管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)[3]配套的單元設(shè)備(如圖2～5所示)配合作業(yè)可實(shí)現(xiàn)管柱由地面管子堆場(chǎng)到鉆臺(tái)區(qū)之間的機(jī)械化輸送，在井口或鼠洞機(jī)械化建立根以及立根在井口和二層臺(tái)指梁區(qū)的自動(dòng)化排放等。完全替代了傳統(tǒng)鉆井管柱處理作業(yè)過(guò)程中的依靠人力“拖、拉、拽”等繁重的、高危險(xiǎn)、低效率的工作，全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，大幅降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，提高了作業(yè)的效率。

圖2 舉升式動(dòng)力貓道狀態(tài)1

圖3 舉升式動(dòng)力貓道狀態(tài)2

圖4 二層臺(tái)自動(dòng)井架工

圖5 鐵鉆工和液壓吊卡

2.2 智能化及集成化程度高

系統(tǒng)配套的雙司鉆集成控制系統(tǒng)[4]和遠(yuǎn)程電子雙司鉆智能控制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)單元設(shè)備的整體監(jiān)控及自動(dòng)化控制。通過(guò)主、副司鉆一體化操控座椅實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集中操控，雙司鉆集成控制系統(tǒng)除具有常規(guī)鉆井設(shè)備控制功能之外，還可完成鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機(jī)械化化輸送、建立根、立根排放等作業(yè)的智能化集中控制[5]，形成高效、安全、低作業(yè)強(qiáng)度的管柱自動(dòng)化處理作業(yè)控制模式，大幅提高了鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化、集成化水平。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 適合小型陸地鉆機(jī)的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)配套技術(shù)

在常規(guī)ZJ30DB型鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)集成了適合小型陸地鉆機(jī)的管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)配套了適合于兩種鉆臺(tái)高度的舉升式動(dòng)力貓道，低位安裝，可實(shí)現(xiàn)X-Y作業(yè)模式的二層臺(tái)自動(dòng)井架工排管。配備具有直線(xiàn)移動(dòng)功能的軌道鐵鉆工以及具有自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能的液壓吊卡等關(guān)鍵設(shè)備。適合小鉆臺(tái)的高度集成化的雙司鉆集成控制平臺(tái)，解決了小型陸地鉆機(jī)應(yīng)用的多種機(jī)械化設(shè)備配套技術(shù)難題。

3.2 多設(shè)備聯(lián)合高效作業(yè)技術(shù)

系統(tǒng)采用可編程控制技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、集成控制技術(shù)，通過(guò)主、副司鉆一體化座椅實(shí)現(xiàn)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)所有設(shè)備的集中控制與監(jiān)視，如圖6所示。上位工控機(jī)IPC、自動(dòng)化級(jí)(PLC)、數(shù)字傳動(dòng)級(jí)和司鉆操作臺(tái)通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖7所示。最終實(shí)現(xiàn)多設(shè)備聯(lián)合高效作業(yè)。

圖6 雙司鉆控制平臺(tái)

圖7 自動(dòng)控制環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

3.3 雙司鉆集中遠(yuǎn)程控制技術(shù)

雙司鉆集成控制系統(tǒng)通過(guò)采集各設(shè)備設(shè)置的位移傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等傳感器的信號(hào)對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備的動(dòng)作運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確控制、并針對(duì)設(shè)備軌跡存在重疊進(jìn)行必要的安全邏輯互鎖控制，確保各設(shè)備安全、高效作業(yè)，如圖8～9所示。

圖8 司鉆集成控制界面1

圖9 司鉆集成控制界面2

4 廠(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)

4.1 單設(shè)備功能及型式試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)各設(shè)備功能及能力，試驗(yàn)采用了雙司鉆集成控制操作模式、本地應(yīng)急控制臺(tái)操作模式，驗(yàn)證了各設(shè)備是否能按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)功能要求，并且按設(shè)備的參數(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了相應(yīng)的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明各設(shè)備均能按相應(yīng)指令進(jìn)行工作，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

4.2 設(shè)備聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖菫槟M油田現(xiàn)場(chǎng)管柱處理作業(yè)流程的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，主要測(cè)試項(xiàng)目為井口模擬接單根、鼠洞建立根以及二層臺(tái)立根自動(dòng)化排放等試驗(yàn)，所有設(shè)備及子系統(tǒng)均參與了此項(xiàng)試驗(yàn)，同時(shí)與常規(guī)管柱處理作業(yè)流程進(jìn)行的周期對(duì)比試驗(yàn)，整個(gè)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中各設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，銜接可靠、且作業(yè)效率明顯高于常規(guī)人工作業(yè)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1) GC 2L4型鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)采用機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)電液聯(lián)合控制模式，各設(shè)備操作靈活可靠，可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)地面排管區(qū)、二層臺(tái)區(qū)域的無(wú)人值守以及管柱處理作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化操作，可大幅降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)安全性。

2) 該管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)完成了廠(chǎng)內(nèi)的全部型式試驗(yàn)及聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。下一步將發(fā)往油田進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn)。根據(jù)工業(yè)性試驗(yàn)的效果及時(shí)進(jìn)行設(shè)備及系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，以便于設(shè)計(jì)定型及量產(chǎn)。

3) 該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于國(guó)內(nèi)小型陸地鉆機(jī)的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展具有重要意義，具有良好的社會(huì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 于興軍，孫志剛，魏培靜，等.國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀與建議[J].石油機(jī)械，2014，42(11)：25-29.

[2] 趙淑蘭，李文彪，聶永晉，等.動(dòng)力貓道技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(2)：13-15.

[3] 常玉連，姜開(kāi)勛，樊巖松，等.鉆修井作業(yè)中管柱處理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展[J].石油機(jī)械，2012，40(1)：87-89.

[4] 張鵬飛，朱永慶，張清鋒，等.石油鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化技術(shù)研究和發(fā)展建議[J].石油機(jī)械，2015，43(10)：13-17.

[5] 白丙建，譚剛強(qiáng)，欒蘇，等.陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43(2)：86-88.

Development of GC 2L4 String Automatic Processing System

HUANG Yuehua1，2，LIU Chunbao1，2，WANG Yaohua1，2，MAI Chenghua1，2，XING Guangliang1，2，WANG Cui1，2，BAI Bingjian1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

In order to improve the drilling efficient，reduce the labor intensity of workers，and improve the automatic and intelligent operation level of drilling rig，Development of GC 2L4 String automatic processing system，through the configuration of lifting Power Catwalk，automatic derrickman，flip type hydraulic elevator，rail type iron roughneck machinery equipment and so on.These equipment with the assistance of top drive devices Accomplish the drill pipe，drill collar and casing drilling string of mechanical transmission，mechanical root，establish the automatic discharge operation.High production efficient，safe，low intensity model of the pipe treatment system are realized.Through integrated driller control platform of the rig，pipe automation remote post processing system centralized control.

drilling；pip string；automatic processing system

2016-06-06

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科研開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“3000米全自動(dòng)化鉆機(jī)”( 2016B-4003)

黃悅?cè)A(1960-)，男，陜西臨潼人，高級(jí)工程師，主要從事石油鉆機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作，E-mail：jszxhyh@bomco.cn。

1001-3482(2016)11-0066-04

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.015