在役鉆機管柱自動化排放裝置配套技術(shù)研究與應(yīng)用

李占柱，王瑞成，李 勇，李滿江，宋 堯

(中石油川慶鉆探公司 長慶鉆井總公司，西安 710021)①

在石油鉆井作業(yè)過程中，需要將鉆桿由二層平臺入口移至立根盒或從立根盒移至井口，并需往復(fù)操作。傳統(tǒng)鉆機的操作方式需要井架工站在二層臺猴道控制鉆桿，將鉆桿從鉆桿架中移進或移出。移動鉆桿立根時，需要二層臺上的井架工伸手到井口中心位置將立根送到游車上的吊卡內(nèi)(或拆下來) ，并且還需在指梁與井口中心之間不斷移動立根。這種作業(yè)方式的工作重復(fù)性高、勞動強度大、危險系數(shù)較高，生產(chǎn)效率低。據(jù)國際鉆井承包商協(xié)會統(tǒng)計，30%～52%的傷亡事故發(fā)生在起、下鉆過程中，且耽誤了大量的鉆修井作業(yè)時間[1-2]。

針對傳統(tǒng)鉆井作業(yè)存在的問題，亟需配套井口自動化設(shè)備替代人工操作，實現(xiàn)鉆井作業(yè)少人化、無人化，降低安全隱患，并提升鉆井服務(wù)質(zhì)量、提高鉆井作業(yè)效率。

目前，新鉆機有成熟的管柱自動化設(shè)備配套技術(shù)方案。在役鉆機受井架、強度、空間及司控房配置的影響，暫無良好的解決方案。在役鉆機占各鉆探公司鉆機數(shù)量的98%以上，對現(xiàn)有鉆機進行升級改造，使其朝著智能化、自動化、無人化方向發(fā)展是鉆機的發(fā)展趨勢[3-8]。

1 管柱自動化排放裝置

1.1 總體方案

在役鉆機自動化管柱排放裝置主要包括電動二層臺扶管機械手、液壓吊卡和鉆臺面提管機械手。利用原鉆機司控房，集成自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)單司鉆一鍵式智能操作。二層臺和鉆臺面管柱自動排放，管柱上下鉆臺在井口與大門坡道間推扶，立柱在立根盒與井口之間推扶。二層臺利用扶管機械手，實現(xiàn)無人值守，降低了員工的勞動強度，提高了作業(yè)安全性。

為了滿足鉆機自動化改造的要求，新制(改造)二層臺，與原有井架配套安裝。實施前需對井架改造方案進行強度校核，符合API Spec 4F 《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》的要求[9]?，F(xiàn)場對鉆臺立根盒和鉆臺面進行改造，滿足鉆臺面機械手安裝和立根排放要求。

1.2 工作原理

自動化管柱排放裝置在起鉆作業(yè)時，頂驅(qū)帶著液壓吊卡從井口提起鉆柱，到達指定高度后停止；鉆臺面提管機械手伸展至井口，抓住鉆柱的下部，臂架收攏，回轉(zhuǎn)，平移，到達預(yù)定立跟盒位置，將鉆柱移動至目標(biāo)位置；下放游車坐放鉆具，鉆臺機械手回到原位；然后，二層臺扶管機械手伸展至井口，扶持鉆柱的上部，打開液壓吊卡的活門，臂架收攏，回轉(zhuǎn)，平移，到達預(yù)定指梁，將鉆柱移動至目標(biāo)位置，回到待機位置。下鉆作業(yè)時，工作流程與起鉆作業(yè)相反。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)管徑

鉆桿

鉆鋌

二層臺容量

?127 mm(5英寸)鉆桿

180柱

8柱

最大管柱質(zhì)量

10 t

操作半徑

2 600 mm

外形尺寸

8 600 mm×3 300 mm×3 000 mm

2 裝置配套

2.1 二層臺扶管機械手

二層臺扶管機械手由二層臺和機械手2部分組成，如圖1所示。二層臺包括二層臺框架、指梁、舌臺、欄桿和維修架等，并采用鉆鋌鎖、指梁鎖等安全機構(gòu)保證作業(yè)安全；機械手安裝在二層臺猴道的軌道中，由防爆伺服電機控制機械手平移、回轉(zhuǎn)、伸展及抓手開合。抓手可張大或縮小，以適應(yīng)不同外徑的鉆具。二層臺扶管機械手與普通二層臺具有互換性，隨井架起升。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，機械手各部件可手動調(diào)整姿勢和開合抓手，方便快速恢復(fù)至人工作業(yè)模式。由于二層臺扶管機械手采用伺服電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，總體質(zhì)量與普通二層臺相當(dāng)，滿足井架的強度要求[8]。

圖1 二層臺扶管機械手結(jié)構(gòu)示意

2.2 鉆臺面提管機械手

鉆臺面提管機械手主要由臂架系統(tǒng)(提管機械手)、行車總成、底座總成、滑車總成、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，如圖2所示。鉆臺面機械手自帶輔助立根盒，整體落在原立根盒上，根據(jù)現(xiàn)場要求，對原鉆臺面進行適應(yīng)性改造，超出原立根盒約200 mm；為了排污和清洗方便，整體側(cè)移式行車軌道高出輔助立根盒約250 mm；為了不影響原鉆機的人工作業(yè)模式，機械手安裝位置和運動軌跡避開臺面立根、動力大鉗等設(shè)備。機械手非作業(yè)工況時，停放在待機位，可避讓下套管、貓道上鉆桿等工況，且不影響人工作業(yè)，不妨礙司鉆室操作視線。排管送管過程具備司鉆一鍵自動操作功能，實現(xiàn)鉆具和套管上下鉆臺下部在井口或小鼠洞與大門坡道口之間的推扶，立柱在立根臺與井口之間的推扶，能配合坡道拉升式動力貓道作業(yè)，對立柱和套管只扶不提。鉆臺面提管機械手代替了鉆臺面人工扶管作業(yè)，提高了作業(yè)效率及安全性[10-11]。

圖2 鉆臺面提管機械手結(jié)構(gòu)示意

2.3 液壓吊卡

液壓吊卡由吊卡本體、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成，可實現(xiàn)管柱的提升和下放，吊卡的開合及翻轉(zhuǎn)，如圖3所示。液壓吊卡采用液壓驅(qū)動，實現(xiàn)司控房遠(yuǎn)程操作和狀態(tài)監(jiān)控。吊卡活門開關(guān)靈活，鎖緊可靠，使用安全，可實現(xiàn)向前≤90°翻轉(zhuǎn)；電磁閥控制箱安裝在頂驅(qū)上，電磁閥采用24 V直流供電；并配置了防墜落裝置及液壓載荷、機械載荷保護裝置。

2.4 司鉆集成控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由中央控制單元和伺服控制單元組成[12]，配置觸摸屏工業(yè)計算機，用于控制全套自動化設(shè)備，實時動畫顯示設(shè)備狀態(tài)信息，其操作界面如圖4所示。配置視頻監(jiān)控攝像頭，用于觀察二層臺機械手、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡和鉆臺面機械手的工作狀態(tài)，視頻信號集成到鉆機工業(yè)監(jiān)控視頻系統(tǒng)，畫面可根據(jù)工況切換。系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲功能；具備二層臺機械手、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、鉆臺面機械手的遠(yuǎn)程控制功能。

3 技術(shù)改造與安全措施

3.1 主要部件改造

1) 制作二層臺扶管機械手、鉆臺面提管機械手、液壓吊卡[13]。

2) 重新制造(或改造)二層臺，與原有井架配套安裝，且符合API Spec 4F 《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》的要求。

3) 對原司控房的控制系統(tǒng)進行升級改造。將二層臺扶管機械手、液壓吊卡、鉆臺面提管機械手集成到司控房控制，預(yù)留鐵鉆工、動力貓道及動力卡瓦備用的控制接口。

4) 配置視頻監(jiān)控設(shè)備，信號集成到鉆機原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

5) 對原司控房控制面板進行改造，安裝自動化設(shè)備操作硬件，如圖5所示。

6) 增加移動式獨立操作臺。操作臺的支架可伸縮、旋轉(zhuǎn)，使用時將操作臺拉近，不用時推開，如圖6所示。

3.2 安全互鎖

1) 二層臺機械手與絞車互鎖控制。在鉆機盤剎緊急制動控制氣路上串聯(lián)一個電磁氣閥，當(dāng)二層臺機械手到達井口上方干涉區(qū)域內(nèi)，控制器發(fā)出制動信號，電磁閥得電，盤剎工作鉗和安全鉗同時工作，剎住絞車；當(dāng)二層臺機械手離開井口上方干涉區(qū)域后，控制器復(fù)位剎車信號，大鉤正常上、下工作；當(dāng)游車位置在二層臺之下時，禁止二層臺機械手伸出猴臺范圍，其位置信息來源于絞車滾筒編碼器。

2) 解鎖。在操作臺面板上安裝復(fù)位硬開關(guān)解鎖，同時在顯示屏服務(wù)界面(通過密碼進入)加入強制解鎖“軟開關(guān)”。

3) 液壓吊卡與絞車互鎖控制。用液壓吊卡關(guān)門的開關(guān)信號(位置信號)控制剎住絞車。當(dāng)管柱進入液壓吊卡后，液壓吊卡執(zhí)行關(guān)門動作，活門未關(guān)閉到位時，絞車無法上提、下放游車。

4) 二層臺機械手與頂驅(qū)伸縮臂互鎖控制[14-15]。在頂驅(qū)操作面板的機械臂控制開關(guān)上面串聯(lián)常閉互鎖觸點，二層臺機械手到達井口上方危險區(qū)域時，中間繼電器得電，機械臂輸入控制開關(guān)失效，限制吊卡隨頂驅(qū)伸縮液缸移動。不使用二層臺機械手時，頂驅(qū)機械臂動作不受影響。

5) 二層臺機械手與液壓吊卡互鎖控制。在起鉆模式下，且僅有二層臺機械手抓手檢測到有管柱，將機械手完全關(guān)閉后，液壓吊卡方可打開，完成管柱交接；在下鉆模式下，液壓吊卡內(nèi)有鉆具且吊卡完全關(guān)閉后，二層臺機械手方可打開，完成管柱交接工作。

6) 指梁鎖與二層臺機械手互鎖[16-17]。起鉆時，機械手對準(zhǔn)目標(biāo)指梁后，只有對應(yīng)指梁鎖打開后，臂架才能伸展；下鉆時，機械手抓住鉆桿后，只有對應(yīng)指梁鎖打開后，臂架才能收縮。

4 技術(shù)特點

1) 與國內(nèi)雙人司控房idiller管柱自動化控制系統(tǒng)相比，司控房單司鉆 “一鍵式”智能管柱處理系統(tǒng)，降低了員工勞動強度、現(xiàn)場作業(yè)安全風(fēng)險及現(xiàn)場作業(yè)的可操作性，且減少了作業(yè)人員，可應(yīng)用于在役鉆機的自動化改造。

2) 高空智能排管機械手預(yù)設(shè)智能路徑，代替井架工完成管柱二層平臺指梁和井口中心往復(fù)移動，可實現(xiàn)無人化操作；機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，與原二層臺可互換，無需對鉆機再次改造；伺服控制，一鍵操作，實現(xiàn)高精確排管，一次抓、取成功；保留原人工作業(yè)模式，出現(xiàn)故障后不影響原有手動排管作業(yè)模式。

3) 鉆臺面提管機械手采用模塊化設(shè)計，除滿足鉆桿的容量的立根盒外，方便安裝、拆卸及井場搬家運輸，滿足井場車輛尺寸要求。

4) 鉆臺提管機械手整體操作以司鉆房為主，實現(xiàn)單司鉆一鍵智能操作；運動軌跡與在二層臺運動軌跡合二為一，系統(tǒng)融合，智能定位；采用弧形立根盒臺面，鉆桿自重定位；控制系統(tǒng)與現(xiàn)有二層臺控制集成，自動切換控制模型。

5 現(xiàn)場應(yīng)用評價

1) 降低鉆井施工過程中管柱處理作業(yè)風(fēng)險。 鉆機自動化處理系統(tǒng)主要設(shè)備實現(xiàn)了司鉆一鍵式智能操作，避免了雙司鉆協(xié)同作業(yè)溝通配合不當(dāng)帶來的風(fēng)險。系統(tǒng)互鎖功能完善，避免了各設(shè)備之間交接配合不當(dāng)帶來的風(fēng)險，同時整套設(shè)備使用范圍廣，基本滿足井隊施工的各種工況，避免了人工直接參與作業(yè)，降低人員操作安全風(fēng)險，安全風(fēng)險大幅降低，安全管理省心。

2) 省人、省力降低了人力成本。自動化鉆機按設(shè)計配套齊全并投入使用正常后,在常規(guī)起下鉆作業(yè)中，比同類型普通鉆機節(jié)省1～2人，在接立柱等非常規(guī)作業(yè)能節(jié)省3～4人，且勞動輕度明顯降低，現(xiàn)場2個鉆井隊的對比如表1所示。

表1 起下鉆工況與接立柱工況用工對比 人

3) 自動化控制單元可自由選配，適合所有類型鉆機所需配置。 管柱自動化系統(tǒng)適用于在役鉆機自動化升級改造，可根據(jù)實際需求自由選擇各單元設(shè)備配套使用，經(jīng)現(xiàn)場不同類型鉆機的應(yīng)用實踐表明，起下鉆效率略低于常規(guī)鉆機,接立柱效率與常規(guī)鉆機持平,鉆進時接立根運行效率高于常規(guī)鉆機。

4) 作業(yè)模式切換便捷，確保作業(yè)連續(xù)。 管柱自動化處理系統(tǒng)不改變現(xiàn)有鉆井工藝流程，在設(shè)備出現(xiàn)故障，無法快速排除故障時，可隨時切換至人工操作模式繼續(xù)作業(yè)，不影響作業(yè)時效。

6 結(jié)論

1) 在役鉆機管柱自動化排放裝置配套技術(shù)，立足于鉆機不回廠，在現(xiàn)場對鉆機進行改造集成，并利用原司控房對控制系統(tǒng)進行升級改造。

2) 該技術(shù)實現(xiàn)了二層臺扶管機械手和鉆臺面提管機械手配合作業(yè)，能夠自動完成抓取、移動和排放鉆柱，代替了井架工和鉆臺內(nèi)外鉗工，減少了危險區(qū)域作業(yè)人數(shù)，提高了鉆井效率，安全性能好，減輕了勞動強度。

3) 配套的二層臺扶管機械手和模塊化鉆臺面提管機械手，適用于在役陸地鉆機的自動化改造。