懸持式管柱自動(dòng)化鉆機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用與改進(jìn)建議

常 飛

（川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司川慶70212 隊(duì)，重慶 404100）

0 引言

在中國石油集團(tuán)公司“十二五”重大項(xiàng)目支持下，川慶鉆探和寶石機(jī)械共同研制了懸持式管柱處理自動(dòng)化鉆機(jī)。該鉆機(jī)配有自動(dòng)輸送管柱的動(dòng)力貓道、懸持管柱的自動(dòng)井架工、翻轉(zhuǎn)液壓吊卡、自動(dòng)上卸扣裝置的鐵鉆工等管柱處理裝置。2015 年5 月開始在磨溪109 井第一口井工業(yè)試驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，基本能滿足使用要求，初步達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康摹?016 年8 月，經(jīng)過機(jī)械技術(shù)升級及設(shè)備改進(jìn)，設(shè)備故障率進(jìn)一步降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

鉆機(jī)采用懸持式管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，配套鋼絲繩拉升式動(dòng)力貓道和緩沖機(jī)械手實(shí)現(xiàn)鉆桿從地面到鉆臺自動(dòng)輸送；伸縮臂式鐵鉆工實(shí)現(xiàn)鉆桿和鉆鋌的自動(dòng)上卸扣操作；自動(dòng)井架工和液壓翻轉(zhuǎn)吊卡實(shí)現(xiàn)二層臺無人值守槽。配套的設(shè)備結(jié)構(gòu)新穎、安全性好，實(shí)現(xiàn)了管柱從排管架到鉆臺面及二層臺全過程自動(dòng)化操作作業(yè)[2]。ZJ70DB56 懸持式管柱自動(dòng)化鉆機(jī)布局如圖1 所示。

1.2 工作原理

圖1 鉆機(jī)管柱系統(tǒng)布局

自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理過程主要由管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)、建立根自動(dòng)處理系統(tǒng)、立柱自動(dòng)排放系統(tǒng)組成。管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)通過動(dòng)力貓道將鉆桿或鉆鋌從地面自動(dòng)輸送至鉆臺面；建立根自動(dòng)處理系統(tǒng)將動(dòng)力貓道輸送到鉆臺的鉆桿通過液壓吊卡和鐵鉆工自動(dòng)上卸扣實(shí)現(xiàn)單根管柱連接成立根或?qū)⒘⒏鹦冻蓡胃?；立柱自?dòng)排放系統(tǒng)采用懸持式自動(dòng)井架工懸持管柱實(shí)現(xiàn)管柱在二層臺指梁與井口之間的移動(dòng)。司鉆采用雙司鉆集成控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備在司鉆房遠(yuǎn)程智能控制。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

2.1 動(dòng)力貓道

動(dòng)力貓道（圖2）采用液壓驅(qū)動(dòng)鋼絲繩拉升形式，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)完成貓道送鉆柱裝置運(yùn)送鉆桿至鉆臺面，動(dòng)力貓道兩側(cè)配有管柱踢出和傾斜機(jī)構(gòu)，采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)管柱進(jìn)入或送出貓道自動(dòng)化。動(dòng)力貓道具有3 種操作模式，分別是本地操作臺操作、遠(yuǎn)程無線遙控盒、遠(yuǎn)程司鉆房控制。

2.2 鐵鉆工

圖2 動(dòng)力貓道

伸縮臂式鐵鉆工（圖3），伸縮臂式鐵鉆工占用鉆臺面面積小，利用電控液技術(shù)，通過編程實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)上卸扣功能。相比常規(guī)的液氣大鉗，鐵鉆工更加自動(dòng)化、智能化，使鉆工遠(yuǎn)離井口，提高人員安全性。鐵鉆工具有3 種操作模式且相互鎖定，分別為遠(yuǎn)程無線遙控操作、司鉆房集中控制和本地應(yīng)急操作。

圖3 鐵鉆工

2.3 液壓吊卡

液壓吊卡（圖4）具有常規(guī)吊卡所有功能的同時(shí)，增加了吊卡翻轉(zhuǎn)功能，利用電控液技術(shù)驅(qū)動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)吊卡的開合、翻轉(zhuǎn)功能。液壓吊卡與頂驅(qū)共用液壓源，在司鉆房實(shí)現(xiàn)吊卡的遠(yuǎn)程控制。

圖4 液壓翻轉(zhuǎn)吊卡

2.4 自動(dòng)井架工

自動(dòng)井架工（圖5）采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，液缸推動(dòng)四邊形傾斜臂變幅，整體安裝在氣動(dòng)指梁二層臺上，由操作臺、回轉(zhuǎn)裝置、傾斜臂、伸縮臂、調(diào)垂油缸、夾持鉗、扶持鉗和鉆具檢測裝置以及電液控制系統(tǒng)等組成?；剞D(zhuǎn)裝置控制自動(dòng)井架工所夾持鉆柱的旋轉(zhuǎn)并作為設(shè)備的安裝固定基礎(chǔ)。傾斜臂、調(diào)節(jié)裝置和伸縮臂控制自動(dòng)井架工夾持鉆柱后移送至指定位置。夾持鉗、扶持鉗和鉆具檢測裝置用于檢測、夾持和扶正鉆柱。自動(dòng)井架工采用PLC 程序控制，利用編碼器和位移傳感器實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)安全互鎖，并確保立根排放精確定位。

圖5 自動(dòng)井架工

2.5 司鉆集成控制系統(tǒng)

懸持式管柱自動(dòng)鉆機(jī)配套遠(yuǎn)程電子雙司鉆集成控制系統(tǒng)（圖6），司鉆房遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)電氣傳動(dòng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)控制、鉆井儀表等設(shè)備的集中控制和信息顯示。雙司鉆集成控制系統(tǒng)具有設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、安全管控系統(tǒng)、防碰撞管理及后臺數(shù)據(jù)記錄等功能，大大提高了司鉆操作的自動(dòng)化、智能化水平。

圖6 雙司鉆集成控制系統(tǒng)

3 應(yīng)用效果

3.1 鉆井工藝現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

懸持式管柱自動(dòng)化鉆機(jī)累計(jì)施工作業(yè)3 口井，正在進(jìn)行第4口井工業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，懸持式管柱自動(dòng)化鉆機(jī)能夠滿足鉆井工藝和安全生產(chǎn)的需求，可實(shí)現(xiàn)管柱的自動(dòng)輸送、自動(dòng)上卸扣和自動(dòng)排放等功能，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。各井基本數(shù)據(jù)見表1。

3.2 設(shè)備可靠性分析

懸持式管柱自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備布局合理，具有軌跡導(dǎo)向、一鍵操作、運(yùn)動(dòng)防碰、安全互鎖、故障智能診斷等功能，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)自動(dòng)化安全作業(yè)，達(dá)到了國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。經(jīng)過機(jī)械技術(shù)升級和不斷改進(jìn)，設(shè)備可靠性大幅度提高，故障率逐步降低，故障停工率1.99%。各井停工檢修統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 各井基本數(shù)據(jù)

表2 各井停工檢修統(tǒng)計(jì)

磨溪109 井故障主要表現(xiàn)為自動(dòng)井架工不能夾持8 英寸和9 英寸鉆鋌；自動(dòng)模式回轉(zhuǎn)和傾斜復(fù)合動(dòng)作時(shí)抖動(dòng)較大；內(nèi)置伸縮傳感器故障；鐵鉆工旋扣鉗液壓馬達(dá)和滾輪頻繁損壞。磨溪X211 井故障主要為新增加伸縮油缸外置編碼器后，操作畫面上紅色坐標(biāo)亂跳，系統(tǒng)頻繁提示進(jìn)入測試模式，無法操作，取消外置編碼器接線后故障恢復(fù)；液壓吊卡打開關(guān)閉油缸活塞桿斷裂。高石001-X12 井故障主要為自動(dòng)井架工夾持鉗油缸連接螺栓斷，無法打開；夾持鉗油缸漏油；回油管線接頭虛接，縮回?zé)o動(dòng)作，夾持英寸鉆桿移動(dòng)時(shí)下滑。高石126 井故障主要為自動(dòng)井架工油缸內(nèi)置傳感器插接件電纜松動(dòng)，導(dǎo)致無法操作；扶正鉗管線漏油；氣動(dòng)指梁卡板部分不能打開；鐵鉆工上、下鉗支點(diǎn)臂斷裂。

3.3 起下鉆時(shí)效

隨著設(shè)備可靠性逐步提高，在安全井段下，實(shí)際起下鉆桿能達(dá)到18 柱/h，最快時(shí)能達(dá)到22 柱/h，和常規(guī)電動(dòng)鉆機(jī)基本持平。

3.3 應(yīng)急處理及系統(tǒng)安全冗余功能

懸持式立根排放系統(tǒng)在現(xiàn)場鉆井過程中會出現(xiàn)故障，如設(shè)備功能短時(shí)不能恢復(fù)時(shí)，應(yīng)迅速使用設(shè)備的應(yīng)急處理功能或其他應(yīng)急措施，控制設(shè)備離開井口區(qū)域或干涉作業(yè)區(qū)域，將吊卡扣合鉆具，接頂驅(qū)開通泥漿泵上下活動(dòng)鉆具，最大限度地消減鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備故障處理通常按照以下流程進(jìn)行：①用司鉆控制座椅遠(yuǎn)程控制，恢復(fù)故障設(shè)備至初始狀態(tài)或安全作業(yè)狀態(tài)；②用設(shè)備的本地操作臺或控制閥手動(dòng)換向按鈕控制設(shè)備進(jìn)行單動(dòng)作，恢復(fù)故障設(shè)備至初始狀態(tài)或安全作業(yè)狀態(tài)；③直接拆除液壓管線或控制閥，使相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)泄壓，人工恢復(fù)設(shè)備至初始狀態(tài)或安全作業(yè)狀態(tài)。系統(tǒng)應(yīng)急處理及安全功能見表3。

4 改進(jìn)建議

4.1 鐵鉆工旋扣鉗

現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，鐵鉆工旋扣鉗滾輪與鉆桿在滾動(dòng)摩擦?xí)r造成鉆桿損傷等問題，建議通過實(shí)驗(yàn)不同硬度或材質(zhì)的滾輪，減少對鉆桿的損傷。鐵鉆工在大扭矩上卸扣過程中出現(xiàn)夾緊力過大、造成鉗牙壓潰或鉆桿咬傷等現(xiàn)象，建議對于不同類型鉆桿增加自動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊力功能，防止應(yīng)夾緊力過大造成鉆桿損傷。

4.2 指梁可靠性

氣動(dòng)指梁包括230 個(gè)鉆桿指梁，8 個(gè)鉆鋌指梁，每個(gè)指梁都由單獨(dú)的氣缸控制，立根在該行進(jìn)出時(shí)，之前的卡板需要全部打開關(guān)閉，造成卡板銷軸退出、固定螺栓松動(dòng)，氣缸及氣管線磨損，設(shè)備的可靠性大大降低，而且高空維修難度較大，增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，建議在設(shè)計(jì)上重新考慮指梁的可靠性及可維護(hù)性。

4.3 自動(dòng)井架工工作模式

通過4 口井的現(xiàn)場應(yīng)用，起下鉆中鉆桿占據(jù)很大比例，尤其是井深達(dá)到5500 m 以上時(shí)，井內(nèi)鉆具結(jié)構(gòu)大部分是4 英寸及以下鉆桿，8 英寸和9 英寸鉆鋌在3000 m 作業(yè)前一般是各兩柱。隨著井下工具螺桿和鉆頭新工具應(yīng)用越來越成熟，上部井段鉆井提速效果非常明顯，起下鉆次數(shù)顯著降低，夾持大鉆鋌的總作業(yè)時(shí)間相對很短，懸持式立根排放系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越不明顯。而且懸持式立根排放系統(tǒng)二層臺組裝繁瑣，和普通二層臺相比，要多近1 天的安裝時(shí)間。建議排放鉆桿時(shí)采用懸持模式,提高設(shè)備自動(dòng)化程度的同時(shí),還保證設(shè)備的穩(wěn)定性，提高設(shè)備的使用效率；排放大鉆鋌時(shí)采用推扶模式，不承受立根重力載荷，可改善并架的承載受力狀況，充分發(fā)揮設(shè)備的能力。

4.4 集成司鉆控制系統(tǒng)

集成司鉆系統(tǒng)采用分體式布置，主機(jī)安裝在司鉆偏房，電腦顯示器位于司鉆房，該方式在信號傳輸時(shí)出現(xiàn)中斷和丟數(shù)據(jù)包現(xiàn)象，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后采用一體機(jī)替代原有方案，在司鉆房應(yīng)用一體機(jī)減少中間環(huán)節(jié)，降低故障率，有效提高集成司鉆系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.5 信息化遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

隨著鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，建議通過AI 技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化通信方式及信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)控制的遠(yuǎn)程化、集群化、智能化作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)井場危險(xiǎn)區(qū)域無人化作業(yè)。