ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

方勇，趙剛，范業(yè)群

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163000）

1 引言

目前，3000 米及以下的鉆機(jī)主要型號(hào)有ZJ30DB、ZJ30DJ、ZJ30JD、ZJ30CZ、ZJ25、ZJ20DB、ZJ15DB、ZJ15D、ZJ15JD 等，主要為機(jī)械、電動(dòng)、機(jī)電混合、車裝等機(jī)型。

鉆具上下鉆臺(tái)采用小絞車吊運(yùn)，管具上卸扣雖配備了液氣大鉗等半自動(dòng)化工具，但仍需要人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低，存在安全隱患；絞車、轉(zhuǎn)盤等配置減速箱，傳動(dòng)效率低，噪聲大，易漏油；沒(méi)有實(shí)現(xiàn)鉆井液循環(huán)不落地，環(huán)保性能差；鉆機(jī)搬遷部件多，搬遷工作量大。

隨著國(guó)家能源需求的多樣性，頁(yè)巖氣、煤層氣等特殊工藝井的規(guī)模開(kāi)采，以及高壓噴射、水平井、欠平衡壓力鉆井等鉆井新技術(shù)的推廣應(yīng)用，也要求采用具有更高的作業(yè)效率的自動(dòng)化鉆機(jī)，以期達(dá)到縮短建井周期，降低開(kāi)采成本的目的。

現(xiàn)有3000 米及以下的鉆機(jī)生產(chǎn)效率低，運(yùn)行費(fèi)用高，安全性能差，已成為鉆井提速、提效的瓶頸，急需進(jìn)行新型3000 米自動(dòng)化鉆機(jī)的研發(fā)，為3000 米鉆機(jī)的更新?lián)Q代提供備選機(jī)型，提高鉆機(jī)自動(dòng)化水平，降低鉆井作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全環(huán)保水平，滿足工程技術(shù)提速、提效的需求。

2 ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)的研制

2016 ～2019 年，ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)由大慶油田與寶石機(jī)械和中石油鉆研院共同研發(fā)，完成了國(guó)內(nèi)首部中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用。

2.1 設(shè)計(jì)原則

保證設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、可靠性、完整性、安全性，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)管柱處理作業(yè)的自動(dòng)化。設(shè)計(jì)適應(yīng)北方油田的環(huán)境氣候，滿足鉆機(jī)野外作業(yè)要求。主要設(shè)備具有應(yīng)急操作功能。

2.2 環(huán)境條件和HSE 要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了健康、安全、環(huán)保等因素。安全設(shè)施設(shè)計(jì)、配置合理、齊全。各報(bào)警、限位及互鎖機(jī)構(gòu)靈敏、可靠。防爆電機(jī)均采用隔爆型，防護(hù)等級(jí)IP55；傳感器均為本安、澆封或隔爆型。高空設(shè)備緊固件具備可靠的防松措施。關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)具有斷電斷液失壓狀態(tài)保護(hù)功能。系統(tǒng)按常規(guī)鉆機(jī)使用溫度-18 ～+50℃進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 確定鉆機(jī)總體方案

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，本著高效、節(jié)能、自動(dòng)化、綠色環(huán)保的目標(biāo)，針對(duì)現(xiàn)有ZJ30 鉆機(jī)在應(yīng)用中的不足，進(jìn)行自動(dòng)化鉆機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用，形成完善的中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)制造與應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，配置鉆井液循環(huán)不落地處理系統(tǒng)，滿足綠色環(huán)保的要求，達(dá)到最佳應(yīng)用效果，解決鉆井工作中人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高的難題，提升國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)在海內(nèi)外鉆井市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

2.4 鉆機(jī)配套方案

針對(duì)我國(guó)中淺油氣勘探開(kāi)發(fā)井進(jìn)行ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)的集成應(yīng)用研究，形成了鉆機(jī)的總體配置及技術(shù)方案。ZJ30/1800DB自動(dòng)化鉆機(jī)（見(jiàn)圖1）采用超長(zhǎng)單根進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，集成頂驅(qū)、絞車、泥漿泵直驅(qū)技術(shù)，管柱自動(dòng)化輸送與上卸扣技術(shù)以及idriller?司鉆控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的自動(dòng)化，可以有效提升鉆井作業(yè)安全性、降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 鉆機(jī)主要包括子系統(tǒng)和主要設(shè)備

鉆機(jī)布局主要分為兩個(gè)區(qū)域：地面區(qū)、鉆臺(tái)區(qū)。

空氣凈化處理設(shè)備如空氣凈化器、光觸媒、活性炭、定量活性氧技術(shù)等都可以有效去除苯、甲醛、胺等有毒氣體，殺滅細(xì)菌病毒，凈化車內(nèi)空氣，快速實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣純凈、清新，保障駕乘人員健康。

地面區(qū)設(shè)備主要包括：液壓排管架、動(dòng)力貓道、輸送機(jī)械手、液壓站、泥漿泵等設(shè)備。動(dòng)力貓道擺放在大門坡道處，可以完成管柱在排管架與輸送機(jī)械手之間的輸送；液壓排管架擺放在動(dòng)力貓道兩側(cè)，用于排放管柱，實(shí)現(xiàn)管柱的自動(dòng)滾入/滾出；輸送機(jī)械手臥放在動(dòng)力貓道內(nèi)，可以將管柱直接遞送到井口中心；液壓站布置在鉆臺(tái)底座后側(cè)低位，為整部鉆機(jī)提供的液壓動(dòng)力源；泥漿泵等固控設(shè)備布置在鉆機(jī)底座的右后側(cè)，實(shí)現(xiàn)鉆井泥漿的循環(huán)和處理。

圖1 ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)整體布局圖

鉆臺(tái)區(qū)設(shè)備主要包括底座、井架、天車、鐵鉆工、頂驅(qū)、液壓吊卡、動(dòng)力卡瓦、液壓吊卡、司鉆控制房等。底座為整部鉆機(jī)的基礎(chǔ)，在井場(chǎng)的正中間，其上有井架，鐵鉆工軌道固定在鉆臺(tái)井口后側(cè)，用在完成管柱下端的上卸扣作業(yè)；頂驅(qū)軌道安裝在井架左右立柱上；動(dòng)力卡瓦固定在鉆臺(tái)面井口中心處，可以懸持井下管柱；液壓吊卡安裝在吊環(huán)上，可以提升管柱；司鉆控制房安裝在鉆臺(tái)面井口左側(cè)，按雙司鉆設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的智能化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)隨各部件安裝在不同的區(qū)域。

鉆機(jī)采用單根進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，并配套了舉升式管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，其自動(dòng)化程度和作業(yè)安全性帶來(lái)很大的提升，大大減少作業(yè)人員。按照不同的鉆井作業(yè)模式，對(duì)常規(guī)鉆機(jī)和應(yīng)用管柱自動(dòng)化系統(tǒng)作如下對(duì)比分析：

表2 常規(guī)鉆機(jī)和應(yīng)用管柱自動(dòng)化系統(tǒng)鉆機(jī)對(duì)比分析表

根據(jù)各種作業(yè)工況分析，使用管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，鉆臺(tái)面只需要2 名鉆工（含主司鉆、機(jī)具操作手）即可完成作業(yè)。

2.5 ZJ30 自動(dòng)化鉆機(jī)的研制

（1）鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)原理。ZJ30/1800DB 鉆機(jī)采用工業(yè)網(wǎng)電（或發(fā)電機(jī)組）作為主動(dòng)力，經(jīng)變頻單元（VFD）驅(qū)動(dòng)交流變頻電機(jī)帶動(dòng)絞車、頂驅(qū)及鉆井泵工作。井架采用前開(kāi)口兩節(jié)伸縮式結(jié)構(gòu)，底座為高低臺(tái)組合結(jié)構(gòu)，高臺(tái)采用液缸直立起升。鉆機(jī)配抓舉式管柱自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管柱輸送、上卸扣的自動(dòng)化作業(yè)。

（2）鉆機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，頂驅(qū)、絞車、鉆井泵等設(shè)備采用電機(jī)直驅(qū)技術(shù)。

絞車傳動(dòng)流程圖：動(dòng)力系統(tǒng)→電動(dòng)機(jī)→聯(lián)軸器→絞車滾筒軸。

鉆井泵傳動(dòng)流程圖：動(dòng)力系統(tǒng)→電動(dòng)機(jī)→聯(lián)軸器→鉆井泵。

絞車、鉆井泵、頂驅(qū)采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，一對(duì)一控制或一對(duì)二控制。絞車采用1×630kW 交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)鼓形齒式聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)滾筒軸；鉆井泵采用2×600kW 交流變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒輪軸；頂驅(qū)裝置采用1×420kW 交流變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸。

（3）鉆機(jī)主體結(jié)構(gòu)。井架采用前開(kāi)口兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，后倒起放，三級(jí)液缸起升，上段伸縮依靠絞車提升游吊系統(tǒng)及大繩實(shí)現(xiàn)；底座為高低臺(tái)組合，高臺(tái)采用液缸直立起升。無(wú)立根臺(tái)，取消二層平臺(tái)；取消轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)、大小鼠洞、氣動(dòng)絞車等設(shè)備。底座下設(shè)軌道式平移系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)整體平移。

（4）抓舉式管柱自動(dòng)化系統(tǒng)。管柱處理系統(tǒng)主要由動(dòng)力貓道、管柱輸送機(jī)械手、鐵鉆工、動(dòng)力泥漿盒、動(dòng)力吊卡等組成。通過(guò)貓道排管架將水平放置管柱送入管柱輸送機(jī)械手，由管柱輸送機(jī)械手將管柱直接遞送到井口，進(jìn)行安全、高效鉆井作業(yè)。

（5）控制系統(tǒng)。按照自動(dòng)化鉆機(jī)安裝工藝和鉆井工藝，所有控制設(shè)計(jì)集成化，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備協(xié)調(diào)、統(tǒng)一、安全控制。通過(guò)電氣液一體化自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)iDriller 司鉆集成控制系統(tǒng)的集成化、自動(dòng)化、信息化，保證鉆機(jī)所有遠(yuǎn)控設(shè)備的集成協(xié)調(diào)操作和信息化統(tǒng)一管理。液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感系統(tǒng)，一臺(tái)集成液壓站滿足鉆機(jī)起升、移運(yùn)及頂驅(qū)、動(dòng)力貓?jiān)狻⑤斔蜋C(jī)械手、鐵鉆工、吊卡、液壓隨車吊等所有液壓設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

2.6 鉆機(jī)配套技術(shù)規(guī)范

2.6.1 鉆機(jī)主要設(shè)備參數(shù)

名義鉆井深度(φ114mm 鉆桿)：3000m；最大鉤載：1800kN；游動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：5×6；絞車額定功率：630kW；鉆井泵型號(hào)及數(shù)量：F-1300×1；井架形式：K 型，兩節(jié)伸縮式井架；井架有效高度：28m；鉆臺(tái)高度：5m，3.3m；電傳動(dòng)方式：AC-DC-AC；適用最大管柱規(guī)格：鉆桿6-5/8″鉆鋌8″套管13-3/8″；適應(yīng)管柱長(zhǎng)度范圍：8 ～13.5m。

2.6.2 管柱處理系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

輸送管柱長(zhǎng)度范圍：8 ～13.5m；輸送最大管柱重量：20kN；輸送管柱直徑范圍2-7/8″～13-3/8″；最大卸扣扭矩：100kN·m；動(dòng)力泥漿盒適用管柱范圍：2-7/8〞～7〞；氣動(dòng)卡瓦適用管柱范圍：2-7/8〞～7〞；DDZ-Y7-250 液壓吊卡適用管柱范圍：2-7/8〞～7〞；DDZ-Y13 3/8-250 液壓吊卡適用管柱范圍8〞～13-3/8〞；鐵鉆工夾持范圍：鉆桿：2-7/8〞～5-1/2〞；鉆鋌：6〞～9〞；套管：4〞～13-3/8〞。

3 ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)的應(yīng)用

ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)非常適合在鉆深3000 米以內(nèi)的鉆井作業(yè)中使用，鉆機(jī)于2019 年3 月14 日運(yùn)到某油田鉆井隊(duì)安裝調(diào)試，2019 年4 月13 日開(kāi)始打第一口井，經(jīng)過(guò)工業(yè)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)了安全評(píng)估檢測(cè)，應(yīng)用效果良好，受到工人的歡迎。

圖2 雙司鉆集中控制室

圖3 ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)與原同規(guī)格的常規(guī)鉆機(jī)相比，綜合指標(biāo)有很大提高。鉆機(jī)應(yīng)用了中淺井管柱自動(dòng)化處理技術(shù)、司鉆集中控制技術(shù)和絞車、頂驅(qū)、鉆井泵“三直驅(qū)”技術(shù)等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，方便搬運(yùn)安裝，降低作業(yè)強(qiáng)度，鉆機(jī)安全環(huán)保性能好。

通過(guò)ZJ30 中淺井自動(dòng)化鉆機(jī)自動(dòng)管柱輸送處理系統(tǒng)與雙司鉆集中控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，減少了鉆井鉆臺(tái)作業(yè)人數(shù)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，取消高空作業(yè)，保障操作人員人身安全，提高鉆井效率，滿足鉆井HSE 要求，為大慶油田的鉆井發(fā)展提供裝備保障。

4 結(jié)語(yǔ)

中淺井鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理技術(shù)、雙司鉆集中控制技術(shù)的應(yīng)用，降低了鉆井勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全環(huán)保水平，減少了作業(yè)人數(shù)，為中淺井鉆井工程提供了裝備保障，為未來(lái)中淺井鉆機(jī)的改進(jìn)提供了新思路。