淺析井口旋扣設備的現(xiàn)狀和發(fā)展

朱明坤

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

旋扣設備是鉆井工程中必不可少的工具，旋扣設備的使用貫穿整個鉆井工程，鑒于旋扣設備的重要性，國內外油田已研制出各種不同規(guī)格型號的旋扣設備，以適應不同的鉆井工藝需要。從傳統(tǒng)的B 型吊鉗，到各種型號、各種原理的液壓動力鉗；從單個液壓動力鉗到組合式液壓動力鉗，從微牙痕動力鉗到無牙痕動力鉗，從需要多人操作的液壓大鉗到全自動的鐵鉆工，經過多年發(fā)展，井口旋扣設備已經形成了一套較為完整的規(guī)格型號和結構體系。

1 旋扣設備的發(fā)展

1.1 B型吊鉗

在初期的旋轉鉆井中，主要采用鏈鉗把絲扣擰上，再用大錘敲擊鉗柄，然后在井眼里完成上扣［1］。20 世紀初手動大鉗逐漸代替鏈鉗開始應用于起下鉆和修井作業(yè)中，目前鉆井中普遍采用手動大鉗是B型吊鉗，如圖1 所示。其中規(guī)格為3-1/2″～9-5/8″的B 型吊鉗用于上卸鉆具螺紋，規(guī)格為11-3/8″～20″的B型吊鉗用于上緊套管螺紋。

在使用時，B型吊鉗的吊桿與鋼絲繩連接，鋼絲繩另一端繞過井架上的滑輪拉至鉆臺下方并墜以重物，以平衡吊鉗自重，方便調節(jié)其高度。工作時先打開扣合器，移動大鉗使管柱進入鉗頭，關閉扣合器，推動鉗柄施加扭矩，由于鉗頭的楔緊作用，使鉗牙咬住管柱并傳遞扭矩，實現(xiàn)上卸扣。B 型吊鉗利用扣合鉗鉗牙楔緊管柱，利用杠桿原理傳遞扭矩，操作時需要內外鉗工配合使用，費時費力，安全性也較差。

1.2 液壓動力鉗

圖1 B型吊鉗結構示意圖

隨著鉆井技術的發(fā)展，20 世紀中葉國內外各大油氣田企業(yè)相繼研究出液壓動力鉗，液壓動力鉗的出現(xiàn)，一定程度上減輕了井口工人的勞動強度，提高了井口的工作效率，經過不斷改進，液壓大鉗逐漸取代手動大鉗，成為井口旋扣設備的主要裝置［2］。目前在國內油田鉆修井作業(yè)中，大多使用的是液氣混合型動力大鉗，這種動力大鉗屬于半自動化上卸扣裝置。圖2 為江蘇如石機械有限公司生產研發(fā)的TQ340-35Y 型套管動力鉗，是開口式液氣混合型動力大鉗，配備有主鉗和背鉗兩個動力鉗。主鉗連接液壓動力站，由液壓動力站驅動液壓馬達和行星齒輪變速系統(tǒng)，完成扭矩的轉換和傳遞，鉗體采用爬坡滾子式夾緊機構實現(xiàn)鉗頭顎板夾緊套管。背鉗連接井場氣源，通過移送氣缸完成動力鉗的前進和后退，通過夾緊氣缸帶動顎板總成擺動，顎板總成上的滾子沿著坡板體內圓弧面的曲線進行爬坡，使得顎板鉗牙咬住管柱，完成夾緊。主鉗和背鉗均裝有扭矩傳感器，可通過扭矩檢測儀實現(xiàn)對上扣扭矩的實時監(jiān)測。

液壓動力鉗的研發(fā)，從根本上改變了傳統(tǒng)上扣方式，使得井口旋扣作業(yè)邁向機械化、自動化的發(fā)展進程，并改進了鉆井工藝，拓展了井口旋扣設備的功能，使上扣扭矩值實時化、數(shù)字化，有效地提高旋扣質量。

圖2 TQ340-35Y型套管動力鉗

1.3 無牙痕管鉗

隨著勘探開發(fā)的深入以及深井、水平井等技術的應用越來越廣泛，天然氣的開發(fā)規(guī)模也逐漸增大，使得地層壓力逐漸增大，地層腐蝕性氣體增多，對套管的承壓性、密封性及抗腐蝕性提出了更高的要求。液壓動力鉗的廣泛應用雖然提高了工作效率、降低了工人勞動強度，同時也存在著一系列問題。常規(guī)液壓動力鉗的鉗牙與管柱的接觸面積小，鉗牙齒端多為錐形或楔形，鉗口容易打滑。上卸扣作業(yè)時鉗體施加給鉗牙的高載荷在套管表面形成嚙合力，會造成套管變形，劃傷套管表層外壁。鉗牙長時間使用會出現(xiàn)磨損，作業(yè)時再次造成套管打滑、扒皮等現(xiàn)象。受損的套管柱一旦下井，這些損傷處就是質量隱患，進而對整個固井工程的質量產生影響。

無牙痕液壓管鉗是一種全新設計，從21 世紀始成功的大范圍推廣使用［3］。其基本原理是在大范圍接觸面上利用摩擦力來傳遞扭矩。與液壓大鉗的金屬鉗牙不同的是無牙痕鉗牙采用高分子彈性材料，鉗牙可在承受高扭矩情況下，不破壞套管表面和套管的幾何形狀。圖3中的無牙痕液壓管鉗包括兩個半圓形、超長的鉗牙，作業(yè)時整個鉗牙表面都與套管壁貼合，增大了接觸面積，降低了套管表面的壓強，有效減少套管表面的應力集中，從而保護套管表層。

2 先進的井口旋扣設備

圖3 無牙痕液壓管鉗

2.1 鐵鉆工

鐵鉆工屬于鉆井輔助類型工業(yè)機器人范疇，整體由機械部分、傳感部分、控制部分組成，通過人機交互系統(tǒng)可完成較復雜的井口工作，能完成3-1/2″鉆桿～9-5/8″鉆鋌的遙控上卸扣作業(yè)。作業(yè)時，只需司鉆一人遠程操作遙控器即可，可實現(xiàn)平臺無人化生產，先進的工作理念改變了傳統(tǒng)大鉗的工作方式。在動力方面采用全液壓的驅動方式，機電一體化設備代替現(xiàn)有內鉗工和外鉗工執(zhí)行上卸扣操作，節(jié)省人力的同時，也提高了生產效率和作業(yè)安全性。該設備與頂驅配合，可顯著提升鉆機作業(yè)效率，實現(xiàn)井口自動化作業(yè)。

如圖4所示，鐵鉆功按移動方式可分為手臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工，手臂式鐵鉆工整體結構采用最大化緊湊設計，能最大化地節(jié)省井口空間和鉆井平臺安裝面積，還能夠進一步提高井口作業(yè)安全系數(shù)。軌道式鐵鉆工，能精確地輸出上卸扣扭矩，可以更好地保護管柱連接螺紋，軌道式鐵鉆工相對手臂式鐵鉆工操作更為方便，但是軌道式鐵鉆工在安裝方面需要鋪設軌道，因而需要占用更多的鉆井平臺空間，不適宜在井口作業(yè)空間受限的鉆機上使用［4］。

圖4 手臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工

目前國際上只有美國、德國、日本等少數(shù)幾個發(fā)達國家在生產鐵鉆工。近些年來，美國的石油機械制造商為促進采油技術的進步，提高自動化管理水平和經濟效益，做了大量工作，研制成功多項新裝置和新技術。其中美國的NOV(National0ilwell Varco)公司對鐵鉆工產品的研制開發(fā)代表了該產品最先進的技術水平，NOV 公司也是當今鐵鉆工市場上最大的經銷商。目前國際上油田鉆井過程中使用鐵鉆工的國家也僅限于這幾個發(fā)達國家。

國內鐵鉆工正處于研制開發(fā)的初期，應用尚不成熟。相關科研院所、高?；蚱髽I(yè)發(fā)表了較多學術論文及技術報告，并申報了相關專利[5-10]。但大部分主要集中在結構或者控制系統(tǒng)性能設計方面，結構方面向小型手臂式或大型落地式方向發(fā)展，性能方面向大管徑夾持和大扭矩輸出方向發(fā)展，但是較少有關于技術開發(fā)路線的研究。鐵鉆工產品在國外已得到多年的應用，穩(wěn)定、高效、安全的生產應用使其得到廣泛的好評；從國內情況來看，通過對鐵鉆工的進一步研發(fā)，相信其系列產品將很快的適應國內生產需要，投入生產作業(yè)后可大副提高生產效率和安全性，創(chuàng)新式的遠程監(jiān)控生產模式，將改變國內傳統(tǒng)的石油生產方式，推動鉆井平臺無人化的自動化鉆井的發(fā)展，促進我國石油生產的現(xiàn)代化進程。

2.2 鉆臺機器人

油氣田鉆井階段的生命周期是一個勞動密集、資本密集型、固有風險型的周期，隨著石油天然氣開發(fā)的逐漸深入，各大公司開始探索極端環(huán)境下的油氣開發(fā)。為提高整體的健康、安全和環(huán)保性能，運營商和服務公司投入更多的時間來研究鉆井過程中的機器人技術的應用，探索安全有效的方式，自主進行北極、極端深水等環(huán)境的鉆井，如圖5所示。與傳統(tǒng)技術相比，機器人鉆井系統(tǒng)能夠在遠程操作的同時，更安全、更高效地完成鉆臺任務，如果要在極端環(huán)境中使用，機器人鉆井系統(tǒng)無疑是比人工鉆井隊更好的選擇。

圖5 鉆井過程中機器人研究分布

挪威機器人鉆井系統(tǒng)公司日前開發(fā)出了一套全自動的石油鉆井平臺，該平臺能夠通過衛(wèi)星坐標定位作業(yè)地點，自動豎起14 層高的鋼鐵加固物，自動開掘油井，在衛(wèi)星的導航下移動到下一個工作地點，采用全電的設計，可以在1d 內完成安裝，2015 年鉆臺機器人被出售并安裝在斯塔萬格的烏里格鉆井和油井中心。在鉆機上，鉆臺機器人主要作用是提高鉆臺的安全性。機器所有硬件驅動都在機器人內部，連接懸掛主要由10 個螺栓和電源、通信、安全鏈和空氣（通過機器人內部的凈化空氣獲得防爆狀態(tài)）組成。機器人操作接頭、短節(jié)、方鉆桿旋塞閥憑借其旋轉能力，接頭可以直接旋轉到立根上，無需人工干預，機器人提升接頭的操作需要30～60s，而手動操作需要2～3min。

3 井口旋扣設備的發(fā)展方向

3.1 自動化

隨著自動化控制技術的發(fā)展，自動化鉆井技術日趨成熟，頂驅、鐵鉆工等技術應用的越來越廣泛，全自動化旋扣作業(yè)成為一種趨勢。未來的全自動旋扣作業(yè)將大大降低鉆井的人工風險，減輕人工勞動強度，提高作業(yè)效率和工程質量，能自動應對災害，處理事故，在復雜的環(huán)境中作業(yè)，增加鉆井運行時間，適應極端領域的作業(yè)。

3.2 專業(yè)化

為適應不同生產需要，旋扣設備的功能將更加精細化、專業(yè)化。比如為了不損傷含CRA套管而研制的微牙痕套管動力鉗、無牙痕套管動力鉗可以在旋扣的同時保護套管不受損傷，保障完井管柱的質量，進而提高固井工程的質量。為了減輕工人在油氣田修井作業(yè)起下管柱的勞動強度以及降低事故風險，研制了遠程控制液壓油管鉗自動上扣裝置，將控制指令集中到一個操作盤上，修井機司機操作手柄就能遠程控制液壓油管鉗自動就位、上卸扣和對缺口，從而提高人員和設備的安全系數(shù)，節(jié)省施工成本。

3.3 智能化

隨著開發(fā)的不斷深入，石油天然氣逐漸向深海、極地、沙漠等極端環(huán)境開發(fā)，智能化鉆井技術對于極端環(huán)境下的石油開采有著重要的研究價值。智能化旋扣設備是石油鉆采旋扣設備的發(fā)展方向，是更加專業(yè)的石油開采技術，這種技術不僅能降低勞動強度、提升作業(yè)效率、增加作業(yè)時間，而且可以適應極端環(huán)境、避免事故發(fā)生，有效地控制生產成本。在人工智能高度發(fā)展的時代，一種高度智能的石油鉆井旋扣設備技術必將得到全面應用。

4 結語

井口旋扣設備經歷了手工操作到半自動化再到全自動化的發(fā)展，型號越來越多，功能越來越豐富，專業(yè)性越來越強，每一次革新都提高了工作效率和安全系數(shù)，減少了人工操作，降低了勞動強度。隨著自動控制、人工智能的理論和技術日益成熟，應用領域的不斷擴大，井口旋扣設備必將由自動化向著智能化的方向前進。