8 000 m四單根立柱自動(dòng)化鉆機(jī)研制

張 強(qiáng)，王定亞，鄒 濤，葉 強(qiáng) ，王耀華

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；3.西部鉆探工程有限公司，烏魯木齊 830026)

我國(guó)的深井、超深井?dāng)?shù)量持續(xù)增加[1]。超深井井下情況復(fù)雜，起下鉆時(shí)間長(zhǎng)，鉆井成本高,鉆井費(fèi)用居高不下。傳統(tǒng)的超深井鉆機(jī)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)高[2]，亟需從鉆井地面裝備著手，提高鉆井效率、減少井下復(fù)雜、降低鉆井成本、改善工人作業(yè)環(huán)境。四單根立柱自動(dòng)化鉆機(jī)配套全套管柱自動(dòng)化系統(tǒng)，有效改善工人作業(yè)環(huán)境。鉆機(jī)采用4根單根組成4根立柱進(jìn)行鉆井作業(yè)，增加了單根立柱的長(zhǎng)度，從而減少接卸立柱次數(shù)，增加游車高速運(yùn)行區(qū)段長(zhǎng)度，可顯著縮短超深井鉆機(jī)起下鉆時(shí)間[3]，節(jié)省鉆井費(fèi)用，減少鉆具在井下的靜止時(shí)間和停止循環(huán)時(shí)間。另外，四單根立柱鉆機(jī)連續(xù)鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)，可提高立柱快速鉆過鹽膏層和縮頸井段的概率，降低復(fù)雜地層鉆井事故多發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

前蘇聯(lián)曾在塔式井架上嘗試過四單根立柱施工，未見后續(xù)推廣應(yīng)用。中國(guó)石油集團(tuán)于2012年啟動(dòng)陸地“四單根立柱超深井鉆機(jī)研制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”項(xiàng)目，研制了四單根立柱鉆機(jī)原理樣機(jī)，試驗(yàn)證明可以縮短起下鉆時(shí)間，減少復(fù)雜事故，四單根立柱施工可成為深井超深井鉆井提速、提效的一種新途徑[4-5]。該鉆機(jī)對(duì)于?127 mm(5英寸)鉆桿和大于?114 mm(4英寸)的鉆鋌搬移、靠放穩(wěn)定[6-8]，但對(duì)于小鉆具不能實(shí)現(xiàn)四單根立柱施工，降低了整體提速效果；管柱自動(dòng)化系統(tǒng)的鐵鉆工和鉆臺(tái)機(jī)械手等主要設(shè)備還都是手動(dòng)控制或者手持遙控盒在司鉆房外操作,尚未完全集成至司鉆房[9],系統(tǒng)集成控制程度不高；鉆機(jī)部件有待優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、提高性能。

2 鉆機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

8 000 m四單根立柱自動(dòng)化鉆機(jī)針對(duì)深部地層油氣勘探開發(fā)對(duì)鉆井裝備和工藝技術(shù)的需求，以及深井鉆機(jī)智能化、自動(dòng)化、信息化的需求，為復(fù)雜深井鉆井效率低、成本高的問題提供解決方案。鉆機(jī)鉆井過程均可采用四單根立柱作業(yè)；鉆機(jī)配套全套管柱自動(dòng)化系統(tǒng)及集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管柱自動(dòng)化輸送、上卸扣及排放作業(yè)。

2.1 總體方案

鉆機(jī)采用5臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力，發(fā)出的600 V/50 Hz交流電經(jīng)變頻單元(VFD)驅(qū)動(dòng)交流變頻電機(jī)，帶動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)及鉆井泵工作。絞車為直驅(qū)型式，高位安裝，井架為前開口結(jié)構(gòu)，底座為雙升式結(jié)構(gòu)。井架及底座均在低位安裝，利用絞車動(dòng)力整體起升。鉆機(jī)立面圖如圖1，平面圖如圖2。

圖1 鉆機(jī)立面圖

圖2 鉆機(jī)平面圖

2.1.1 傳動(dòng)方案

絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一對(duì)一控制或一對(duì)二控制。絞車采用2臺(tái)1 500 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)；F-1600HL型鉆井泵組采用2臺(tái)600 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；頂驅(qū)采用2臺(tái)370 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速箱后驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)盤采用1臺(tái)800 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)一檔減速箱后驅(qū)動(dòng)。

2.1.2 管柱自動(dòng)化系統(tǒng)方案

管柱自動(dòng)化系統(tǒng)(如圖3)由管柱輸送系統(tǒng)、建立根系統(tǒng)、立根排放系統(tǒng)、井口操作工具、集成司鉆控制系統(tǒng)等組成[10]，立根排放系統(tǒng)采用推扶式三單根和復(fù)合式四單根2套二層臺(tái)排管裝置。管柱自動(dòng)化系統(tǒng)采用電液一體化控制技術(shù)，完成輸送管柱、建立根、排放立根等機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，基本實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)、鉆臺(tái)面、管柱堆場(chǎng)無人值守。

1-排管架；2-動(dòng)力貓道；3-液壓站；4-司鉆房；5-懸掛臺(tái)；6-四單根二層臺(tái)排管裝置；7-三單根二層臺(tái)排管裝置；8-緩沖機(jī)械手；9-鉆臺(tái)機(jī)械手；10-鐵鉆工；11-泥漿盒。

1) 管柱輸送系統(tǒng)。采用液壓排管架、動(dòng)力貓道、緩沖機(jī)械手配合作業(yè)，完成鉆井管柱從地面到井口中心的自動(dòng)化輸送，實(shí)現(xiàn)地面排管區(qū)的無人值守。

2) 建立根系統(tǒng)。液壓吊卡、氣動(dòng)卡瓦、鐵鉆工、緩沖機(jī)械手配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)管柱由單根連接為立根，或由立根拆卸為單根。

3) 立根排放系統(tǒng)。鉆臺(tái)機(jī)械手、四單根二層臺(tái)排管裝置、三單根二層臺(tái)排管裝置配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)立根在二層臺(tái)、井口之間的移送和排放。四單根二層臺(tái)排管裝置機(jī)械手為復(fù)合式機(jī)械手，對(duì)鉆桿采用懸持移運(yùn)方案，對(duì)鉆鋌采用推扶移運(yùn)方案。四單根二層臺(tái)設(shè)懸掛臺(tái)，對(duì)小鉆具四單根立柱采用懸掛方案進(jìn)行排放。

2.1.3 控制系統(tǒng)方案

液壓控制系統(tǒng)采用負(fù)載敏感控制技術(shù)，負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠感知負(fù)載壓力及流量需求，使系統(tǒng)壓力、輸出流量與系統(tǒng)所需相匹配[11]，滿足了整個(gè)系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備在不同的工作壓力和不同的工作流量下能同時(shí)工作的需求。系統(tǒng)高效節(jié)能，減少了系統(tǒng)發(fā)熱，降低了噪聲，延長(zhǎng)了液壓元件的壽命。

2.2 技術(shù)參數(shù)

名義鉆井深度(?127mm鉆桿) 8 000 m

最大鉤載 5 850 kN

最大鉆柱載荷 2 700 kN

絞車輸入功率 3 000 kW

絞車擋數(shù) 1+1R交流變頻驅(qū)動(dòng)，無級(jí)調(diào)速

提升系統(tǒng)繩系 7×8

鉆井泵型號(hào)及臺(tái)數(shù) F-1600HL型，3臺(tái)

井架型式及有效高度 K型，56.5 m

底座型式 雙升式

鉆臺(tái)高度 10.5 m

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

1) 超深井四單根立柱鉆機(jī)集成技術(shù)。

鉆機(jī)在集成方面融入了四單根立柱管柱自動(dòng)化技術(shù)、雙司鉆集成控制技術(shù)、大功率絞車及鉆井泵直驅(qū)技術(shù)。首次創(chuàng)新性地開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了大、小鉆具四單根立柱同時(shí)排放作業(yè)，確保超深井鉆機(jī)的適應(yīng)性和自動(dòng)化、智能化水平。

2) 超高井架、雙升式底座設(shè)計(jì)技術(shù)。

首次在四單根立柱鉆機(jī)上采用了傾斜式立柱雙升式底座及超高井架技術(shù)。通過對(duì)井架、底座主承載構(gòu)件精確受力分析、材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)措施，解決了超高井架、底座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，提高了鉆機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性和安全性。

3) 小鉆具四單根立柱的移運(yùn)及靠放技術(shù)[12]。

設(shè)立小鉆具懸掛臺(tái)，通過二層臺(tái)機(jī)械手懸持立根上部，鉆臺(tái)機(jī)械手扶持立根下端，上下2個(gè)機(jī)械手同步工作的懸持移送方案，懸掛臺(tái)懸掛立柱的排放方案[13]，解決了細(xì)長(zhǎng)桿小鉆具四單根立柱移運(yùn)中易變形、底部晃動(dòng)大、無法扶持移運(yùn)及直立排放等多項(xiàng)難題，保證小鉆具排放平穩(wěn)、高效、安全。

4) 鉆臺(tái)機(jī)械手與四單根立柱二層臺(tái)機(jī)械手同步排管技術(shù)。

排放小鉆具四單根立柱時(shí)，自動(dòng)井架工在二層臺(tái)上方懸持立根，立根由于長(zhǎng)度長(zhǎng)，柔性大，在懸持移運(yùn)時(shí)立根底部晃動(dòng)大。為此采用鉆臺(tái)機(jī)械手在下方扶持立根，保持立根的穩(wěn)定性。以二層臺(tái)機(jī)械手為主控對(duì)象，鉆臺(tái)機(jī)械手以二層臺(tái)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行跟隨運(yùn)動(dòng)的控制模式，實(shí)現(xiàn)上下2個(gè)機(jī)械手同步協(xié)調(diào)排管。

5) 三單根、四單根立柱獨(dú)立或交互式施工工藝流程技術(shù)。

鉆機(jī)設(shè)置2套二層臺(tái)排管裝置。兩套二層臺(tái)及懸掛架指梁均可翻轉(zhuǎn)，其中三單根立柱二層臺(tái)指梁還可單個(gè)翻轉(zhuǎn)。兩套二層臺(tái)既可單獨(dú)工作又可同時(shí)使用，互不影響。滿足了現(xiàn)場(chǎng)不同鉆具組合的立根排放需求，極大方便了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

6) 三通道液壓吊卡控制技術(shù)。

液壓吊卡由1個(gè)兩位六通液控?fù)Q向閥[14]實(shí)現(xiàn)吊卡控制，一位控制翻轉(zhuǎn)，另一位控制活門開合、鎖舌鎖緊。由鎖舌鎖緊反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)兩位六通閥換向控制。吊卡本體只需3根液壓管線即可實(shí)現(xiàn)所有控制及信號(hào)反饋，比傳統(tǒng)吊卡控制管線減少2根。方便了管線連接布局，減少對(duì)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)油道的依賴及對(duì)頂驅(qū)功能的影響。

7) 交流變頻直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)。

絞車、鉆井泵均采用低速大轉(zhuǎn)矩交流變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，去掉了體積龐大、復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)部分。

由于沒有減速傳動(dòng)裝置，因此減小了制造成本，減輕了設(shè)備質(zhì)量，提高了效率，減小了能源消耗[15]，減少了設(shè)備故障及維護(hù)點(diǎn)，杜絕了減速箱潤(rùn)滑油泄漏帶來的浪費(fèi)及環(huán)境污染問題。絞車采用主電機(jī)自動(dòng)送鉆技術(shù)，取消了傳統(tǒng)小電機(jī)自動(dòng)送鉆裝置，簡(jiǎn)化了絞車配置并減少了故障環(huán)節(jié)，提高了絞車可靠性。

8) 智能防碰、防震和安全互鎖技術(shù)。

利用安裝在設(shè)備上的位置傳感器，采用空間位置解算方法，開發(fā)了設(shè)備動(dòng)態(tài)區(qū)域管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了鐵鉆工與頂驅(qū)及鉆臺(tái)機(jī)械手之間防碰、 二層臺(tái)機(jī)械手與頂驅(qū)防碰、二層臺(tái)與吊卡防碰、游吊系統(tǒng)上下極限位置管理等多個(gè)設(shè)備全作業(yè)流程的防碰管理。避免了交叉作業(yè)設(shè)備發(fā)生碰撞。

采用PID速度控制算法，根據(jù)作業(yè)工況及設(shè)備運(yùn)動(dòng)、位置信息，合理調(diào)整設(shè)備運(yùn)行速度及加速度，在不降低效率的同時(shí)達(dá)到防震、平穩(wěn)安全作業(yè)的目的。

開發(fā)了作業(yè)過程中多個(gè)單元設(shè)備間的智能互鎖功能，主要有吊卡扣合與絞車提升互鎖、卡瓦與吊卡之間交接鉆柱互鎖、鐵鉆工上卸扣與絞車互鎖、機(jī)械手與吊卡間鉆柱交接互鎖等。確保作業(yè)流程正確、交接可靠，保證了鉆機(jī)作業(yè)安全。

4 鉆機(jī)試驗(yàn)

4.1 型式試驗(yàn)

為保證鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量，開展了鉆機(jī)起升試驗(yàn)(如圖4)、單元部件載荷試驗(yàn)(如圖5)、功能試驗(yàn)(如圖6)、程序模擬試驗(yàn)以及聯(lián)調(diào)試驗(yàn)(如圖7)。針對(duì)全新開發(fā)的四單根立柱二層臺(tái)排管裝置等設(shè)備，制定了全面的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方案，以確保產(chǎn)品質(zhì)量及試驗(yàn)安全。共完成30余項(xiàng)單元設(shè)備及系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)及試驗(yàn)大綱要求。

圖4 起升試驗(yàn)

圖5 載荷試驗(yàn)

圖6 功能試驗(yàn)

圖7 聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證鉆機(jī)油田現(xiàn)場(chǎng)工況適應(yīng)性、作業(yè)效率、可靠性、安全性等綜合性能，2020-02，在新疆塔里木地區(qū)進(jìn)行了鉆機(jī)的油田工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)井設(shè)計(jì)為五開結(jié)構(gòu)井，設(shè)計(jì)井深7 620 m，設(shè)計(jì)完井周期350 d。經(jīng)過油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)際完井周期267.55 d，比設(shè)計(jì)周期減少82.45 d，全井段復(fù)雜事故時(shí)效0.16%(明顯低于塔里木地區(qū)庫車山前平均事故時(shí)效6.17 %)，起下鉆速度超過600 m/h，鉆機(jī)綜合提效超過15%[16]。鉆機(jī)在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證人員安全、提高作業(yè)效率方面效果顯著。

5 結(jié)語

8 000 m四單根立柱自動(dòng)化鉆機(jī)經(jīng)過型式試驗(yàn)及油田工業(yè)性試驗(yàn)表明：鉆機(jī)適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)全井深四單根立柱鉆井作業(yè)；鉆機(jī)自動(dòng)化程度高，可有效降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、改善操作人員工作環(huán)境；鉆機(jī)作業(yè)效率高，起下鉆速度、鉆進(jìn)速度均明顯高于傳統(tǒng)三單根立柱鉆機(jī)；鉆機(jī)作業(yè)安全，可有效提高操作人員安全性、降低井下復(fù)雜事故發(fā)生的概率。 8 000 m四單根立柱自動(dòng)化鉆機(jī)的成功研制，為石油勘探開發(fā)提質(zhì)增效提供了有力的裝備保障，具有良好的推廣價(jià)值。