陸地鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及建議

白丙建，張 洪 ，王耀華，趙亮亮，邢廣亮

(1.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； 2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司， 成都 610056)

隨著石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是近幾年管柱自動(dòng)化系統(tǒng)在陸地鉆機(jī)上的大量應(yīng)用，鉆機(jī)作業(yè)的安全性顯著提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，鉆井效率也得到了一定的提升。然而，采用立根鉆進(jìn)的中深井鉆機(jī)必不可少的建立根作業(yè)，仍然需要占用鉆井時(shí)間或人力操作，影響效率。目前，我國(guó)陸地鉆機(jī)建立根通常采用2種方式：①鉆井開(kāi)始之前通過(guò)占用井口的方式提前建好本次鉆深所需的立根，可以配套常規(guī)風(fēng)動(dòng)絞車，亦可配套管柱自動(dòng)化系統(tǒng)。這種方式建立根需要占用井口，建立根和鉆井不能同時(shí)進(jìn)行，需要額外的建立根作業(yè)時(shí)間，工作效率低[1-5]；②采用雙小鼠洞以及鉆臺(tái)上左、右2臺(tái)風(fēng)動(dòng)絞車配合實(shí)現(xiàn)離線建立根。這種方式雖然不占用井口，減少了作業(yè)等待時(shí)間，但需要多人配合，自動(dòng)化程度低，操作較繁瑣[6-7]。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外陸地自動(dòng)化鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)的介紹和技術(shù)性能的分析，指出各種離線建立根系統(tǒng)在鉆機(jī)上的配套適應(yīng)性及關(guān)鍵技術(shù)，并提出幾點(diǎn)建議。

1 國(guó)內(nèi)外陸地鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)

離線建立根系統(tǒng)一般融合在鉆機(jī)管柱自動(dòng)化系統(tǒng)中，即鉆井管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)具備離線建立根功能，是技術(shù)含量較高的產(chǎn)品。國(guó)外具有代表性的離線建立根自動(dòng)化鉆機(jī)有德國(guó)海瑞克(HerrenknechtAG)公司的TI-350型自動(dòng)化鉆機(jī)[8]、意大利Drillmec公司的AHEAD(Advanced Hydraulic Electrical Automated Driller)鉆機(jī)、美國(guó)斯倫貝謝公司(Schlumberger)的未來(lái)鉆機(jī)。國(guó)內(nèi)具備離線建立根功能的鉆機(jī)有中曼石油裝備集團(tuán)有限公司的陸地離線作業(yè)鉆機(jī)，以及依托中石油項(xiàng)目的寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司與川慶鉆探工程有限公司聯(lián)合研發(fā)的新一代7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)。

TI-350型自動(dòng)化鉆機(jī)，采用兩單根一立柱進(jìn)行鉆井作業(yè)，井架沒(méi)有常規(guī)鉆機(jī)的二層臺(tái)，立根水平存放在地面上的鉆桿盒內(nèi)，如圖1所示。該鉆機(jī)共配有6套管柱處理設(shè)備，主要包括用于離線建立根的水平擰扣機(jī)、地面行車、鉆桿盒和用于鉆進(jìn)作業(yè)的貓道、抓管機(jī)械手、鐵鉆工。在鉆井作業(yè)的同時(shí)，地面行車將2根單根管柱分別吊運(yùn)并放置在地面的水平擰扣機(jī)上，待上扣完成后，再由地面行車將連接好的立根吊至鉆桿盒內(nèi)水平存放。在鉆井需要時(shí)，地面行車將立根從鉆桿盒吊運(yùn)至井口正前方的貓道上，再由安裝在底座前側(cè)的抓管機(jī)械手將貓道上的立根直接輸送到井口中心，最后由鉆臺(tái)面的鐵鉆工完成立根與井中管柱的連接。該套管柱系統(tǒng)配套較少設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了離線建立根，其抓管機(jī)械手因?yàn)樾枰ト￠L(zhǎng)約19 m的兩單根立柱，機(jī)械手自身長(zhǎng)度達(dá)17.4 m、質(zhì)量達(dá)35 t。在起下鉆時(shí)每柱立根均需在鉆臺(tái)與地面間來(lái)回輸送，使用頻率很高，負(fù)載較大，能耗高，完成1個(gè)立根的起下鉆時(shí)間較長(zhǎng)[9]。

圖1 TI-350鉆機(jī)

AHEAD鉆機(jī)也采用兩單根一立柱進(jìn)行鉆井作業(yè)，井架無(wú)二層臺(tái)，立根低位豎直存放在鉆機(jī)底座右前側(cè)的地面立根架內(nèi)，如圖2所示。該鉆機(jī)配套的管柱處理設(shè)備包括吊運(yùn)單根的地面行車、翻轉(zhuǎn)機(jī)械手、可伸縮鼠洞、動(dòng)力鉗、鐵鉆工、立根架、安裝在立根架體上的柱式排管機(jī)械手及扶管機(jī)械手和輔助吊機(jī)等。鉆機(jī)在鉆進(jìn)作業(yè)的同時(shí)，水平行車將單根管柱吊運(yùn)至翻轉(zhuǎn)機(jī)械手正下方，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手依次將2根單根管柱由水平位置送至鉆臺(tái)前側(cè)的豎直的可伸縮鼠洞內(nèi)，并由動(dòng)力鉗完成上扣，再由排管機(jī)械手將連接好的立根輸送至底座右前側(cè)的立根架內(nèi)存放。鉆井需要時(shí)，先由排管機(jī)械手將立根從立根架內(nèi)取出，移送至鼠洞位置，并由扶管機(jī)械手扶持立根上端，頂驅(qū)前傾，使中心管與立根上端連接后，再由頂驅(qū)上提立根到鉆臺(tái)面并移送到井口，由鐵鉆工完成立根下端與井中管柱的連接。該套管柱系統(tǒng)配套設(shè)備較多，其中安裝在立根架頂部的輔助吊機(jī)只用于處理鉆鋌立根，不參與鉆桿立根的建立。

圖2 AHEAD鉆機(jī)

未來(lái)鉆機(jī)采用三單根一立柱進(jìn)行鉆井作業(yè)，立根低位豎直存放在鉆機(jī)底座正前方的地面上，如圖3所示。該鉆機(jī)共配套管柱處理設(shè)備13套，主要包括動(dòng)力貓道、提管機(jī)械手、分別用于井口和離線建立根上卸扣的2套鐵鉆工、分別用于井架左右前側(cè)立根排放的2套橋式排管機(jī)械手和2套扶正臂等。該鉆機(jī)在鉆進(jìn)作業(yè)的同時(shí)，動(dòng)力貓道依次輸送三根單根管柱上鉆臺(tái)，安裝在井架前側(cè)的提管機(jī)械手上提單根，送至鉆臺(tái)前側(cè)的可伸縮鼠洞中并完成上扣，再由二層臺(tái)上的排管機(jī)械手將連接好的立根輸送至底座正前方的地面立根臺(tái)上存放。鉆井需要時(shí)，先由排管機(jī)械手移送立根至交接位置交給提管機(jī)械手，再由提管機(jī)械手上提立根到鉆臺(tái)面，并移送到井口。

圖3 未來(lái)鉆機(jī)

中曼石油的陸地離線作業(yè)鉆機(jī)采用兩單根一立柱進(jìn)行鉆井作業(yè)，立根低位豎直存放在鉆機(jī)底座正前方的地面上，如圖4所示。該鉆機(jī)配套的管柱處理設(shè)備包括自動(dòng)鉆桿盒、自動(dòng)貓道、自動(dòng)鼠洞、管柱提升機(jī)、分別用于離線建立根和井口的鐵鉆工、排管機(jī)械手、扶正臂等。鉆機(jī)在鉆進(jìn)作業(yè)的同時(shí)，自動(dòng)鉆桿盒將單根運(yùn)至自動(dòng)貓道，再由自動(dòng)貓道依次將2根單根輸送到具有夾持和升降功能的自動(dòng)鼠洞中，由管柱提升機(jī)、鐵鉆工配合連接成立根，再由貓道上方的排管機(jī)械手將連接好的立根輸送至管柱彈夾存放。鉆井需要時(shí)，先由排管機(jī)械手移送立根并交給管柱提升機(jī)。管柱提升機(jī)將立根提升至鉆臺(tái)面，在扶正臂共同作用下將立根移送至井口[10]。

圖4 中曼公司的陸地離線作業(yè)鉆機(jī)

寶石機(jī)械的7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)采用三單根一立柱進(jìn)行鉆井作業(yè)，立根高位豎直存放在鉆臺(tái)面上，如圖5所示。該鉆機(jī)配套有安裝在地面的動(dòng)力貓道、安裝在鉆臺(tái)面的扶管機(jī)械手和鐵鉆工、安裝在井架前立柱的提管機(jī)械手、安裝在二層臺(tái)的排管機(jī)械手共5臺(tái)管柱自動(dòng)化設(shè)備。在鉆進(jìn)作業(yè)的同時(shí)，3根單根管柱由具有輸送多根管柱功能的動(dòng)力貓道輸送上鉆臺(tái)后，提管機(jī)械手依次扣合第1、第2單根并上提，扶管機(jī)械手推扶單根下端，分別放入2個(gè)鼠洞中，提管機(jī)械手再扣合第3單根上提，與兩個(gè)鼠洞中單根通過(guò)鐵鉆工依次連接成雙根、立根，提管機(jī)械手繼續(xù)上提立根到鉆臺(tái)面后，交給二層臺(tái)上的排管機(jī)械手，排管機(jī)械手將立根輸送至鉆臺(tái)面的立根臺(tái)上，高位豎直存放備用[11-12]。鉆井需要時(shí)，排管機(jī)械手直接將立根從存放區(qū)移送至井口。該鉆機(jī)離線建立根和井口上卸扣共用1臺(tái)鐵鉆工，管柱處理系統(tǒng)配套設(shè)備少；起下鉆時(shí)立根在鉆臺(tái)面輸送，運(yùn)行路徑短，效率較高。

圖5 寶石機(jī)械公司的7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)

2 離線建立根系統(tǒng)技術(shù)分析

從上述5種鉆機(jī)可以看出，鉆機(jī)立根的存放位置和存儲(chǔ)方式?jīng)Q定了離線建立根系統(tǒng)中單根輸送、立根連接、立根移送、立根存儲(chǔ)等設(shè)備的功能及數(shù)量，并對(duì)鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)、起下鉆能耗、操控系統(tǒng)要求，以及人工應(yīng)急進(jìn)行管柱處理的能力等方面有較大的影響。筆者以TI-350型鉆機(jī)、未來(lái)鉆機(jī)、寶石機(jī)械7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)為例進(jìn)行技術(shù)分析。

2.1 鉆機(jī)總體的影響

TI-350型鉆機(jī)采用雙單根一立柱水平存放，按存放6000 m、?127 mm(5英寸)鉆桿立根估算，立根每柱長(zhǎng)19 m，約315柱，需要7套鉆桿盒(長(zhǎng)20 m，寬2 m)，占地面積約280 m2；未來(lái)鉆機(jī)和寶石機(jī)械7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)采用三單根一立柱豎直存放，同樣以存放6 000 m、?127 mm(5英寸)鉆桿立根估算，立根每柱長(zhǎng)28.5 m，約210柱，立根存放面積僅需約15 m2(考慮存取立根所需的間距，每柱接頭按占地面積0.07 m2計(jì)算)。從上述對(duì)比可以看出，存放相同數(shù)量的立根，立根低位水平存放所需的面積比立根豎直存放所需面積大得多。 但是，立根低位水平存放時(shí)，鉆機(jī)沒(méi)有二層臺(tái)、也沒(méi)有立根臺(tái)，主體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。立根豎直存放時(shí)，根據(jù)立根相對(duì)井口位置不同，需要在鉆機(jī)主體上設(shè)置二層臺(tái)、立根臺(tái)或者配套獨(dú)立于鉆機(jī)主體的立根架來(lái)存放立根。

故立根低位水平存放的離線建立根系統(tǒng)僅適應(yīng)于中淺井鉆機(jī)，或?qū)畧?chǎng)占地面積要求不高的鉆機(jī)。立根豎直存放的離線建立根系統(tǒng)更適合于深井、特深井鉆機(jī)。

2.2 起下鉆能耗及效率的影響

起鉆作業(yè)時(shí)，TI-350型鉆機(jī)采用抓管機(jī)械手將井口位置的立根運(yùn)送至地面的貓道，再由水平行車將立根移送到鉆桿盒內(nèi)；未來(lái)鉆機(jī)先用提管機(jī)械手將井口位置的立根下放地面，再由排管機(jī)械手將立根運(yùn)送到地面的立根臺(tái)存放；寶石機(jī)械7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)直接用排管機(jī)械手將井口位置的立根移送到鉆臺(tái)面的立根臺(tái)存放。下鉆時(shí)，各鉆機(jī)作業(yè)流程與上述相反。從各鉆機(jī)起下鉆作業(yè)的流程分析可以發(fā)現(xiàn)，立根高位存放可減少立根上、下鉆臺(tái)的動(dòng)作，減少相關(guān)設(shè)備動(dòng)作所需的能源消耗。若按鉆機(jī)鉆臺(tái)高10 m、立根移送設(shè)備(抓管機(jī)械手或提管機(jī)械手)豎直平均運(yùn)行速度0.8 m/s粗略估算，立根高位存放較立根低位存放每起1柱立根的時(shí)間可減少約25 s，效率較高。

2.3 配套設(shè)備數(shù)量及操控要求

以TI-350型鉆機(jī)為代表的立根低位水平存放鉆機(jī)，配套有地面行車等6套管柱自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備數(shù)量較少；其地面行車及水平擰扣機(jī)由專人操控，其余設(shè)備由司鉆操作，各設(shè)備間沒(méi)有聯(lián)合動(dòng)作，操控簡(jiǎn)單。以斯倫貝謝未來(lái)鉆機(jī)為代表的立根低位豎直存放鉆機(jī)，配套有動(dòng)力貓道等13套管柱自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備較多；提管機(jī)械手、扶正臂等設(shè)備間有聯(lián)合動(dòng)作，動(dòng)作銜接要求高，操作復(fù)雜。以寶石機(jī)械7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)為代表的立根高位豎直存放鉆機(jī)，配套了鐵鉆工等5套管柱自動(dòng)化設(shè)備，鐵鉆工供離線建立根和井口鉆進(jìn)上卸扣共用，設(shè)備數(shù)量少；起下鉆時(shí)，立根只在排管機(jī)械手和吊卡之間交接，流程簡(jiǎn)單，容易操控。

2.4 系統(tǒng)可靠性要求及人工應(yīng)急作業(yè)能力

立根低位存放，立根在存放區(qū)與井口之間的輸送必須依靠輸送機(jī)械手或提管機(jī)械手，人力常規(guī)作業(yè)不能完成立根上、下鉆臺(tái)操作，故對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求高。否則，在上提下放立根的設(shè)備有故障時(shí)，鉆機(jī)不能進(jìn)行起下鉆及鉆進(jìn)作業(yè)。立根高位存放，設(shè)備故障時(shí)，可通過(guò)井架工在二層臺(tái)上依靠風(fēng)動(dòng)絞車輔助進(jìn)行人工排立根作業(yè)，不影響鉆機(jī)起下鉆及鉆進(jìn)作業(yè)。

結(jié)合上述分析，離線建立根系統(tǒng)的不同立根存放位置和方式對(duì)鉆機(jī)各方面影響如表1。

表1 立根不同存放方式對(duì)鉆機(jī)影響

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管柱提升機(jī)械手設(shè)計(jì)

陸地鉆機(jī)要實(shí)現(xiàn)離線建立根，必須配套用于立根提升的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不占用游吊系統(tǒng)及井口、高效提升立根的作業(yè)需求。以立根豎直存放鉆機(jī)為例，提管機(jī)械手需同時(shí)具有在貓道上提升單根并送入鼠洞、提升管柱配合鐵鉆工上扣、上提立根沿軌道行走、遞給二層臺(tái)排管機(jī)械手等功能。 根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)該機(jī)械手的鉗頭結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)、擺臂、旋轉(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)。依據(jù)離線建立根的規(guī)格，確定參數(shù)并進(jìn)行各種工況的載荷分析。分析時(shí)既要考慮管柱提升過(guò)程中設(shè)備所承受的重力載荷及功能載荷，又考慮因風(fēng)力、管柱上提下放時(shí)等所引起的動(dòng)態(tài)載荷。設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)既要保證承載能力，又應(yīng)有效地控制結(jié)構(gòu)自重及外形，關(guān)鍵承載構(gòu)件可以采用高強(qiáng)度材料，使其強(qiáng)度、剛度提高而自重較輕[13]。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離線建立根作業(yè)由單根輸送、立根連接、立根排放等一系列順序動(dòng)作完成，系統(tǒng)各設(shè)備既要定位精確和響應(yīng)快速，又要具有安全防護(hù)功能以滿足管柱移運(yùn)過(guò)程中防墜、過(guò)載保護(hù)、緊急停止的要求，從而確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)可采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回路中增加高精度的比例節(jié)流調(diào)速閥，軟件上電控程序算法增加補(bǔ)償功能，從而提高控制精度和響應(yīng)速度；各檢測(cè)機(jī)構(gòu)可通過(guò)設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器、位移傳感器、接近開(kāi)關(guān)、稱重傳感器、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)等來(lái)解決設(shè)備的精確定位、運(yùn)行軌跡的自動(dòng)規(guī)劃、過(guò)載保護(hù)等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)可靠、高效離線建立根的目的[14]。

3.3 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

由于離線建立根作業(yè)參與設(shè)備多，并且與井口鉆井作業(yè)同步甚至交叉進(jìn)行，存在提管機(jī)械手、扶管機(jī)械手、頂驅(qū)、吊卡、鐵鉆工等多個(gè)動(dòng)態(tài)設(shè)備之間以及設(shè)備與管柱之間的碰撞可能，故各設(shè)備不但要設(shè)置鎖緊、防墜等安全防護(hù)功能，整體還需設(shè)置各種運(yùn)動(dòng)防碰撞功能。另外，系統(tǒng)應(yīng)具有過(guò)載保護(hù)、緊急停止、故障報(bào)警等功能，使操作人員能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、掌控設(shè)備運(yùn)行情況。同時(shí)，電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮各基礎(chǔ)元件性能，做好冗余設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的安全性和完備性[15]。

4 發(fā)展建議

1) 離線建立根是陸地鉆機(jī)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展必需具備功能之一。我國(guó)陸地鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)必然有很大的市場(chǎng)需求。根據(jù)國(guó)內(nèi)陸地鉆機(jī)的現(xiàn)狀、鉆工的操作習(xí)慣以及基礎(chǔ)元件性能等情況，短期內(nèi)現(xiàn)有鉆機(jī)結(jié)構(gòu)不會(huì)有顛覆性的改變。建議現(xiàn)階段我國(guó)陸地鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)采用立根高位豎直存放的方式，以滿足設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行常規(guī)人工作業(yè)的需要，同時(shí)加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、易維護(hù)性的研究。

2) 因陸地鉆機(jī)搬家較頻繁，在滿足離線建立根功能的前提下應(yīng)減少設(shè)備配套數(shù)量，建立根和鉆進(jìn)作業(yè)盡可能共用1套設(shè)備，使用時(shí)優(yōu)先保證鉆進(jìn)需要。系統(tǒng)配套較少的設(shè)備，可以降低鉆機(jī)購(gòu)置費(fèi)用、減少搬家車次、縮短安裝調(diào)試時(shí)間，從而降低鉆井成本。

3) 加強(qiáng)生產(chǎn)廠家與國(guó)內(nèi)鉆探公司的合作研發(fā)，充分發(fā)揮各自潛能。生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶的實(shí)際需求開(kāi)發(fā)離線建立根系統(tǒng)，鉆探企業(yè)在油田現(xiàn)場(chǎng)充分試驗(yàn)，并將使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題及時(shí)反饋給廠家并加以改進(jìn)優(yōu)化。雙方共同努力，離線建立根系統(tǒng)將逐步成熟并在我國(guó)陸地鉆機(jī)上配套。

5 結(jié)論

1) 對(duì)國(guó)內(nèi)外陸地自動(dòng)化鉆機(jī)的離線建立根系統(tǒng)進(jìn)行和技術(shù)性能分析，指出各種離線建立根系統(tǒng)在鉆機(jī)上的配套適應(yīng)性及關(guān)鍵技術(shù)。

2) 以TI-350型鉆機(jī)為代表，采用立根低位水平存放的離線建立根鉆機(jī)，更適合于淺井作業(yè)，可減少占地面積及起下鉆次數(shù)。若采用API第3類超長(zhǎng)單根(13.72 m)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，可不配水平擰扣機(jī)，減少設(shè)備配置及操作人員，同時(shí)縮短抓管機(jī)械手、地面行車的長(zhǎng)度，減輕設(shè)備自重，使鉆機(jī)搬遷更便捷。

3) 以未來(lái)鉆機(jī)為代表，采用立根低位豎直存放的離線建立根鉆機(jī)，多設(shè)備間動(dòng)作銜接要求高，對(duì)設(shè)備的可靠性要求高。為避免因提管機(jī)械手故障不能取放立根，建議增配可提升立根上下鉆臺(tái)的吊機(jī)，從而保證鉆機(jī)能正常鉆井作業(yè)。

4) 以寶石機(jī)械7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)為代表，采用立根高位豎直存放的離線建立根鉆機(jī)，與常規(guī)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)型式基本一致。為更好滿足應(yīng)急作業(yè)需求，建議適當(dāng)增大鉆臺(tái)面積，方便貓頭、大鉗等應(yīng)急設(shè)備的安裝和人員的操作。

5) 陸地鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)受鉆機(jī)結(jié)構(gòu)型式、占地面積限制、需頻繁拆卸搬家等因素的影響，研發(fā)及推廣難度較大。建議研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的陸地鉆機(jī)離線建立根系統(tǒng)，使其能夠滿足鉆機(jī)高效、安全、可靠的管柱處理作業(yè)需要。