鉆井自動化送/甩鉆裝備發(fā)展探析

張 杰，曹巍巍，姚賀杰，楊中興，楊東升，孫緒發(fā)

（1.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457；2.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司再制造分公司，河北滄州 062658）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)外鉆機(jī)配套設(shè)備自動化技術(shù)水平不斷提高，相繼開發(fā)出了自動鐵鉆工、全自動液壓動力貓道、自動排管裝置、二層臺機(jī)械手臂、自動甩鉆等高技術(shù)含量的裝置。

我國鉆機(jī)數(shù)量在全球的占有量相對較多，但在正在服役的鉆機(jī)中傳統(tǒng)鉆機(jī)所占比例較高。在鉆井過程中，傳統(tǒng)鉆機(jī)的鉆桿上、下鉆臺需3～4 名工人配合，使用鉆臺與貓道上的兩部氣動絞車，通過鋼絲繩拉、拽方式將鉆桿拖入坡道、貓道完成作業(yè)。此操作效率低、工人勞動強(qiáng)度大、安全性差，鉆桿的損壞程度高[1]。鉆機(jī)配套液壓動力貓道、氣動甩鉆裝置實(shí)現(xiàn)自動化送、甩鉆功能是鉆井裝備自動化技術(shù)發(fā)展水平的體現(xiàn)，是大勢所趨。

1 液壓動力貓道

國外先進(jìn)鉆機(jī)配備動力貓道較早，尤其是俄羅斯、美國等石油輸出大國，基本上要求鉆機(jī)配備。其中以加拿大CANRIG 公司的技術(shù)最為領(lǐng)先，國內(nèi)不少廠家也在進(jìn)行這方面研究。本文以CANRIG 公司液壓貓道原理為例進(jìn)行闡析。

該裝置集機(jī)械、電氣、液壓于一體遠(yuǎn)程無線遙控，將鉆桿在地面與鉆臺之間進(jìn)行送上或運(yùn)下。其結(jié)構(gòu)主體有平跑道、斜跑道、運(yùn)移桿三部分，不需要另外配備坡道和貓道，斜跑道可折疊到平跑道上整體運(yùn)輸，到井場后斜跑道與鉆臺連接固定即可（圖1）。

圖1 全自動液壓動力貓道結(jié)構(gòu)

（1）送鉆過程。搖臂將鉆桿從管排架上鉤住后緩慢升起，依靠鉆桿的重力經(jīng)平跑道滾入運(yùn)移架中的V 形槽內(nèi)，此動作前運(yùn)移架上的一側(cè)擋舌會升起防止沖出V 形槽，完成此動作另一側(cè)擋舌升起。鋼絲繩拉動運(yùn)移架在平跑道中行走，到達(dá)平跑道行程終點(diǎn)后運(yùn)移架前端的滾輪開始在斜跑道的軌道中起升，直至把運(yùn)移架的前端送上鉆臺到達(dá)限位處。小車推動鉆桿沿運(yùn)移架前端V 形滾輪前移，頂驅(qū)提環(huán)前伸吊卡鎖緊鉆桿后提升。

（2）甩鉆過程。頂驅(qū)將鉆桿下落，手動推入落到小車上拖動后移，運(yùn)移架落回平跑道起點(diǎn)位置，運(yùn)移架一側(cè)擋舌落下，V 形槽內(nèi)的撥翻將鉆桿撥出滾落到搖臂上再下落到地面。

擋舌、撥翻、搖臂由液壓齒輪泵控制液壓缸實(shí)現(xiàn)升降，柱塞泵為絞車提供動力實(shí)現(xiàn)運(yùn)移架的起升及鉆桿的進(jìn)退。PLC 控制電氣、液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)動，單人無線遙控操作完成送、甩鉆。液壓動力貓道的優(yōu)點(diǎn)是動作平穩(wěn)、安全性高、承載力大、可運(yùn)送鉆桿、套管、油管、鉆鋌等鉆具，缺點(diǎn)是：①運(yùn)送能力有限，每次只能運(yùn)送1 根，運(yùn)送單根鉆具的能力為3 min 左右，耗時長；②液壓系統(tǒng)額定工作壓力16 MPa，長期使用密封件易造成滲油，污染環(huán)境；③需要頂驅(qū)的配合才更能體現(xiàn)其先進(jìn)性，國內(nèi)7000 m 以下鉆機(jī)配置頂驅(qū)較少。

2 氣動甩鉆裝置

國內(nèi)鉆井速度較快，縮短甩鉆時間可以大幅提升鉆井隊的效益。國內(nèi)在用的傳統(tǒng)鉆機(jī)相對較多，自動氣動甩鉆裝置的誕生替換原貓道不更改坡道，就能很好地解決甩鉆時間長的問題，最多一次可以同時甩3 根鉆桿。以4000 m 鉆機(jī)為例，配備的鉆桿約400 根，比傳統(tǒng)甩鉆可以節(jié)約2/3 時間。該裝置結(jié)構(gòu)分成兩截方便疊加運(yùn)輸，到達(dá)井場后將坡道落到該裝置上固定即可（圖2）。

圖2 全自動氣動甩鉆裝置現(xiàn)場使用

為了適應(yīng)快速的鉆井作業(yè)，鉆井隊通常需要提前將每3 個單根鉆桿接成1 個立根排放到二層平臺上，以4000 m 鉆機(jī)計約130 根立根，接立根的過程還需要傳統(tǒng)方式送鉆，在甩鉆過程中使用全自動氣動甩鉆裝置提高效率。

鉆井隊完成鉆井作業(yè)拆除井架前需將立根鉆桿拆分成單根鉆桿運(yùn)送下鉆臺，使用氣動甩鉆裝置的流程是：①井架游車將立根吊起，第1 根鉆桿放入鼠洞內(nèi)卸扣分離；②游車將另兩根鉆桿吊起，鉆臺上的氣動絞車將鼠洞內(nèi)的鉆桿吊出放到坡道V 形槽內(nèi)；③在此過程中游車將第2根鉆桿放入鼠洞卸扣分離后依次與第1 根鉆桿并排擺放到坡道V 形槽內(nèi)；④甩鉆裝置的翻板將3 根鉆桿撥到小車上，小車的卡爪扣住鉆桿端部一起拖動到指定位置后，卡爪抬起小車脫離鉆桿，貓道上的翻板將3 根鉆桿一起傾斜抬出貓道。從甩鉆裝置抬板將鉆桿撥到小車計時起至鉆桿滾出貓道約1 min，大幅提升了甩鉆效率（圖3）。

圖3 甩鉆裝置各工作環(huán)節(jié)情況

翻板、卡爪、抬板均由氣動系統(tǒng)控制氣缸實(shí)現(xiàn)。PLC 控制電氣、氣控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)動，單人無線遙控操作完成甩鉆。氣動甩鉆裝置的優(yōu)點(diǎn)是動作迅速耗時少、一次3 根效率高、電耗低（整機(jī)約5 kW）、使用井場氣源即可工作方便無污染。缺點(diǎn)是承載能力低，鉆鋌、套管等偏重偏大的鉆具不能運(yùn)送；考慮到安全因素暫不能實(shí)現(xiàn)送鉆功能。

3 結(jié)束語

上文介紹了液壓動力貓道和氣動甩鉆裝置，兩種裝備均可以實(shí)現(xiàn)單人遠(yuǎn)程操作、手動和遙控雙控制、PLC 控制驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動聯(lián)鎖，安全性高。液壓動力貓道的制作成本高、承載力大、運(yùn)送速度慢，比較適合于國外鉆井要求，而氣動甩鉆裝置制作成本低、效率高、故障率低、無污染，比較適用國內(nèi)的快速鉆井。結(jié)合國內(nèi)陸地鉆機(jī)的實(shí)際情況，提高鉆井自動化送/甩鉆裝備的安全性和智能化是未來的發(fā)展方向，能夠起到“立竿見影”的效果，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。