7 000 m自動化鉆機(jī)的研制與應(yīng)用*

□ 張虎山 □ 周天明,2 □ 烏買爾·達(dá)吾提 □ 趙 鵬,2□ 羅小強(qiáng) □ 陳興利 □ 郭 銳

1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國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

1 研制背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,石油工程技術(shù)服務(wù)行業(yè)要求石油鉆機(jī)避免安全風(fēng)險,降低人工成本,減輕工人勞動強(qiáng)度,提升鉆井作業(yè)效率,提高機(jī)械化與自動化水平,達(dá)到降本增效的目的。中國石油天然氣集團(tuán)公司制定了“三代”鉆機(jī)發(fā)展規(guī)劃,以實(shí)現(xiàn)作業(yè)井場省人、省心、省力、省時、省錢為目標(biāo),以全面改善提升一線員工的作業(yè)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn),研制安全、集成、高效、便捷的新型鉆機(jī),推進(jìn)工程技術(shù)服務(wù)隊伍標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機(jī)械化、信息化建設(shè)。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司與中國石油集團(tuán)公司油田技術(shù)服務(wù)有限公司強(qiáng)化工程技術(shù)頂層設(shè)計,統(tǒng)一鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置,研制了第一代7 000 m自動化鉆機(jī),提升了我國高端鉆機(jī)的研發(fā)制造能力,提高了鉆機(jī)自動化水平,推進(jìn)了鉆井信息化發(fā)展,由此提升我國鉆井裝備在國際市場中的競爭力,使我國陸上鉆井裝備保持國際先進(jìn)水平。

2 總體方案

井場鉆機(jī)平面布置如圖1所示。井場總體分為鉆臺區(qū)、井場輔助區(qū)、油罐區(qū)、動力區(qū)、鉆井液循環(huán)區(qū)五部分。7 000 m自動化鉆機(jī)采用四臺1200GF50型柴油發(fā)電機(jī)組或600 V網(wǎng)電作為主動力,通過輸出的交流電經(jīng)變頻單元控制絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、鉆井泵交流變頻電動機(jī)。井架為前開口型,底座為旋升式結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)井架、鉆臺構(gòu)件,以及包括司鉆控制房、司鉆偏房在內(nèi)的全部鉆臺面設(shè)備的低位安裝、整體起升。井架支腳及絞車均布置在低位,提高井架及底座的整體穩(wěn)定性,鉆臺空間開闊。配置全套管柱自動化設(shè)備,實(shí)現(xiàn)管柱在地面與鉆臺面間輸送、鉆臺面管柱上卸扣、鉆桿在井口至二層臺指梁間排放的全流程自動化。鉆機(jī)配置雙司鉆操作工位一體化集成控制系統(tǒng),司鉆在控制房內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)鉆井、井口自動化設(shè)備的集成控制與全面監(jiān)控。固控系統(tǒng)采用兩級凈化處理,實(shí)現(xiàn)重晶石的有效回收利用。

3 技術(shù)參數(shù)

3.1 提升與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

鉆桿直徑為114 mm,名義鉆井深度為7 000 m,最大鉤載為4 500 kN,最大鉆柱載荷為2 520 kN。絞車額定輸入功率為2×800 kW或2×1 000 kW,絞車擋位為2+2R或1+1R,R為倒擋。提升系統(tǒng)繩數(shù)為12,鉆井鋼絲繩直徑為38 mm。井架型式為K型,有效高度為46.5 m。底座結(jié)構(gòu)為旋升式,有效高度為10.5 m。

▲圖1 井場鉆機(jī)平面布置

3.2 自動化裝備

輸送系統(tǒng)輸送的最大管柱長度為13.72 m,最大管柱質(zhì)量為3 000 kg,適用最大管柱規(guī)格為φ508 mm。

上卸扣系統(tǒng)適用管柱規(guī)格為φ73 mm～φ247.7 mm,最大卸扣扭矩為160 kN·m。

排管系統(tǒng)適用管柱規(guī)格為φ73 mm～φ247.7 mm。

3.3 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)

配套三臺鉆井泵,鉆井泵型號為F-1600HL,工作壓力為52 MPa。固控系統(tǒng)有效容積為360 m3,凈化級數(shù)為兩級。

3.4 動力與傳動系統(tǒng)

動力驅(qū)動形式為柴油機(jī)和網(wǎng)電雙動力驅(qū)動。單臺柴油機(jī)功率為1 190 kW,柴油機(jī)配套四臺。網(wǎng)電電壓為600 V,頻率為50 Hz。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)化配置

按照統(tǒng)一型式、統(tǒng)一配套、統(tǒng)一接口的原則,設(shè)計鉆機(jī)配套設(shè)備、平面布局、鉆臺布置、各設(shè)備對外接口。從井架、底座、傳動設(shè)備、動力系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式、設(shè)備配置、井場布置的標(biāo)準(zhǔn)化。

(1) 設(shè)備、接口標(biāo)準(zhǔn)化。定型選用技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的設(shè)備,形成標(biāo)準(zhǔn)化配套。對各類管線、接頭、電纜等統(tǒng)一接口。集成控制系統(tǒng)通信地址統(tǒng)一分配,規(guī)范數(shù)據(jù)通信協(xié)議,由集成控制系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行防碰互鎖管理。形成標(biāo)準(zhǔn)化操作流程,對裝備保養(yǎng)時間、保養(yǎng)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定。減少設(shè)備種類,統(tǒng)一對外接口,減少易損件種類,為鉆機(jī)出廠專業(yè)化制造加服務(wù)提供有力保障。

(2) 井場布置標(biāo)準(zhǔn)化。充分考慮常規(guī)井與叢式井要求,形成適應(yīng)國內(nèi)作業(yè)環(huán)境的通用井場布局和適應(yīng)川渝地區(qū)作業(yè)環(huán)境的特殊井場布局。井場按照功能劃分為鉆臺區(qū)、井場輔助區(qū)、動力區(qū)、油罐區(qū)、鉆井液循環(huán)區(qū)。

4.2 維護(hù)保養(yǎng)減量化

絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵、頂驅(qū)采用直驅(qū)技術(shù),部分設(shè)備采用免潤滑軸承,取消常規(guī)減速箱傳動,減少設(shè)備保養(yǎng)點(diǎn),降低維護(hù)保養(yǎng)的勞動強(qiáng)度,減少維護(hù)費(fèi)用。以轉(zhuǎn)盤直驅(qū)為例,進(jìn)行齒輪傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)盤與電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤兩種轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的參數(shù)對比分析,見表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出,轉(zhuǎn)盤采用電機(jī)直接驅(qū)動技術(shù),實(shí)現(xiàn)了低速大扭矩,效果明顯。鉆井泵缸套采用快速拆裝技術(shù),可以減少70%缸套拆裝工作量。配套氣動打銷器,避免依靠人工錘擊的方式拆裝銷軸。

表1 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置參數(shù)對比

4.3 管柱全流程自動化

管柱處理系統(tǒng)井場調(diào)試如圖2所示。全套管柱自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了整套管柱從地面到鉆臺,再到二層臺的全流程自動化輸送、旋扣、排管作業(yè),提高了工作效率。管柱自動化單元設(shè)備采用一鍵式操作,減輕了工人的勞動強(qiáng)度,并且實(shí)現(xiàn)二層臺高位無人值守。鉆井作業(yè)時,管柱處理任務(wù)主要集中在三個區(qū)域。地面區(qū)域主要完成堆場管柱的儲存、排放,以及地面與鉆臺面之間的輸送。鉆臺區(qū)域主要完成鉆桿扶持、連接、排放,以及井口管柱的清理。二層臺區(qū)域主要完成鉆桿在井口或鼠洞與二層臺之間的排放。

▲圖2 管柱處理系統(tǒng)井場調(diào)試

4.4 系統(tǒng)集成設(shè)計

(1) 液壓系統(tǒng)集成。采用集成化設(shè)計,配備一個組合液壓站和一個盤剎液壓站,滿足鉆機(jī)主機(jī)設(shè)備供液要求,并進(jìn)行集成化設(shè)計設(shè)備共享。組合液壓站滿足井架起升、底座起升、鉆機(jī)平移、防噴器吊裝,以及液壓貓頭、管柱處理設(shè)備、液壓吊卡等的供液需求。盤剎液壓站集成在絞車本體上,動力貓道液壓站、頂驅(qū)液壓站集成在本體上。

(2) 電控系統(tǒng)集成。采用公用房體自備柜體的方式,實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)控制與鉆機(jī)控制的集成,取消頂驅(qū)電控房,統(tǒng)一集成至鉆機(jī)電控房內(nèi)。電控系統(tǒng)由電控系統(tǒng)供應(yīng)商整體設(shè)計集成。采用鉆井儀表系統(tǒng)與電控系統(tǒng)觸摸屏、編碼器、數(shù)據(jù)采集器共用的方式,實(shí)現(xiàn)鉆井儀表一體化。控制邏輯簡單,控制對象少,由此實(shí)現(xiàn)控制器的集成。

(3) 司鉆集成控制。采用網(wǎng)絡(luò)集成化控制模式,依靠主副司鉆控制形式,實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)各設(shè)備的遠(yuǎn)程集中操作。主司鉆完成絞車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵、電機(jī)控制中心、液壓盤剎、液壓吊卡、液壓卡瓦、液壓貓頭等設(shè)備的控制,副司鉆完成動力貓道、鐵鉆工、動力鼠洞、緩沖機(jī)械手、泥漿盒、二層臺機(jī)械手、氣動指梁、液壓站、自動除泥器等管柱輔助設(shè)備的控制,由此實(shí)現(xiàn)鉆井設(shè)備的一體化集成控制。

4.5 兩級凈化固控系統(tǒng)

兩級凈化固控系統(tǒng)如圖3所示。

▲圖3 兩級凈化固控系統(tǒng)

鉆井液凈化采用振動篩加中高速離心機(jī)的組合模式,實(shí)現(xiàn)鉆井液的兩級凈化,簡化工藝流程,減少設(shè)備投入,降低能耗,減輕環(huán)保處理壓力。重晶石回收裝置獨(dú)立成橇,模塊化設(shè)計,一橇運(yùn)輸。鉆井液罐采用圓弧形罐底,頂部采用矩形結(jié)構(gòu),既便于罐內(nèi)清砂,又便于罐面設(shè)備的安裝。整體采用零排放設(shè)計,吸入管線采用外置,便于罐內(nèi)清砂。

4.6 井口間快速移運(yùn)技術(shù)

伸縮式電纜儲存架如圖4所示。采用伸縮式電纜儲存架移運(yùn)方案,滑軌支撐架采用門形結(jié)構(gòu),鉆機(jī)在移運(yùn)時,電纜放置在電纜儲存架中,隨底座移運(yùn)自動排放。鉆臺斜梯設(shè)置,由支撐桿支撐,逃生滑道采用繩索懸吊。移運(yùn)時鉆臺斜梯和逃生滑道不拆裝,減少鉆臺輔助設(shè)備的拆卸。對梯子、逃生滑道、坡道、倒繩機(jī)、液壓站做移運(yùn)集成設(shè)計。梯子和坡道增加輔助支撐,逃生滑道采用懸掛式,移運(yùn)時不需要拆除梯子、坡道、逃生滑道。倒繩機(jī)安裝在右前移運(yùn)裝置頂部,液壓站懸掛在基座側(cè)面,平移時隨底座一起移運(yùn),減少移運(yùn)時吊車的使用。

▲圖4 伸縮式電纜儲存架

4.7 信息識別技術(shù)

鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備信息識別系統(tǒng)作為鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置,安裝在設(shè)備銘牌附近?？拷O(shè)備銘牌就可識別設(shè)備的相關(guān)信息,包括使用說明書、維護(hù)保養(yǎng)手冊、備件清單等。

5 性能

(1) 標(biāo)準(zhǔn)化。按照統(tǒng)一形式、統(tǒng)一配套、統(tǒng)一接口的原則設(shè)計,實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式標(biāo)準(zhǔn)化、鉆機(jī)配套設(shè)備和接口尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、鉆機(jī)井場布局標(biāo)準(zhǔn)化、油水罐和野營房標(biāo)準(zhǔn)化、鉆機(jī)底座基礎(chǔ)和步進(jìn)移運(yùn)方式標(biāo)準(zhǔn)化。

(2) 機(jī)械化。配套全套管柱自動化設(shè)備和井口機(jī)械化工具,實(shí)現(xiàn)整套管柱從地面到鉆臺,再到二層臺的全流程自動化輸送、旋扣、排管作業(yè),提高工作效率。實(shí)現(xiàn)管柱自動化單元設(shè)備的一鍵式操作,減輕工人的勞動強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)二層臺高位無人值守,確保鉆井安全。采用自動化鉆井液配料加重系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鉆井液計量混配。采用銷軸拆裝、自動集中潤滑等機(jī)械化工具,代替人工,提高工作效率,改善工作條件。

(3) 信息化。配套具有寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司自主知識產(chǎn)權(quán)的雙司鉆集成控制系統(tǒng)和設(shè)備檔案信息識別系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)遠(yuǎn)距離現(xiàn)場監(jiān)控和故障診斷,為現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)提供便利。實(shí)現(xiàn)司鉆對鉆井設(shè)備的集成操作和集中管理,確保設(shè)備操作、管理方便靈活。實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的統(tǒng)一管理,方便設(shè)備運(yùn)行情況的檔案查詢。

(4) 專業(yè)化。通過標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、信息化工程的實(shí)施,為油田定制專業(yè)化人員配備、培訓(xùn)及專業(yè)化作業(yè)打下良好基礎(chǔ),不僅方便油田設(shè)備及配件的集中采購、儲存,而且方便鉆機(jī)的統(tǒng)一拆裝和運(yùn)輸。

7 000 m自動化鉆機(jī)與常規(guī)7 000 m鉆機(jī)性能對比見表2。由表2可知,7 000 m自動化鉆機(jī)性能大幅提升。

表2 7 000 m自動化鉆機(jī)與常規(guī)7 000 m鉆機(jī)性能對比

6 試驗

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6680—2013《石油鉆機(jī)和修井機(jī)出廠驗收規(guī)范》要求,進(jìn)行單元設(shè)備試驗。單元設(shè)備試驗合格后,方可在鉆機(jī)試驗井場安裝、調(diào)試。在試驗井場共進(jìn)行19項單元設(shè)備功能性試驗和1項鉆機(jī)整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗。鉆機(jī)整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗?zāi)M油田現(xiàn)場作業(yè)工況,進(jìn)行絞車、轉(zhuǎn)盤聯(lián)合調(diào)試,絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵聯(lián)合調(diào)試,包括:① 測試功能,驗證設(shè)備各功能完善;② 驗證各種保護(hù)、互鎖到位,保證作業(yè)安全;③ 測試電控系統(tǒng)、柴油機(jī)性能是否匹配,保證性能穩(wěn)定;④ 測試設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性,確保噪聲控制達(dá)標(biāo);⑤ 調(diào)試管柱自動化處理系統(tǒng)流程,優(yōu)化時間。經(jīng)過廠內(nèi)調(diào)試,使鉆機(jī)各系統(tǒng)各設(shè)備的功能得到充分驗證。通過試驗,確認(rèn)鉆機(jī)各系統(tǒng)各設(shè)備的各項指標(biāo)符合試驗大綱要求,能夠達(dá)到預(yù)期功能,系統(tǒng)運(yùn)行良好。

7 現(xiàn)場應(yīng)用

目前,第一代7 000 m自動化鉆機(jī)已分別在新疆昌吉、青海海西、新疆克拉瑪依、甘肅慶陽、陜西榆林、黑龍江大慶、河北滄洲等地開鉆作業(yè)。鉆機(jī)配置全套自動化工具,減少25%鉆臺面人員配置。采用電機(jī)直驅(qū)技術(shù),提高傳動效率9.6個百分點(diǎn),減輕10%設(shè)備質(zhì)量。采用雙軌跡振動篩加中高速離心機(jī)的兩級凈化系統(tǒng),減少設(shè)備配置,固控系統(tǒng)裝機(jī)功率降低25%。雙司鉆集成控制系統(tǒng)自動化程度高,作業(yè)安全可靠。采用鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障遠(yuǎn)程專家診斷。配套自動集中潤滑系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單井作業(yè)免維護(hù)。鉆機(jī)整體運(yùn)行良好,性能穩(wěn)定

8 結(jié)束語

通過研制7 000 m自動化鉆機(jī),實(shí)現(xiàn)了鉆井裝備的自動化。從鉆井裝備拆裝、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行全過程整體考慮,采用先進(jìn)技術(shù)和優(yōu)化措施,減輕工人勞動強(qiáng)度,提高鉆井作業(yè)效率,降低設(shè)備運(yùn)行成本,減少環(huán)境污染,最終達(dá)到四化鉆機(jī)的要求。

7000 m自動化鉆機(jī)的研制,為5 000 m、8 000 m、9 000 m系列自動化鉆機(jī)的開發(fā)起到指導(dǎo)作用,能夠完善自動化鉆機(jī)系列,促進(jìn)自動化鉆機(jī)示范建設(shè),提升我國石油鉆井裝備整體水平,為第二代一鍵式人機(jī)交互7 000 m自動化鉆機(jī)的成功研制打下基礎(chǔ)。

鉆井裝備的模塊化雖然取得了一些成效,但是仍有待加強(qiáng),需要將各個可拆卸設(shè)備逐步集成至固定底座上,減少鉆機(jī)拆卸、搬運(yùn)、安裝工作量,提高鉆機(jī)模塊化設(shè)計水平。

實(shí)現(xiàn)井場布置、產(chǎn)品接口的標(biāo)準(zhǔn)化,為批量生產(chǎn)和維保服務(wù)配件供應(yīng)提供了極大便利。