摘 要：鉆機(jī)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，鉆機(jī)作業(yè)環(huán)境也日趨復(fù)雜，針對(duì)效率高、性能可靠、安全風(fēng)險(xiǎn)小的自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)已迫在眉睫。本文從研發(fā)角度介紹了自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)的思路和方法，以及自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題和解決辦法。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化鉆機(jī) 一體化 拆分和整合 常規(guī)鉆機(jī)

中圖分類號(hào)：TD421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（b）-0072-02

國(guó)內(nèi)鉆機(jī)經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鉆機(jī)的類型和級(jí)別日益增加，從當(dāng)年的大慶II型鉆機(jī)到現(xiàn)在的9000 m、12000 m鉆機(jī)，從探井到修井，從陸地到海洋，從平地到沙漠、大山、森林和沼澤，從純機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)到現(xiàn)在的直流、交流、交流變頻、混和動(dòng)力和液壓鉆機(jī)，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)類型更是數(shù)不勝數(shù)，門類繁多。盡管如此，國(guó)內(nèi)鉆機(jī)與國(guó)外鉆機(jī)還是有一定的差距，主要原因是鉆機(jī)在自動(dòng)化研發(fā)、應(yīng)用方面，重視和投入程度不夠，導(dǎo)致鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新，鉆機(jī)關(guān)鍵部件沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)高投入高回報(bào)的海洋鉆井鉆機(jī)，自動(dòng)化程度太低，操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，人機(jī)安全系數(shù)低。在此條件下，常規(guī)鉆機(jī)利潤(rùn)下降，國(guó)內(nèi)鉆機(jī)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。所以研發(fā)自動(dòng)化鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)關(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化，將是今后整個(gè)鉆機(jī)行業(yè)發(fā)展的主題。

根據(jù)不同的使用環(huán)境，自動(dòng)化鉆機(jī)需要不同的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而決定自動(dòng)化鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)的主要因素是鉆機(jī)的關(guān)鍵零部件和整個(gè)鉆井工藝。鉆機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)取決于鉆機(jī)上下游產(chǎn)業(yè)的技術(shù)支持力度；鉆井工藝需要對(duì)整個(gè)鉆井工藝進(jìn)行綜合分析和優(yōu)化。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)鉆機(jī)行業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下幾點(diǎn)著手開展。

1 自動(dòng)化鉆機(jī)總體概念設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體概念設(shè)計(jì)，排除市場(chǎng)和生產(chǎn)的干擾，作為研發(fā)和儲(chǔ)備技術(shù)的一種手段，這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程牽涉到幾個(gè)學(xué)科和專業(yè)，需要在鉆機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)或者在鉆機(jī)使用方面經(jīng)驗(yàn)豐富、大機(jī)械和自動(dòng)化控制專業(yè)性強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)。自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)核心內(nèi)容包括鉆機(jī)安裝，設(shè)備操作和控制，鉆機(jī)井口工具及鉆具排放，鉆機(jī)泥漿循環(huán)和凈化系統(tǒng)，鉆機(jī)動(dòng)力源系統(tǒng)，井控和固控系統(tǒng)、鉆機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和控制以及各個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備、工具、環(huán)境檢測(cè)等部分。自動(dòng)化鉆機(jī)總體概念設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)：首先依據(jù)鉆井工藝提出常規(guī)鉆機(jī)從開鉆到完井所有的工序、步驟、人力、工具、設(shè)備結(jié)構(gòu)和環(huán)境地質(zhì)參數(shù)等，然后列出整個(gè)鉆井到完井所用到的鉆井設(shè)備、工具、各個(gè)系統(tǒng)等。根據(jù)所有鉆井設(shè)備、工具、各個(gè)系統(tǒng)使用性能統(tǒng)一或者分類設(shè)備動(dòng)力源以及控制，其次優(yōu)化鉆井工藝和整合各個(gè)鉆井設(shè)備，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，模擬、建模數(shù)個(gè)自動(dòng)化鉆機(jī)方案，最后對(duì)每個(gè)方案，從自動(dòng)化鉆機(jī)的自身性能、自動(dòng)化程度、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化等幾個(gè)方面進(jìn)行裁量，取舍和優(yōu)化。

具體考慮以下幾點(diǎn)。

1.1 自動(dòng)化鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)要與鉆機(jī)設(shè)備融到一起設(shè)計(jì)，從鉆機(jī)總體考慮集成結(jié)構(gòu)和設(shè)備，結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安裝、設(shè)備的動(dòng)力和控制統(tǒng)一考慮。自動(dòng)化鉆機(jī)應(yīng)把常規(guī)鉆機(jī)的絞車，井架，天車，游車，頂驅(qū)，轉(zhuǎn)盤，大小鼠洞，各種操作鉗，鉆桿排放裝置，動(dòng)力源及驅(qū)動(dòng)、各個(gè)管匯閥門以及這些設(shè)備的控制、檢測(cè)、維護(hù)等等，整體一體化設(shè)計(jì)而言，一定要把鉆機(jī)提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、固定部分三者結(jié)合在一塊來(lái)設(shè)計(jì)，使設(shè)備融合到結(jié)構(gòu)中，打破常規(guī)鉆機(jī)設(shè)備和工具面貌，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)設(shè)備和工具操作控制的自動(dòng)化。

1.2 自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式

自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式有電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，根據(jù)使用環(huán)境和驅(qū)動(dòng)方式選擇使用哪種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，然后再選擇哪種動(dòng)力傳遞方式。

1.3 自動(dòng)化鉆機(jī)總體控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體控制包括工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化鉆機(jī)所有控制設(shè)計(jì)應(yīng)集成設(shè)計(jì)，按照自動(dòng)化鉆機(jī)安裝工藝和鉆井工藝，對(duì)鉆機(jī)所有控制點(diǎn)進(jìn)行程序號(hào)化設(shè)計(jì)，使用可視和參數(shù)修改的計(jì)算機(jī)處理界面，使鉆機(jī)控制和操作方便容易，鉆機(jī)工作安全可靠。

1.4 自動(dòng)化鉆機(jī)總體檢測(cè)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體檢測(cè)包括設(shè)備自身性能檢測(cè)、鉆機(jī)工作時(shí)各模塊連接參數(shù)檢測(cè)、整個(gè)鉆機(jī)工作環(huán)境氣體檢測(cè)、鉆機(jī)泥漿配比和容量損失檢測(cè)、井下鉆井及環(huán)境參數(shù)檢測(cè)等，檢測(cè)與控制同步，檢測(cè)與安全維護(hù)和預(yù)防同步。

2 自動(dòng)化鉆機(jī)關(guān)鍵零部件的研發(fā)

鉆機(jī)關(guān)鍵零部件除了絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤外，還包括頂驅(qū)和柴油發(fā)電機(jī)，這五個(gè)設(shè)備國(guó)內(nèi)已有了系列化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。但是自動(dòng)化鉆機(jī)需要的絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)和柴油發(fā)電機(jī)也決非現(xiàn)在的尺寸和樣子，因此需要尺寸小功率大以及防暴等級(jí)、使用性能好的電機(jī)、馬達(dá)和柴油發(fā)電機(jī)，這就要求鉆機(jī)生產(chǎn)廠家與這些設(shè)備的外購(gòu)廠家合作，共同研發(fā)出適合自動(dòng)化鉆機(jī)使用的電機(jī)、馬達(dá)和柴油發(fā)電機(jī)。這里要強(qiáng)調(diào)的是自動(dòng)鉆機(jī)不僅僅是為了方便快捷，以為的要求鉆機(jī)尺寸小，而是要求鉆機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高、性能越來(lái)越可靠，效率和安全程度越來(lái)越高，而作業(yè)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越小。

3 自動(dòng)化鉆機(jī)井口操作工具的研發(fā)

自動(dòng)化鉆機(jī)井口操作工具要求把常規(guī)鉆機(jī)支撐鉆柱用的補(bǔ)心和卡瓦、鉆柱上卸扣用的各種操作鉗、提放單（立）根的吊卡和吊環(huán)、排放單（立）根的鉆桿排放裝置按照使用方式集成在一起，打包分塊設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)盤時(shí)就考慮把補(bǔ)心和卡瓦合在一起設(shè)計(jì)，盡量使補(bǔ)心和卡瓦整合在一起再放到轉(zhuǎn)盤內(nèi)，并且與轉(zhuǎn)盤使用相同的驅(qū)動(dòng)方式和控制。對(duì)于井口各種操作鉗盡可能做到一鉗多用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作和控制。吊卡、吊環(huán)與頂驅(qū)整合在一起設(shè)計(jì)，也盡可能使用相同的驅(qū)動(dòng)方式和控制。鉆桿排放裝置與井架整合在一起設(shè)計(jì)，使井架內(nèi)設(shè)備與井架結(jié)構(gòu)相融合。打包分塊設(shè)計(jì)是在滿足鉆井工藝和工具相互協(xié)調(diào)工作的前提下進(jìn)行的，不是簡(jiǎn)單的相互疊加。整合是為了增加各個(gè)部分的功能，實(shí)現(xiàn)集中控制和驅(qū)動(dòng)，最大化減少設(shè)備和工具數(shù)量。

4 自動(dòng)化鉆機(jī)泥漿循環(huán)和凈化系統(tǒng)、井控和固控設(shè)備設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)泥漿循環(huán)和凈化系統(tǒng)、井控和固控設(shè)備也是先整體設(shè)計(jì)后，再按系統(tǒng)工藝和地質(zhì)環(huán)境要求打包分塊設(shè)計(jì)，把設(shè)備、管匯、控制、檢測(cè)、安裝與結(jié)構(gòu)融合在一起，與整個(gè)自動(dòng)化鉆機(jī)結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)。

5 自動(dòng)化鉆機(jī)其它輔助設(shè)備的研發(fā)

自動(dòng)化鉆機(jī)輔助設(shè)備包括自動(dòng)化鉆機(jī)工作前后的一些準(zhǔn)備設(shè)備以及外用接口，這些部分設(shè)備是按位置及使用時(shí)間可以掛接在自動(dòng)化鉆機(jī)上還是集成設(shè)計(jì)到自動(dòng)化鉆機(jī)各分包內(nèi)，取決于自動(dòng)化鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)。

6 自動(dòng)化鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

自動(dòng)化鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范除了鉆機(jī)性能參數(shù)外，鉆機(jī)設(shè)備通用性、電氣液設(shè)備和控制級(jí)別與性能、管匯、自動(dòng)化程度等與常規(guī)鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范相比，要求更高，也更復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)在距自動(dòng)化鉆機(jī)的系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化還有很長(zhǎng)的路要走，所以自動(dòng)化鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制訂需要不斷摸索和積累，它將伴隨著自動(dòng)化鉆機(jī)發(fā)展而不斷完善。有了自動(dòng)化鉆機(jī)才會(huì)有智能化鉆機(jī)，所以從務(wù)實(shí)的態(tài)度來(lái)推進(jìn)鉆機(jī)的全面發(fā)展，是當(dāng)前我們研發(fā)和設(shè)計(jì)人員需要做的工作。

7 結(jié)論

自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)計(jì)，不是簡(jiǎn)單的拆分和整合，一定要結(jié)合自動(dòng)化鉆機(jī)使用和工藝來(lái)設(shè)計(jì)和集成自動(dòng)化鉆機(jī)每個(gè)零部件，用實(shí)體模型來(lái)檢驗(yàn)自動(dòng)化鉆機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)和動(dòng)作，盡可能在設(shè)計(jì)角度和階段就預(yù)測(cè)出鉆機(jī)自動(dòng)化程度和使用性能，當(dāng)然最后還得考慮制造成本、周期和實(shí)現(xiàn)難度。

自動(dòng)化鉆機(jī)的發(fā)展前景十分廣闊，當(dāng)然也存在著風(fēng)險(xiǎn)和難度，研發(fā)自動(dòng)化鉆機(jī)是鉆機(jī)行業(yè)每個(gè)研發(fā)和設(shè)計(jì)人員最大的夢(mèng)想和夙愿，自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)的成功與失敗也將影響國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)工業(yè)的興衰，自動(dòng)化鉆機(jī)的發(fā)展也決定鉆機(jī)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和上下游企業(yè)的興起，國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)的未來(lái)將會(huì)在一場(chǎng)自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的競(jìng)賽和合作中開始新的一頁(yè)。

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