鮑澤富，胡廣珊

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 前言

在石油鉆井過程中，立根需要不斷地存入或移出二層臺(tái)指梁架。每提起一個(gè)立根，就需要將鉆桿從井口吊卡位置移送到鉆桿立根盒中。每下放一個(gè)立根，就需要將鉆桿從立根盒移送到井口吊卡位置，這個(gè)過程經(jīng)常重復(fù)進(jìn)行[1]。整個(gè)過程需要井架工在二層臺(tái)上伸出機(jī)械手到井口中心位置將立根接到游車上或者拆下來，還需要平臺(tái)鉆工進(jìn)行上卸扣操作。鉆桿排放操作需要多人合作共同完成，在進(jìn)行起下鉆時(shí)，鉆井工作人員(司鉆、井架工和鉆工)必須密切合作，任何一人操作失誤，都可能導(dǎo)致其他人員受到傷害。另外，二層臺(tái)距離井臺(tái)約26.5 m，井架工高空作業(yè)的安全得不到保證[2]?？梢娫趥鹘y(tǒng)鉆井工作中，工作環(huán)境安全性差，工作過程繁瑣耗費(fèi)人力，鉆井效率不高，體現(xiàn)出一套完整穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的自動(dòng)化排管系統(tǒng)在鉆井作業(yè)中存在的必要性。

最早這種自動(dòng)排管技術(shù)投入應(yīng)用是在海上鉆井，在海洋鉆井作業(yè)中常遇風(fēng)浪，工作環(huán)境惡劣，安全情況更為突出[3]。同時(shí)，海洋鉆井作業(yè)成本很高，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得十分重要。因此，海洋鉆井平臺(tái)配備自動(dòng)排管系統(tǒng)較多[4]。在上世紀(jì)初技術(shù)人員開始研究鉆桿自動(dòng)排放方案，1968年，Offshore公司在其discoverer號(hào)鉆井船上配備了立式鉆桿排放系統(tǒng)，此后，自動(dòng)化鉆桿排放系統(tǒng)開始得到迅速發(fā)展[5]。這套系統(tǒng)獲得成功后，許多其他鉆井船開始安裝類似系統(tǒng)。挪威石油局于1981年做出規(guī)定:作業(yè)于其領(lǐng)海內(nèi)的所有鉆機(jī)必須配備自動(dòng)化鉆桿排放系統(tǒng)[6]。此后，排管機(jī)得到了較大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但是由于海洋平臺(tái)所用自動(dòng)排管系統(tǒng)體積龐大，不適用于陸地鉆井平臺(tái)常用的K型井架[7]，加之成本較高，因此在陸地鉆井平臺(tái)配備還較少。之后隨著HSE標(biāo)準(zhǔn)的提出和實(shí)施以及對(duì)鉆井效率的要求，陸地鉆機(jī)也逐步開始配置立根排放裝置[8]。

經(jīng)過幾十年許多國家的不斷努力，自動(dòng)排管技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。目前國外具有代表性的公司，美國NOV公司和挪威的MH公司[9]，都是全球最大的鉆井設(shè)備制造商。兩家公司的技術(shù)均主要用于海洋大型鉆井平臺(tái)，部分產(chǎn)品(比如NOV公司的PRS系列管具自動(dòng)排放系統(tǒng))也只用于大型陸地深井鉆機(jī)。由于系統(tǒng)笨重和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法在中深井和淺井陸地鉆機(jī)使用[1]。但是之后的美國Weatherford公司代號(hào)為Lron Derrickman的排管系統(tǒng)，在陸地鉆機(jī)和海洋鉆機(jī)都可以配備使用，并且該技術(shù)已在美國致密氣、頁巖氣藏的鉆井作業(yè)中得到成功應(yīng)用，這套系統(tǒng)應(yīng)用率目前很高[10]。我國石油鉆機(jī)近年來相繼成功研制出了特深井9 000 m和12 000 m石油鉆機(jī)[4]，率先在國際上完善了1 000 m到12 000 m鉆深系列鉆機(jī)的無縫覆蓋。由于鉆機(jī)的自動(dòng)化程度不高，不但影響鉆井作業(yè)效率，繼續(xù)加大鉆井工人的操作強(qiáng)度，而且還會(huì)對(duì)操作人員的安全帶來嚴(yán)重威脅，對(duì)貫徹執(zhí)行HSE相關(guān)要求也有很大的影響[5]。自動(dòng)排管系統(tǒng)在國內(nèi)陸上鉆機(jī)也有應(yīng)用，但由于成本相對(duì)鉆機(jī)主機(jī)而言增加較大，其推廣應(yīng)用速度較慢。國內(nèi)一些石油裝備公司、高校和科研機(jī)構(gòu)也都紛紛著手研制陸地鉆機(jī)自動(dòng)化鉆桿排放裝置。

經(jīng)過長期的工作研究與實(shí)地考察，本文提出了一種可直接安裝于二層臺(tái)與鉆臺(tái)之間適用于陸地上常用的K型井架和X-Y型排管架結(jié)構(gòu)的陸地二層臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要工作是完成立根從二層臺(tái)指梁到井口中心之間的往復(fù)移動(dòng)，自動(dòng)完成鉆桿的排放工作?；诔墒斓腜LC技術(shù)[11]，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行安全高效地工作。再通過人機(jī)接口軟件，在實(shí)現(xiàn)對(duì)立根的自動(dòng)轉(zhuǎn)移和排放等工作過程中，對(duì)立根盒中鉆桿的存放位置與數(shù)量進(jìn)行監(jiān)控和記錄，從而使操作人員脫離繁重的體力勞動(dòng)，提高作業(yè)效率、實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)化，完成對(duì)鉆桿的自動(dòng)化排放和科學(xué)化管理。

1 總體結(jié)構(gòu)方案

1.1 總體結(jié)構(gòu)布局和技術(shù)參數(shù)

陸地鉆機(jī)自動(dòng)排管系統(tǒng)主要用于井口到立根盒之間往返自動(dòng)排放鉆桿立根。陸地鉆機(jī)自動(dòng)排管的系統(tǒng)主要由二層臺(tái)機(jī)械手與鉆臺(tái)輔助機(jī)械手兩部分組成，工作時(shí)安裝于二層臺(tái)上的二層臺(tái)機(jī)械手與安裝于鉆臺(tái)上的鉆臺(tái)輔助機(jī)械手相互配合共同完成鉆具的排放。其中二層臺(tái)機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)橫向平移、縱向平移、機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)、夾持等功能，鉆臺(tái)機(jī)械手可完成機(jī)械臂的伸縮、旋轉(zhuǎn)、升降以及夾持等?？刂葡到y(tǒng)由檢測傳感器、增量傳感器、運(yùn)動(dòng)控制卡、執(zhí)行電機(jī)和動(dòng)力液壓缸等組成，能夠控制上下機(jī)械手協(xié)同工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

陸地鉆機(jī)二層臺(tái)排管系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)為

機(jī)械手電機(jī)電源 380VAC±5%

適應(yīng)管徑 4～9英寸

機(jī)械手運(yùn)行速度 0.2～0.5 m/s

最大操作半徑 2 600 mm

回轉(zhuǎn)角度 ±90°

一次取或排鉆桿時(shí)間 ≤35 s

1.2 二層臺(tái)機(jī)械手

如圖2所示，二層臺(tái)機(jī)械手主要由平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸展臂以及機(jī)械手爪四部分組成，分別由三個(gè)相對(duì)應(yīng)的防爆電機(jī)和一個(gè)電推桿提供動(dòng)力。平移機(jī)構(gòu)為絲杠螺母結(jié)構(gòu)，懸掛于二層臺(tái)上，在滑塊和導(dǎo)軌上安裝有位移傳感器，時(shí)刻反饋滑塊的位置。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與滑塊連接，由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，每次整體旋轉(zhuǎn)90°，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前側(cè)與導(dǎo)軌水平方向之間安裝有角位移傳感器。伸展機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，在伸展機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)鉸接部分之間安裝有角位移傳感器。機(jī)械手爪由電推桿提供動(dòng)力控制開合，內(nèi)側(cè)安裝有接觸式傳感器，用于檢測管柱與機(jī)械手之間的相對(duì)位置，當(dāng)管柱接觸到傳感器探頭后，系統(tǒng)向機(jī)械手發(fā)出夾緊信號(hào)，于是機(jī)械手爪便合上抓緊管柱。在工作過程中各部分由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度依次動(dòng)作共同完成鉆桿排放任務(wù)。

圖2 二層臺(tái)機(jī)械手

1.3 鉆臺(tái)輔助機(jī)械手

如圖3所示，鉆臺(tái)輔助機(jī)械手安裝于鉆臺(tái)上，由一個(gè)支撐臂和兩個(gè)伸展臂以及夾持部分與底座四部分組成。鉆臺(tái)輔助機(jī)械手分別由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)電推桿和三個(gè)液壓缸提供動(dòng)力源，其中步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，1#、2#液壓缸調(diào)節(jié)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)相互配合控制機(jī)械手伸展的程度，3#液壓缸控制機(jī)械手伸出的長度，夾持部分的開合由電推桿控制。伸展臂與旋轉(zhuǎn)底座和伸展臂與1#伸展臂之間鉸接處，安裝有角位移傳感器，夾持部分內(nèi)測安裝有位移傳感器。鉆臺(tái)輔助機(jī)械手主要任務(wù)是在二層臺(tái)機(jī)械手起立根時(shí)，將立根送入吊卡后，配合夾持扶正立根下端，限制其擺動(dòng)，并跟隨二層臺(tái)機(jī)械手移動(dòng)到井口輔助對(duì)扣或者移動(dòng)到排管架的指定位置。在此過程中，鉆臺(tái)輔助機(jī)械手不起夾持和提拉的作用，只提供扶正和平移的功能，并且在移動(dòng)的過程中，要與二層臺(tái)機(jī)械手相配合，故移動(dòng)量，速度，加速度兩者須相互協(xié)調(diào)。

圖3 鉆臺(tái)輔助機(jī)械手

2 控制系統(tǒng)

2.1 工作原理

控制系統(tǒng)基于成熟的PLC可編程邏輯控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)模塊劃分如圖4所示，該系統(tǒng)主要分為二層臺(tái)機(jī)械手和鉆臺(tái)輔助機(jī)械手以及外部交接設(shè)備吊卡三部分。在二層臺(tái)靠近吊卡位置和吊卡內(nèi)部安裝了位移傳感器，分別檢測機(jī)械手是否到達(dá)位置。所有傳感器測量的動(dòng)態(tài)參數(shù)都用于計(jì)算機(jī)械手移動(dòng)的位移、速度和加速度，并通過各項(xiàng)參數(shù)的反饋來調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)管柱的自動(dòng)夾持、下放、提升、平移等全程無人數(shù)字化自動(dòng)控制過程，全程只需一名工人在司鉆房中操作，操作過程可通過顯示屏上監(jiān)控畫面監(jiān)管。

圖4 控制系統(tǒng)模塊圖

2.2 工作流程

圖5所示為自動(dòng)排管系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)邏輯。

圖5 自動(dòng)排管程序設(shè)計(jì)邏輯

陸地鉆機(jī)二層臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)工作過程包括取鉆桿和排鉆桿兩個(gè)過程。取鉆桿的過程是將排管架中的指定鉆桿取出送入井口上方的吊卡，排鉆桿動(dòng)作是取鉆桿動(dòng)的逆動(dòng)作，是將吊卡處的鉆桿移動(dòng)轉(zhuǎn)存到排架管指梁中排好。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出取鉆桿命令，二層臺(tái)機(jī)械手平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)到導(dǎo)軌指定位置，然后伸展部分伸出，當(dāng)機(jī)械手爪內(nèi)部傳感器檢測到鉆桿已到達(dá)位置，機(jī)械手爪閉合抓緊鉆桿，伸展臂縮回將鉆桿送入二層臺(tái)靠近井口的一端，當(dāng)二層臺(tái)上的傳感器檢測到機(jī)械手到達(dá)位置，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆桿面向吊卡，旋轉(zhuǎn)到位后，機(jī)械臂繼續(xù)伸展將鉆桿送入吊卡，吊卡中傳感器檢測到鉆桿到達(dá)位置，吊卡閉合抓緊鉆桿；吊卡接過鉆桿后，鉆臺(tái)機(jī)械手伸出抓住立根底部，將立根擺正，同時(shí)二層臺(tái)機(jī)械手松開鉆桿回到初始位置等待下一個(gè)命令，鉆臺(tái)機(jī)械手繼續(xù)配合完成后續(xù)所需輔助工作。排鉆桿流程剛好與之相反。

3 技術(shù)特點(diǎn)

(1) 以電驅(qū)動(dòng)為主，液壓為輔，管線布置簡單，安全性強(qiáng)。液壓管線連接比電器線路的連接要復(fù)雜，并且液壓油的雜質(zhì)和液壓管的疲勞碎屑會(huì)使壓力管堵塞或者刺破，安全問題得不到保證。

(2) 該系統(tǒng)是在原有的鉆機(jī)上進(jìn)行改造，有效的利用資源，避免浪費(fèi)。二層臺(tái)機(jī)械手直接安裝于二層臺(tái)上，鉆臺(tái)機(jī)械手直接安裝在鉆臺(tái)上，拆卸維護(hù)都很方便。

(3) 該系統(tǒng)控制部分采用PLC技術(shù)，軟件開發(fā)簡單，控制程序編譯容易。

(4) 全程數(shù)字化控制，節(jié)省人力，效率高。本系統(tǒng)適用于陸地上常用的K型井架和X-Y型排管架結(jié)構(gòu)，工作過程可取代井架工，由司鉆房統(tǒng)一控制?？茖W(xué)規(guī)范化的管理，保障了工人安全，節(jié)省排放時(shí)間。

4 結(jié)束語

目前該項(xiàng)目已完成總體方案設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分已完成各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵受力部分的強(qiáng)度校核與優(yōu)化，控制系統(tǒng)部分已完成控制流程設(shè)計(jì)和液壓電器元件的選型，以及確定了各部分工作路線。后續(xù)工作主要圍繞試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和樣機(jī)的制造來開展，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并作出分析與優(yōu)化，改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制邏輯，使該系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。并考慮在現(xiàn)場利用ZJ50D鉆機(jī)井架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。