朱明坤

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

旋扣設(shè)備是鉆井工程中必不可少的工具，旋扣設(shè)備的使用貫穿整個鉆井工程，鑒于旋扣設(shè)備的重要性，國內(nèi)外油田已研制出各種不同規(guī)格型號的旋扣設(shè)備，以適應(yīng)不同的鉆井工藝需要。從傳統(tǒng)的B 型吊鉗，到各種型號、各種原理的液壓動力鉗；從單個液壓動力鉗到組合式液壓動力鉗，從微牙痕動力鉗到無牙痕動力鉗，從需要多人操作的液壓大鉗到全自動的鐵鉆工，經(jīng)過多年發(fā)展，井口旋扣設(shè)備已經(jīng)形成了一套較為完整的規(guī)格型號和結(jié)構(gòu)體系。

1 旋扣設(shè)備的發(fā)展

1.1 B型吊鉗

在初期的旋轉(zhuǎn)鉆井中，主要采用鏈鉗把絲扣擰上，再用大錘敲擊鉗柄，然后在井眼里完成上扣［1］。20 世紀初手動大鉗逐漸代替鏈鉗開始應(yīng)用于起下鉆和修井作業(yè)中，目前鉆井中普遍采用手動大鉗是B型吊鉗，如圖1 所示。其中規(guī)格為3-1/2″～9-5/8″的B 型吊鉗用于上卸鉆具螺紋，規(guī)格為11-3/8″～20″的B型吊鉗用于上緊套管螺紋。

在使用時，B型吊鉗的吊桿與鋼絲繩連接，鋼絲繩另一端繞過井架上的滑輪拉至鉆臺下方并墜以重物，以平衡吊鉗自重，方便調(diào)節(jié)其高度。工作時先打開扣合器，移動大鉗使管柱進入鉗頭，關(guān)閉扣合器，推動鉗柄施加扭矩，由于鉗頭的楔緊作用，使鉗牙咬住管柱并傳遞扭矩，實現(xiàn)上卸扣。B 型吊鉗利用扣合鉗鉗牙楔緊管柱，利用杠桿原理傳遞扭矩，操作時需要內(nèi)外鉗工配合使用，費時費力，安全性也較差。

1.2 液壓動力鉗

圖1 B型吊鉗結(jié)構(gòu)示意圖

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，20 世紀中葉國內(nèi)外各大油氣田企業(yè)相繼研究出液壓動力鉗，液壓動力鉗的出現(xiàn)，一定程度上減輕了井口工人的勞動強度，提高了井口的工作效率，經(jīng)過不斷改進，液壓大鉗逐漸取代手動大鉗，成為井口旋扣設(shè)備的主要裝置［2］。目前在國內(nèi)油田鉆修井作業(yè)中，大多使用的是液氣混合型動力大鉗，這種動力大鉗屬于半自動化上卸扣裝置。圖2 為江蘇如石機械有限公司生產(chǎn)研發(fā)的TQ340-35Y 型套管動力鉗，是開口式液氣混合型動力大鉗，配備有主鉗和背鉗兩個動力鉗。主鉗連接液壓動力站，由液壓動力站驅(qū)動液壓馬達和行星齒輪變速系統(tǒng)，完成扭矩的轉(zhuǎn)換和傳遞，鉗體采用爬坡滾子式夾緊機構(gòu)實現(xiàn)鉗頭顎板夾緊套管。背鉗連接井場氣源，通過移送氣缸完成動力鉗的前進和后退，通過夾緊氣缸帶動顎板總成擺動，顎板總成上的滾子沿著坡板體內(nèi)圓弧面的曲線進行爬坡，使得顎板鉗牙咬住管柱，完成夾緊。主鉗和背鉗均裝有扭矩傳感器，可通過扭矩檢測儀實現(xiàn)對上扣扭矩的實時監(jiān)測。

液壓動力鉗的研發(fā)，從根本上改變了傳統(tǒng)上扣方式，使得井口旋扣作業(yè)邁向機械化、自動化的發(fā)展進程，并改進了鉆井工藝，拓展了井口旋扣設(shè)備的功能，使上扣扭矩值實時化、數(shù)字化，有效地提高旋扣質(zhì)量。

圖2 TQ340-35Y型套管動力鉗

1.3 無牙痕管鉗

隨著勘探開發(fā)的深入以及深井、水平井等技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，天然氣的開發(fā)規(guī)模也逐漸增大，使得地層壓力逐漸增大，地層腐蝕性氣體增多，對套管的承壓性、密封性及抗腐蝕性提出了更高的要求。液壓動力鉗的廣泛應(yīng)用雖然提高了工作效率、降低了工人勞動強度，同時也存在著一系列問題。常規(guī)液壓動力鉗的鉗牙與管柱的接觸面積小，鉗牙齒端多為錐形或楔形，鉗口容易打滑。上卸扣作業(yè)時鉗體施加給鉗牙的高載荷在套管表面形成嚙合力，會造成套管變形，劃傷套管表層外壁。鉗牙長時間使用會出現(xiàn)磨損，作業(yè)時再次造成套管打滑、扒皮等現(xiàn)象。受損的套管柱一旦下井，這些損傷處就是質(zhì)量隱患，進而對整個固井工程的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

無牙痕液壓管鉗是一種全新設(shè)計，從21 世紀始成功的大范圍推廣使用［3］。其基本原理是在大范圍接觸面上利用摩擦力來傳遞扭矩。與液壓大鉗的金屬鉗牙不同的是無牙痕鉗牙采用高分子彈性材料，鉗牙可在承受高扭矩情況下，不破壞套管表面和套管的幾何形狀。圖3中的無牙痕液壓管鉗包括兩個半圓形、超長的鉗牙，作業(yè)時整個鉗牙表面都與套管壁貼合，增大了接觸面積，降低了套管表面的壓強，有效減少套管表面的應(yīng)力集中，從而保護套管表層。

2 先進的井口旋扣設(shè)備

圖3 無牙痕液壓管鉗

2.1 鐵鉆工

鐵鉆工屬于鉆井輔助類型工業(yè)機器人范疇，整體由機械部分、傳感部分、控制部分組成，通過人機交互系統(tǒng)可完成較復(fù)雜的井口工作，能完成3-1/2″鉆桿～9-5/8″鉆鋌的遙控上卸扣作業(yè)。作業(yè)時，只需司鉆一人遠程操作遙控器即可，可實現(xiàn)平臺無人化生產(chǎn)，先進的工作理念改變了傳統(tǒng)大鉗的工作方式。在動力方面采用全液壓的驅(qū)動方式，機電一體化設(shè)備代替現(xiàn)有內(nèi)鉗工和外鉗工執(zhí)行上卸扣操作，節(jié)省人力的同時，也提高了生產(chǎn)效率和作業(yè)安全性。該設(shè)備與頂驅(qū)配合，可顯著提升鉆機作業(yè)效率，實現(xiàn)井口自動化作業(yè)。

如圖4所示，鐵鉆功按移動方式可分為手臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工，手臂式鐵鉆工整體結(jié)構(gòu)采用最大化緊湊設(shè)計，能最大化地節(jié)省井口空間和鉆井平臺安裝面積，還能夠進一步提高井口作業(yè)安全系數(shù)。軌道式鐵鉆工，能精確地輸出上卸扣扭矩，可以更好地保護管柱連接螺紋，軌道式鐵鉆工相對手臂式鐵鉆工操作更為方便，但是軌道式鐵鉆工在安裝方面需要鋪設(shè)軌道，因而需要占用更多的鉆井平臺空間，不適宜在井口作業(yè)空間受限的鉆機上使用［4］。

圖4 手臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工

目前國際上只有美國、德國、日本等少數(shù)幾個發(fā)達國家在生產(chǎn)鐵鉆工。近些年來，美國的石油機械制造商為促進采油技術(shù)的進步，提高自動化管理水平和經(jīng)濟效益，做了大量工作，研制成功多項新裝置和新技術(shù)。其中美國的NOV(National0ilwell Varco)公司對鐵鉆工產(chǎn)品的研制開發(fā)代表了該產(chǎn)品最先進的技術(shù)水平，NOV 公司也是當今鐵鉆工市場上最大的經(jīng)銷商。目前國際上油田鉆井過程中使用鐵鉆工的國家也僅限于這幾個發(fā)達國家。

國內(nèi)鐵鉆工正處于研制開發(fā)的初期，應(yīng)用尚不成熟。相關(guān)科研院所、高?；蚱髽I(yè)發(fā)表了較多學(xué)術(shù)論文及技術(shù)報告，并申報了相關(guān)專利[5-10]。但大部分主要集中在結(jié)構(gòu)或者控制系統(tǒng)性能設(shè)計方面，結(jié)構(gòu)方面向小型手臂式或大型落地式方向發(fā)展，性能方面向大管徑夾持和大扭矩輸出方向發(fā)展，但是較少有關(guān)于技術(shù)開發(fā)路線的研究。鐵鉆工產(chǎn)品在國外已得到多年的應(yīng)用，穩(wěn)定、高效、安全的生產(chǎn)應(yīng)用使其得到廣泛的好評；從國內(nèi)情況來看，通過對鐵鉆工的進一步研發(fā)，相信其系列產(chǎn)品將很快的適應(yīng)國內(nèi)生產(chǎn)需要，投入生產(chǎn)作業(yè)后可大副提高生產(chǎn)效率和安全性，創(chuàng)新式的遠程監(jiān)控生產(chǎn)模式，將改變國內(nèi)傳統(tǒng)的石油生產(chǎn)方式，推動鉆井平臺無人化的自動化鉆井的發(fā)展，促進我國石油生產(chǎn)的現(xiàn)代化進程。

2.2 鉆臺機器人

油氣田鉆井階段的生命周期是一個勞動密集、資本密集型、固有風(fēng)險型的周期，隨著石油天然氣開發(fā)的逐漸深入，各大公司開始探索極端環(huán)境下的油氣開發(fā)。為提高整體的健康、安全和環(huán)保性能，運營商和服務(wù)公司投入更多的時間來研究鉆井過程中的機器人技術(shù)的應(yīng)用，探索安全有效的方式，自主進行北極、極端深水等環(huán)境的鉆井，如圖5所示。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，機器人鉆井系統(tǒng)能夠在遠程操作的同時，更安全、更高效地完成鉆臺任務(wù)，如果要在極端環(huán)境中使用，機器人鉆井系統(tǒng)無疑是比人工鉆井隊更好的選擇。

圖5 鉆井過程中機器人研究分布

挪威機器人鉆井系統(tǒng)公司日前開發(fā)出了一套全自動的石油鉆井平臺，該平臺能夠通過衛(wèi)星坐標定位作業(yè)地點，自動豎起14 層高的鋼鐵加固物，自動開掘油井，在衛(wèi)星的導(dǎo)航下移動到下一個工作地點，采用全電的設(shè)計，可以在1d 內(nèi)完成安裝，2015 年鉆臺機器人被出售并安裝在斯塔萬格的烏里格鉆井和油井中心。在鉆機上，鉆臺機器人主要作用是提高鉆臺的安全性。機器所有硬件驅(qū)動都在機器人內(nèi)部，連接懸掛主要由10 個螺栓和電源、通信、安全鏈和空氣（通過機器人內(nèi)部的凈化空氣獲得防爆狀態(tài)）組成。機器人操作接頭、短節(jié)、方鉆桿旋塞閥憑借其旋轉(zhuǎn)能力，接頭可以直接旋轉(zhuǎn)到立根上，無需人工干預(yù)，機器人提升接頭的操作需要30～60s，而手動操作需要2～3min。

3 井口旋扣設(shè)備的發(fā)展方向

3.1 自動化

隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，自動化鉆井技術(shù)日趨成熟，頂驅(qū)、鐵鉆工等技術(shù)應(yīng)用的越來越廣泛，全自動化旋扣作業(yè)成為一種趨勢。未來的全自動旋扣作業(yè)將大大降低鉆井的人工風(fēng)險，減輕人工勞動強度，提高作業(yè)效率和工程質(zhì)量，能自動應(yīng)對災(zāi)害，處理事故，在復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)，增加鉆井運行時間，適應(yīng)極端領(lǐng)域的作業(yè)。

3.2 專業(yè)化

為適應(yīng)不同生產(chǎn)需要，旋扣設(shè)備的功能將更加精細化、專業(yè)化。比如為了不損傷含CRA套管而研制的微牙痕套管動力鉗、無牙痕套管動力鉗可以在旋扣的同時保護套管不受損傷，保障完井管柱的質(zhì)量，進而提高固井工程的質(zhì)量。為了減輕工人在油氣田修井作業(yè)起下管柱的勞動強度以及降低事故風(fēng)險，研制了遠程控制液壓油管鉗自動上扣裝置，將控制指令集中到一個操作盤上，修井機司機操作手柄就能遠程控制液壓油管鉗自動就位、上卸扣和對缺口，從而提高人員和設(shè)備的安全系數(shù)，節(jié)省施工成本。

3.3 智能化

隨著開發(fā)的不斷深入，石油天然氣逐漸向深海、極地、沙漠等極端環(huán)境開發(fā)，智能化鉆井技術(shù)對于極端環(huán)境下的石油開采有著重要的研究價值。智能化旋扣設(shè)備是石油鉆采旋扣設(shè)備的發(fā)展方向，是更加專業(yè)的石油開采技術(shù)，這種技術(shù)不僅能降低勞動強度、提升作業(yè)效率、增加作業(yè)時間，而且可以適應(yīng)極端環(huán)境、避免事故發(fā)生，有效地控制生產(chǎn)成本。在人工智能高度發(fā)展的時代，一種高度智能的石油鉆井旋扣設(shè)備技術(shù)必將得到全面應(yīng)用。

4 結(jié)語

井口旋扣設(shè)備經(jīng)歷了手工操作到半自動化再到全自動化的發(fā)展，型號越來越多，功能越來越豐富，專業(yè)性越來越強，每一次革新都提高了工作效率和安全系數(shù)，減少了人工操作，降低了勞動強度。隨著自動控制、人工智能的理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，井口旋扣設(shè)備必將由自動化向著智能化的方向前進。