劉慶豐

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州434024）

1 引言

用高性能、高自動化程度的設備裝備鉆機提高鉆井作業(yè)效率及鉆機整體自動化水平，將操作人員從繁重的體力勞動中解放出來成為了當今自動化鉆機的發(fā)展趨勢。自動化鉆機配備的管柱處理系統(tǒng)是一套由多種裝置聯(lián)合作業(yè)、模仿人工操作步驟、多工種有序銜接、規(guī)范化傳輸運送、一體化集中控制的智能化系統(tǒng)，石油鉆機管柱處理系統(tǒng)完全實現(xiàn)了管柱（鉆桿、油管、鉆鋌、套管）從堆場到鉆臺、直至二層臺全過程自動化控制操作。國內陸地鉆機已陸續(xù)開始配置管柱自動化處理系統(tǒng)。目前國內海洋移動平臺均配備了自動化程度高的管柱處理系統(tǒng)，但管柱處理系統(tǒng)基本被國外制造商所壟斷，而海洋固定式平臺鉆機的自動化作業(yè)的程度還很低，尤其是管柱自動化處理系統(tǒng)更是空白。

海洋固定平臺鉆修機常年矗立于鉆采平臺，一套鉆修機不僅要具備鉆井功能，還要兼顧修井功能。鉆井和修井的作業(yè)工況會有所不同，另外受平臺空間的限制，管柱拋接會存在多個方向，加上作業(yè)環(huán)境惡劣等因素，管柱自動化處理系統(tǒng)必需結合海洋固定平臺鉆修機的作業(yè)特點而研制。

2 主要結構組成

管柱自動化處理系統(tǒng)主要包括動力二層臺、導向定位裝置、二層臺機械手、鐵鉆工、動力鼠洞、集成控制系統(tǒng)等。

2.1 動力二層臺

動力二層臺主要由主支撐結構、活動指梁排、指梁門閂、大門門閂、控制閥組等組成，如圖1所示。

由于海洋鉆井和修井時的管柱直徑不一樣，因此，二層臺的指梁能適應規(guī)格2 3/8"油管到5 7/8"鉆桿的排放，采用司鉆房控制可實現(xiàn)指梁間距自動可調。指梁采用雙指梁排結構設計，最大能排放5 7/8"規(guī)格的鉆桿。指梁排按照鉆桿的排放要求布置，每個指梁可以分別調節(jié)，通過指梁的調整可滿足同時排放不同規(guī)格的管柱需要。指梁排中預留有管柱排放緩沖區(qū)，用來排放不滿一排的管柱，保障管柱在大風惡劣天氣的管柱安全。每個活動指梁上都有門閂，整個二層臺配有大門門栓和鉆鋌門閂，均能全自動開閉，保證作業(yè)安全，減少司鉆操作帶來的失誤風險。

圖1 動力二層臺

2.2 導向定位裝置

導向定位裝置除不具備頂驅，能提供旋轉扭矩外，具備與頂驅類似的其他與自動化排管相關的全部功能。液壓吊卡與導向定位裝置作為自動排管系統(tǒng)的特殊游動部分，由導向定位裝置、吊環(huán)和液壓吊卡三部分組成。

導向定位裝置吊裝在大鉤下方，由本體、導軌、放置裝置、液壓吊卡與導向定位裝置集成控制系統(tǒng)四部分組成。導向定位裝置通過導軌進行導向，保證液壓吊卡的穩(wěn)定性和實現(xiàn)前后擺動，同時配備放置裝置。

導軌安裝在井架上，為導向定位裝置本體提供導向定位支撐，同時提供一定的抗旋轉扭矩支撐。放置裝置是導向定位裝置現(xiàn)場安裝與放置機構，具備放置導向定位裝置和移動導向定位裝置兩種功能。導向定位裝置如圖2所示。

圖2 導向定位裝置

2.3 二層臺機械手

二層臺機械手主要用于管柱的抓取與排放，采用推扶式、懸掛結構，液壓驅動實現(xiàn)機械手的回轉、移動、手臂伸縮及鉗頭夾持，如圖3所示。

圖3 二層臺機械手

2.4 鐵鉆工

鐵鉆工是鉆修井作業(yè)時進行鉆桿、油管、鉆鋌等上卸扣作業(yè)的自動化工具，如圖4所示。

海洋鉆修機通常兼顧鉆井和修井作業(yè)，鐵鉆工必須適應油管到鉆桿不同管徑的管柱不同扭矩要求。鐵鉆工的各執(zhí)行部件的液壓壓力采用電控壓力調節(jié)閥進行自動調節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)管柱類型與直徑，自動調節(jié)夾緊力和沖扣與旋扣扭矩，保證管柱安全和減少對管柱的損傷。

圖4鐵鉆工（單位：mm）

2.5 動力鼠洞

動力鼠洞是石油天然氣鉆修井作業(yè)進行管柱自動化處理的配套工具，如圖5所示。動力鼠洞由管柱對中機構、夾緊機構、轉動座三部分組成?？梢詩A持和定位規(guī)定范圍內任意直徑和長度的管柱；在配合鐵鉆工使用時，可以減少副司鉆在鐵鉆工對準管柱中心時的操作次數(shù)，從而提高鐵鉆工接管柱的效率，增加了生產過程中的安全性，降低了勞動強度。

圖5 動力鼠洞

2.6 集成控制系統(tǒng)

管柱處理系統(tǒng)由副司鉆在司鉆房通過控制面板上的手柄、旋鈕開關、按鍵開關等對管柱處理系統(tǒng)配套的自動化設備進行控制。管柱處理系統(tǒng)所有自動化部件的邏輯判斷與控制均由集成控制系統(tǒng)完成。通俗點講，管柱處理系統(tǒng)負責管柱處理系統(tǒng)在作業(yè)中的安全，電控系統(tǒng)配合對提升系統(tǒng)的控制，保證作業(yè)安全。

管柱處理系統(tǒng)與電控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)采用簡單的無源節(jié)點信號通訊，即管柱處理系統(tǒng)給電控系統(tǒng)需要絞車剎車時的信號，電控系統(tǒng)給管柱系統(tǒng)絞車反饋信號。這樣提高了不同控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的效率，降低了系統(tǒng)之間不兼容造成的故障率，同時提高了作業(yè)安全。

3 應用情況

四機公司集成配套的管柱處理系統(tǒng)于2020-11-13在渤海灣錦州25-1油田WHPB平臺首次得到應用，截至2021-02-23，已進入第3口井的鉆進，總進尺深度8 950 m，基本實現(xiàn)了二層臺的無人化作業(yè)。經(jīng)過3口井的考驗，管柱處理系統(tǒng)整體運行情況良好。四機公司根據(jù)整個系統(tǒng)在實際作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題和用戶建議也在不斷優(yōu)化和改進，取得了顯著的效果。

現(xiàn)場應用中，發(fā)現(xiàn)目前存在的主要問題是二層臺機械手和鐵鉆工作業(yè)效率沒有達到人工的作業(yè)效率。機械手從液壓吊卡抓取管柱到旋轉到二層臺安全區(qū)域，游車開始下放所用平均時間為35 s。機械手從二層臺抓取管柱到完全交接給液壓吊卡并回到等待區(qū)域所有平均時間為63 s。人工排放管柱所用平均時間為45 s，鐵鉆工旋扣所有平均時間為80 s，人工采用鉆桿鉗旋扣所有平均時間為60 s。機械手排管和鐵鉆工上扣分別如圖6和圖7所示。

圖6 機械手排管

圖7 鐵鉆工上扣

4 結論

國內鉆井裝備在自動化和智能化方面得到了高速發(fā)展，取得了長足的進步，尤其是陸地鉆機的管柱處理系統(tǒng)也逐步在完善，而適用于海上作業(yè)工況的國產化自動化設備還在起步階段，但借鑒陸地鉆機的成功經(jīng)驗，根據(jù)海上固定平臺應用，學習國外先進技術，相信未來幾年管柱處理系統(tǒng)在海洋鉆修機上的運行會越來越成熟。同時，結合實際應用情況，建議管柱處理系統(tǒng)著重以下幾個方面進行優(yōu)化改進：①提高各自動化部件傳感器的檢測精度，適用海洋環(huán)境工況；②分析海洋鉆修機所有作業(yè)工況，進一步完善導向定位裝置的結構，滿足作業(yè)需求，提高作業(yè)效率；③動力二層臺指梁為非全指梁門栓，改進指梁結構避免大風作業(yè)時，鉆桿滑出指梁的風險；④解決鐵鉆工在旋扣5 7/8"鉆桿時打滑問題，旋轉扭矩需達到85 kN·m；⑤進一步不僅要增加自動化程度，同時要降低系統(tǒng)故障率。