臧臣坤 ,孫軍盈 ,高明帥 ,宋志亮 ,黃江濤 ,楊雨濛 ,高杉

(1.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司,北京 100016;2.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100120)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對金屬礦產(chǎn)的需求逐年增加,深孔巖心鉆探工程項(xiàng)目也逐年增多,取心工作時間大幅度提升。同時,隨著我國綜合實(shí)力的不斷提升,探索地球深部奧秘等各類科學(xué)鉆探孔也不斷增多,均為深孔取心鉆進(jìn)。整個鉆井過程中,有30%以上的時間耗費(fèi)在起下鉆等管柱處理作業(yè)上,尤其是深孔鉆進(jìn)過程中更為突出,其起下鉆作業(yè)更加頻繁,管柱處理占用了大量的鉆井輔助時間[1]。為此,我國在2018年啟動了“5000米智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用示范”項(xiàng)目,其中一項(xiàng)重要的指標(biāo)就是孔口作業(yè)自動化,提高作業(yè)效率,降低勞動強(qiáng)度,改善作業(yè)環(huán)境[2]。

1 管柱處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國外在管柱處理系統(tǒng)方面的研究起步較早,最先是在海洋鉆井平臺上使用,種類齊全,應(yīng)用較成熟,隨后逐步被應(yīng)用于陸地鉆機(jī)上。其中NOV 公司的管柱作業(yè)系統(tǒng)已形成了產(chǎn)品系列化、模塊化,可以為不同種類的陸地或海洋鉆機(jī)提供服務(wù)。該公司生產(chǎn)的管柱輸送裝置可以實(shí)現(xiàn)操作的自動化和控制的智能化,成為石油行業(yè)很多企業(yè)的標(biāo)桿。進(jìn)入21世紀(jì)后,美國Boart Longyear公司、瑞典Atlas Copco公司(現(xiàn):安百拓公司)也陸續(xù)完成巖心鉆機(jī)的自動化和智能化升級,送鉆精度大幅提升,鉆桿操作一鍵完成,大大提高了取心效率和質(zhì)量,降低了工作強(qiáng)度[3,4]。

目前,國內(nèi)一些石油設(shè)備生產(chǎn)廠家已經(jīng)在嘗試研制自動化管柱作業(yè)裝置,如寶雞石油、三一集團(tuán)、四川宏華集團(tuán)等,均在進(jìn)行管柱處理系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn),有部分產(chǎn)品已投入生產(chǎn)使用,還有部分產(chǎn)品仍在研發(fā)試驗(yàn)階段。在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域,中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司在中淺孔全液壓鉆機(jī)上研制了一種自動加桿裝置,實(shí)現(xiàn)了單根作業(yè)自動化;在深孔巖心鉆機(jī)上,尚無可用的管柱處理系統(tǒng)[5,6]。

2 XD50DB地質(zhì)巖心鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)

2.1 頂驅(qū)系統(tǒng)

頂驅(qū)系統(tǒng)是自動化管柱處理系統(tǒng)的核心裝置,所有自動化裝置均需與頂驅(qū)系統(tǒng)配合使用,完成整個作業(yè)流程[7]。

XD50DB鉆機(jī)的頂驅(qū)系統(tǒng)主要由2臺132 kW的交流變頻電機(jī)通過變速箱驅(qū)動頂驅(qū)主軸回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)功能。變速箱采用液壓換擋,高速擋可實(shí)現(xiàn)0～600 r/min無級調(diào)速,扭矩可達(dá)到9300 N·m,滿足金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝需求;低速擋轉(zhuǎn)速可達(dá)到0～200 r/min 無級調(diào)速,額定扭矩可達(dá)到28500 N·m,可滿足牙輪全面鉆進(jìn)等工藝,適用于多種鉆進(jìn)工藝。頂驅(qū)三維示意見圖1。

圖1 電傳動頂驅(qū)三維效果圖Fig.1 3D schematic diagram of electric top drive

頂驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計有管柱處理系統(tǒng),包括吊環(huán)擺臂裝置、背鉗系統(tǒng)、吊卡裝置等,均由液壓驅(qū)動,可實(shí)現(xiàn)吊環(huán)前后擺動與浮動,背鉗的升降與夾緊松開,吊卡的開合、夾緊、松開以及翻轉(zhuǎn)等功能。進(jìn)行管柱作業(yè)時,通過吊環(huán)的前擺和吊卡的翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)從貓道上抓取鉆桿;通過吊環(huán)的后擺和吊卡的翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)鉆具豎直到鉆孔中心;通過背鉗的上升下降及背鉗的夾緊松開,配合頂驅(qū)主軸的回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)鉆桿與頂驅(qū)主軸的上卸扣[8]。

2.2 自動井架工

自動井架工的主要功能是替代二層臺上的井架工人,將鉆桿立根從頂驅(qū)吊卡內(nèi)移至立根盒,或者將立根盒內(nèi)的鉆柱送至頂驅(qū)吊卡內(nèi),實(shí)現(xiàn)二層臺的自動化作業(yè)。

自動井架工主要由二層臺裝置、機(jī)械手部件、傳感檢測系統(tǒng)以及攝像頭組件等組成。二層臺裝置主要由二層臺本體和指梁鎖組成。指梁鎖按設(shè)定的寬度布置在指梁對應(yīng)位置上,每個立根對應(yīng)一個指梁鎖,并在其上安裝有傳感器,進(jìn)行精確定位和控制。指梁鎖的開合通過氣缸實(shí)現(xiàn)。

機(jī)械手部件主要功能是在指定位置夾住立根并根據(jù)指令送往指定位置,該部件主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂平移機(jī)構(gòu)、夾爪、環(huán)持爪、角度傾斜機(jī)構(gòu)、大臂移動機(jī)構(gòu)、小臂伸縮機(jī)構(gòu)等組成,均由液壓馬達(dá)或液壓缸驅(qū)動[9]。自動井架工三維示意見圖2。

圖2 自動井架工三維示意圖Fig.2 3Dschematic diagram of automatic derrickman

傳感檢測系統(tǒng)主要由編碼器、傳感器等裝置組成,主要對機(jī)構(gòu)運(yùn)行的位置、角度進(jìn)行實(shí)時檢測與控制,保證機(jī)械手到達(dá)的位置準(zhǔn)確無誤,防止沖撞二層臺等部件。通過自動井架工系統(tǒng)上布置的多個360°旋轉(zhuǎn)式攝像頭,司鉆人員在司鉆房內(nèi)可清晰地看到二層臺指梁鎖、立根、機(jī)械手部件的狀態(tài)及動作,提高了設(shè)備的安全性和可靠性,降低了人工勞動強(qiáng)度,改善了人工作業(yè)環(huán)境,提高作業(yè)效率,降低作業(yè)周期。

自動井架工系統(tǒng)與頂驅(qū)吊卡、孔口氣動卡瓦、鐵鉆工配合工作,完成提放立根操作。卸立根時自動井架工作業(yè)流程如圖3所示,接立根流程與卸立根作業(yè)流程基本相反。通過程序設(shè)定和編碼器反饋,可以實(shí)現(xiàn)井架工內(nèi)部流程的一鍵操作。

圖3 自動井架工卸立根作業(yè)流程圖Fig.3 Flow chart of dismantling stand pipe by automatic derrickman

2.3 鐵鉆工

鐵鉆工與傳統(tǒng)動力鉗的功能相似,完成鉆探過程中鉆桿、鉆鋌的擰卸和上扣作業(yè)。與傳統(tǒng)動力鉗相比,鐵鉆工具有可夾持范圍廣、在一定范圍內(nèi)更換鉆具時不需要更換牙板等優(yōu)點(diǎn),適用范圍廣,可以同時替代動力鉗和貓頭。此外,由于鐵鉆工運(yùn)行軌跡固定,更適合于遠(yuǎn)程控制[10,11]。

XD50DB鐵鉆工由立柱、平行運(yùn)移機(jī)構(gòu)、背鉗、卸扣鉗、旋扣鉗、傳感系統(tǒng)等部件組成。其中,背鉗負(fù)責(zé)夾持下部鉆桿接頭,主鉗負(fù)責(zé)卸開上部鉆桿第一扣或擰緊最后一扣,主備鉗均采用剪刀型結(jié)構(gòu),減小鐵鉆工形體;旋扣器負(fù)責(zé)上下鉆桿扣之間的旋進(jìn)或旋出。鐵鉆工的各執(zhí)行部件均安裝了編碼器和相關(guān)的傳感器,通過對關(guān)鍵位置及壓力等參數(shù)的監(jiān)測、判斷,實(shí)現(xiàn)上卸扣的一鍵作業(yè)。鐵鉆工具備司鉆房和本體兩種操作模式,僅需一人操作鐵鉆工即可滿足鉆井作業(yè)上卸鉆桿的自動化操作,其三維示意圖見圖4。

圖4 鐵鉆工三維示意圖Fig.4 Schematic diagram of iron roughneck

鐵鉆工系統(tǒng)與頂驅(qū)吊卡、孔口卡瓦配合工作,完成接立根或單根的上扣/卸扣作業(yè)。鐵鉆工上扣作業(yè)流程如圖5所示,卸扣作業(yè)流程基本相反。通過程序設(shè)定和編碼器反饋,可以實(shí)現(xiàn)鐵鉆工內(nèi)部流程的一鍵操作。

圖5 鐵鉆工作業(yè)流程圖Fig.5 Work flow chart of Iron roughneck

2.4 機(jī)械扶手

機(jī)械扶手的主要功能是實(shí)現(xiàn)鉆桿脫離貓道后,通過扶手將鉆桿扶至孔口中心,或者將孔口中心的鉆桿扶至貓道上,防止鉆桿隨意亂擺造成事故。機(jī)械扶手由大臂液壓缸、大臂、V 輪液壓缸、V 輪組成,單側(cè)安裝在井架后背梁上,讓開導(dǎo)軌。機(jī)械扶手有大臂抬起縮回、V 輪折疊豎直兩個動作,其三維示意圖見圖6。

圖6 機(jī)械扶手三維示意圖Fig.6 3D schematic diagram of mechanical handrail

2.5 動力貓道

動力貓道機(jī)是上鉆桿或者甩鉆桿時,將鉆桿自動從鉆桿盒送至井口平臺或?qū)@桿從作業(yè)平臺移至鉆桿盒的自動化動力裝置。主要由底座、滑臂、滑車、壓管裝置、挑管裝置、翻管裝置等組成,所有動作均由液壓馬達(dá)鋼絲繩或液壓缸驅(qū)動,運(yùn)行平穩(wěn)。XD50DB鐵鉆工大臂上設(shè)計有3個鉆桿槽,可同時甩三根鉆桿,提高甩鉆效率,節(jié)約輔助時間[12]。其三維示意見圖7。

圖7 自動貓道機(jī)三維示意圖Fig.7 3Dschematic diagram of automatic catwalk machine

貓道機(jī)上鉆桿作業(yè)流程如圖8所示。貓道機(jī)上關(guān)鍵部位均安裝有編碼器和傳感器,通過程序設(shè)定和編碼器反饋,可以實(shí)現(xiàn)自動貓道機(jī)內(nèi)部流程的一鍵操作。

圖8 貓道機(jī)作業(yè)流程圖Fig.8 Catwalk machine operation flow chart

2.6 液壓站

XD50DB鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)共設(shè)有兩個液壓站,一個放置在鉆井平臺上,主要為頂驅(qū)上管柱處理裝置、鐵鉆工、機(jī)械扶手、自動井架工裝置提供液壓動力;另一個放置在貓道附近,為貓道提供液壓動力,同時兼顧為井架起升提供液壓動力。液壓動力站如圖9所示。

圖9 綜合液壓站(上)和貓道液壓站(下)Fig.9 Integrated hydraulic station(above)and catwalk machine hydraulic station(below)

2.7 控制系統(tǒng)

XD50DB管柱處理系統(tǒng)通過采用PLC技術(shù)、總線通訊技術(shù)及電氣化系統(tǒng)控制技術(shù),可做到數(shù)據(jù)反饋唯一并精準(zhǔn)控制。通過profibus-DP現(xiàn)場總線控制技術(shù),對各部件的主要參數(shù)進(jìn)行采集、傳輸、反饋和顯示,并與程序相關(guān)聯(lián),可以設(shè)定互鎖、危險狀況自動停止運(yùn)行等保護(hù)功能,保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行及人員安全。

司鉆房內(nèi)配置有主、副兩個司鉆座椅,主司鉆座椅主要控制主絞車、頂驅(qū)、孔口卡瓦等裝置,副司鉆座椅主要控制鐵鉆工、井架工、動力貓道、機(jī)械扶手等裝置。每個座椅上均配備有兩個工控機(jī),一個顯示鉆進(jìn)工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)并可進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,另外一個為視頻監(jiān)控,見圖10。兩臺工控機(jī)互為冗余,當(dāng)其中一臺發(fā)生故障時,可切換至另外一臺進(jìn)行應(yīng)急控制。主副司鉆參數(shù)及監(jiān)控顯示互通,確保主副司鉆均可實(shí)時了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),更好地配合操作。通過主副司鉆的配合,實(shí)現(xiàn)管柱自動化作業(yè)流程[13]。

圖10 雙司鉆座椅Fig.10 Double driller's seat

3 管柱處理系統(tǒng)作業(yè)流程

XD50DB鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)可以分為管柱輸送系統(tǒng)和管柱排放系統(tǒng)兩部分[14]。

3.1 加接鉆桿作業(yè)流程

管柱輸送系統(tǒng)是將管柱由地面移送到鉆臺上,或?qū)⒐苤鶑钠脚_移送至地面,通過與頂驅(qū)吊卡、孔口卡瓦、鐵鉆工的配合,實(shí)現(xiàn)鉆桿的加鉆桿作業(yè)或甩單根作業(yè),其流程如圖11、圖12所示。

圖11 接鉆具作業(yè)流程Fig.11 Operation flow of adding drilling tools

圖12 甩鉆具作業(yè)流程Fig.12 Operation flow of laying down drilling tools

3.2 提放立根作業(yè)流程

管柱排放系統(tǒng)是通過頂驅(qū)吊卡、孔口卡瓦、鐵鉆工配合工作,將立根排放到立根盒內(nèi)或?qū)⒘⒏鶑牧⒏袃?nèi)移至頂驅(qū)吊卡內(nèi),完成立根的提下鉆作業(yè)。提立根作業(yè)流程如圖13所示,下放立根作業(yè)流程與提立根作業(yè)流程基本相反。

圖13 提立根作業(yè)流程Fig.13 Drill stand lifting process

4 廠內(nèi)及野外試驗(yàn)

5000 m 自動化巖心鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)在中地裝張家口探礦機(jī)械廠內(nèi)對頂驅(qū)、鐵鉆工、井架工、貓道機(jī)、機(jī)械扶手等自動化裝置進(jìn)行了單獨(dú)調(diào)試和整體聯(lián)調(diào),對各執(zhí)行部件及電控系統(tǒng)進(jìn)行了全方位測試,各部件運(yùn)行平穩(wěn),無沖擊、異響、發(fā)熱等現(xiàn)象,通過雙司鉆的配合操作,實(shí)現(xiàn)了鉆桿和立根接卸的自動化作業(yè)。

隨后,該套設(shè)備在河北保定博野地?zé)崾┕がF(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了管柱輸送系統(tǒng)和管柱排放系統(tǒng)的自動化程度。該系統(tǒng)在減輕勞動強(qiáng)度、保證人員安全、提高作業(yè)效率方面效果顯著,受到了現(xiàn)場施工人員的一致歡迎。生產(chǎn)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖14所示。

圖14 野外生產(chǎn)試驗(yàn)Fig.14 Field production test

在廠內(nèi)及野外試驗(yàn)過程中,也發(fā)現(xiàn)了一些需要改進(jìn)的問題。

(1)為保證設(shè)備運(yùn)行時位置準(zhǔn)確,防止各部件之間發(fā)生碰撞事故,需要在設(shè)備上安裝多重編碼器和傳感器,關(guān)鍵位置還需要人工進(jìn)一步確認(rèn)。由于頂驅(qū)吊卡上存在泥漿污染及安裝位置受限等原因,在吊卡本體進(jìn)行扣合、載荷、傾斜角度等電信號直接檢測方式存在傳輸困難,導(dǎo)致吊卡夾持鉆具并不是每次都能成功,影響作業(yè)效率,需要進(jìn)一步提升編碼器和傳感器的可靠性,提升設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。

(2)目前本系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了管柱系統(tǒng)基本的自動化作業(yè),但鉆桿螺紋涂抹潤滑脂以及拆卸護(hù)帽等工作仍需人工手動實(shí)現(xiàn),使得管柱輸送、排放等作業(yè)過程仍無法實(shí)現(xiàn)全流程自動化。同時,針對地質(zhì)巖心鉆探中特殊的繩索取心工藝,仍沒有實(shí)現(xiàn)自動化取心,自動化程度有待進(jìn)一步提升。

(3)針對地質(zhì)管柱鉆桿壁薄、接頭小等特點(diǎn),需要進(jìn)一步完善孔口導(dǎo)向裝置、吊卡夾持裝置等,提升地質(zhì)鉆桿作業(yè)效率和安全性。

(4)進(jìn)一步優(yōu)化空間防碰撞系統(tǒng)的物體識別和工況識別,細(xì)化人員安全區(qū)域,在保證設(shè)備及人員安全的情況下,進(jìn)一步提升作業(yè)效率。

(5)管柱處理系統(tǒng)以液壓驅(qū)動為主,存在現(xiàn)場漏油、管線布局混亂等問題。如采用電驅(qū)動技術(shù),可通過電機(jī)驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)控制,同時可以節(jié)能減排,降低工作噪聲[15]。

5 結(jié)語

本文介紹了國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計劃中子課題“5000米地質(zhì)巖心鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制”研發(fā)的井口管柱自動化作業(yè)系統(tǒng)組成部件結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn),由工藝流程可見,自動化程度較高,可基本實(shí)現(xiàn)井口管柱作業(yè)無人化,降低工人勞動強(qiáng)度,提高作業(yè)效率。與其他課題研制的智能控制系統(tǒng)、地層智能識別系統(tǒng)、自動糾偏系統(tǒng)等相配合,為全井場無人化操作提供技術(shù)支撐。該項(xiàng)目的實(shí)施對于國內(nèi)深孔巖心鉆機(jī)的機(jī)械化、自動化、智能化的發(fā)展具有重要意義,具有良好的社會效益和廣闊的市場前景。