自動化鉆機研發理論

摘 要：鉆機行業競爭日益激烈，鉆機作業環境也日趨復雜，針對效率高、性能可靠、安全風險小的自動化鉆機研發已迫在眉睫。本文從研發角度介紹了自動化鉆機研發的思路和方法，以及自動化鉆機研發過程中應該注意的問題和解決辦法。

關鍵詞：自動化鉆機 一體化 拆分和整合 常規鉆機

中圖分類號：TD421 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0072-02

國內鉆機經過半個世紀的發展，鉆機的類型和級別日益增加，從當年的大慶II型鉆機到現在的9000 m、12000 m鉆機，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，從純機械傳動鉆機到現在的直流、交流、交流變頻、混和動力和液壓鉆機，鉆機結構類型更是數不勝數，門類繁多。盡管如此，國內鉆機與國外鉆機還是有一定的差距，主要原因是鉆機在自動化研發、應用方面，重視和投入程度不夠，導致鉆機總體結構設計缺乏創新，鉆機關鍵部件沒有競爭優勢，尤其對高投入高回報的海洋鉆井鉆機，自動化程度太低，操作工人勞動強度大，人機安全系數低。在此條件下，常規鉆機利潤下降，國內鉆機競爭日趨激烈。所以研發自動化鉆機，實現鉆機關鍵零部件國產化，將是今后整個鉆機行業發展的主題。

根據不同的使用環境，自動化鉆機需要不同的總體結構設計，而決定自動化鉆機總體結構的主要因素是鉆機的關鍵零部件和整個鉆井工藝。鉆機關鍵零部件的設計取決于鉆機上下游產業的技術支持力度；鉆井工藝需要對整個鉆井工藝進行綜合分析和優化。結合目前國內鉆機行業發展基礎，自動化鉆機設計應該從以下幾點著手開展。

1 自動化鉆機總體概念設計

自動化鉆機總體概念設計，排除市場和生產的干擾，作為研發和儲備技術的一種手段，這個設計過程牽涉到幾個學科和專業，需要在鉆機設計行業或者在鉆機使用方面經驗豐富、大機械和自動化控制專業性強的團隊。自動化鉆機研發核心內容包括鉆機安裝，設備操作和控制，鉆機井口工具及鉆具排放，鉆機泥漿循環和凈化系統，鉆機動力源系統，井控和固控系統、鉆機動力驅動和控制以及各個系統、設備、工具、環境檢測等部分。自動化鉆機總體概念設計主要有以下幾點：首先依據鉆井工藝提出常規鉆機從開鉆到完井所有的工序、步驟、人力、工具、設備結構和環境地質參數等，然后列出整個鉆井到完井所用到的鉆井設備、工具、各個系統等。根據所有鉆井設備、工具、各個系統使用性能統一或者分類設備動力源以及控制，其次優化鉆井工藝和整合各個鉆井設備，進行一體化設計，模擬、建模數個自動化鉆機方案，最后對每個方案，從自動化鉆機的自身性能、自動化程度、模塊化和標準化等幾個方面進行裁量，取舍和優化。

具體考慮以下幾點。

1.1 自動化鉆機總體結構設計

自動化鉆機總體結構要與鉆機設備融到一起設計，從鉆機總體考慮集成結構和設備，結構和設備的安裝、設備的動力和控制統一考慮。自動化鉆機應把常規鉆機的絞車，井架，天車，游車，頂驅，轉盤，大小鼠洞，各種操作鉗，鉆桿排放裝置，動力源及驅動、各個管匯閥門以及這些設備的控制、檢測、維護等等，整體一體化設計而言，一定要把鉆機提升系統、旋轉系統、固定部分三者結合在一塊來設計，使設備融合到結構中，打破常規鉆機設備和工具面貌，來實現鉆機設備和工具操作控制的自動化。

1.2 自動化鉆機設備驅動方式

自動化鉆機設備驅動方式有電驅動和液壓驅動，根據使用環境和驅動方式選擇使用哪種動力驅動，然后再選擇哪種動力傳遞方式。

1.3 自動化鉆機總體控制設計

自動化鉆機總體控制包括工作狀態和非工作狀態設計，自動化鉆機所有控制設計應集成設計，按照自動化鉆機安裝工藝和鉆井工藝，對鉆機所有控制點進行程序號化設計，使用可視和參數修改的計算機處理界面，使鉆機控制和操作方便容易，鉆機工作安全可靠。

1.4 自動化鉆機總體檢測設計

自動化鉆機總體檢測包括設備自身性能檢測、鉆機工作時各模塊連接參數檢測、整個鉆機工作環境氣體檢測、鉆機泥漿配比和容量損失檢測、井下鉆井及環境參數檢測等，檢測與控制同步，檢測與安全維護和預防同步。

2 自動化鉆機關鍵零部件的研發

鉆機關鍵零部件除了絞車、泥漿泵、轉盤外，還包括頂驅和柴油發電機，這五個設備國內已有了系列化的設計和生產。但是自動化鉆機需要的絞車、泥漿泵、轉盤、頂驅和柴油發電機也決非現在的尺寸和樣子，因此需要尺寸小功率大以及防暴等級、使用性能好的電機、馬達和柴油發電機，這就要求鉆機生產廠家與這些設備的外購廠家合作，共同研發出適合自動化鉆機使用的電機、馬達和柴油發電機。這里要強調的是自動鉆機不僅僅是為了方便快捷，以為的要求鉆機尺寸小，而是要求鉆機自動化程度越來越高、性能越來越可靠，效率和安全程度越來越高，而作業強度和風險越來越小。

3 自動化鉆機井口操作工具的研發

自動化鉆機井口操作工具要求把常規鉆機支撐鉆柱用的補心和卡瓦、鉆柱上卸扣用的各種操作鉗、提放單（立）根的吊卡和吊環、排放單（立）根的鉆桿排放裝置按照使用方式集成在一起，打包分塊設計。在設計轉盤時就考慮把補心和卡瓦合在一起設計，盡量使補心和卡瓦整合在一起再放到轉盤內，并且與轉盤使用相同的驅動方式和控制。對于井口各種操作鉗盡可能做到一鉗多用，實現自動操作和控制。吊卡、吊環與頂驅整合在一起設計，也盡可能使用相同的驅動方式和控制。鉆桿排放裝置與井架整合在一起設計，使井架內設備與井架結構相融合。打包分塊設計是在滿足鉆井工藝和工具相互協調工作的前提下進行的，不是簡單的相互疊加。整合是為了增加各個部分的功能，實現集中控制和驅動，最大化減少設備和工具數量。

4 自動化鉆機泥漿循環和凈化系統、井控和固控設備設計

自動化鉆機泥漿循環和凈化系統、井控和固控設備也是先整體設計后，再按系統工藝和地質環境要求打包分塊設計，把設備、管匯、控制、檢測、安裝與結構融合在一起，與整個自動化鉆機結構相協調。

5 自動化鉆機其它輔助設備的研發

自動化鉆機輔助設備包括自動化鉆機工作前后的一些準備設備以及外用接口，這些部分設備是按位置及使用時間可以掛接在自動化鉆機上還是集成設計到自動化鉆機各分包內，取決于自動化鉆機的總體設計。

6 自動化鉆機標準和規范

自動化鉆機的標準和規范除了鉆機性能參數外，鉆機設備通用性、電氣液設備和控制級別與性能、管匯、自動化程度等與常規鉆機標準和規范相比，要求更高，也更復雜，因為現在距自動化鉆機的系列化、通用化、標準化還有很長的路要走，所以自動化鉆機標準和規范的制訂需要不斷摸索和積累，它將伴隨著自動化鉆機發展而不斷完善。有了自動化鉆機才會有智能化鉆機，所以從務實的態度來推進鉆機的全面發展，是當前我們研發和設計人員需要做的工作。

7 結論

自動化鉆機設計，不是簡單的拆分和整合，一定要結合自動化鉆機使用和工藝來設計和集成自動化鉆機每個零部件，用實體模型來檢驗自動化鉆機各項性能參數和動作，盡可能在設計角度和階段就預測出鉆機自動化程度和使用性能，當然最后還得考慮制造成本、周期和實現難度。

自動化鉆機的發展前景十分廣闊，當然也存在著風險和難度，研發自動化鉆機是鉆機行業每個研發和設計人員最大的夢想和夙愿，自動化鉆機研發的成功與失敗也將影響國產鉆機工業的興衰，自動化鉆機的發展也決定鉆機整個產業鏈和上下游企業的興起，國產鉆機的未來將會在一場自動化鉆機設計與創新的競賽和合作中開始新的一頁。

參考文獻

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