陸地鉆機鉆桿自動化處理系統方案設計

白丙建,譚剛強,欒 蘇,楊海剛,劉春寶

(1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞721002;2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西 寶雞721002;3.川慶鉆探工程有限公司,成都610051)

陸地鉆機鉆桿自動化處理系統方案設計

白丙建1,2,譚剛強3,欒 蘇1,2,楊海剛1,2,劉春寶1,2

(1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞721002;2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西 寶雞721002;3.川慶鉆探工程有限公司,成都610051)

鉆桿自動化處理在提高鉆井效率,降低鉆井工人勞動強度方面效果明顯。介紹了國內外陸地鉆機鉆桿處理的發展現狀。提出一種適用于陸地鉆機的鉆桿自動化處理系統總體設計方案,能對鉆桿進行地面到鉆臺的傳送、上卸扣操作、鉆臺區立根傳送,實現自動化操作。

鉆桿排放裝置;自動化系統;方案

在鉆井作業過程中需要進行大量的鉆桿處理作業。這些作業主要包括:鉆桿的放置、移送到鉆臺、頂驅鉆進時接立根、起下鉆時排放立根以及完鉆后卸立根、甩單根等操作。傳統鉆機的鉆桿處理作業是由二層臺井架工、鉆臺鉆工、司鉆等多人協作完成,存在高危險性、高勞動強度、低作業效率等問題。

近年來,隨著對鉆機自動化、智能化、無人化操作需求的日益提高,國內陸地鉆機陸續開始研制配套鉆桿自動化處理工具,例如用于鉆桿輸送的動力貓道、用于上、卸扣的鐵鉆工、用于立根排放的二層臺機械手等。但是,目前國內鉆機還沒有整套鉆桿處理系統。針對這一現狀,有必要研究設計一套適用于鉆桿處理的自動化系統,以滿足鉆井作業提速、增效、安全的需求。

鉆桿自動處理系統能夠通過遠程控制的機械化設備來完成上述鉆桿處理作業。該系統結合液、氣、電和微機控制,實現鉆桿在鉆臺與地面之間的自動輸送、排放、儲運等[1],以機械化設備替代鉆工來完成鉆桿處理作業,避免了傳統的用鋼絲繩提吊鉆桿上、下鉆臺等高危險操作,使鉆工遠離高危作業區域,同時大幅降低了鉆工的作業強度。

1 國內外鉆機鉆桿處理發展現狀

1.1 國外現狀

在國外,鉆桿處理系統設計開發起步于20世紀40年代,目前產品已呈現多樣化和系列化的發展趨勢[2],基本都是動力貓道、鐵鉆工、立根排放機械手組合來完成整個鉆桿處理作業。在海洋平臺方面,具有代表性的公司有美國的NOV公司,挪威的MH公司。NOV公司的立柱式排管系統主要包括低位軌道、導向臂、吊卡、立柱、夾持臂及夾持鉗等,它與鐵鉆工配合完成鉆桿接立根和立根的排放作業,其指梁一般采用星型;MH公司的橋式排管機主要包括縱向軌道、橫向軌道、夾持臂及夾持鉗等,它與低位扶正手配合完成鉆桿立根排放作業,其指梁一般采用X-Y型。在陸地鉆機上,威德福公司開發的鐵井架工管子處理系統(Iron Derrickman Plus Pipe-Handling System)可用于立根排放作業,部分特種鉆機(煤層氣鉆機、斜井鉆機)上配套有用于鉆桿輸送的機械手。

1.2 國內現狀

在國內,近幾年陸續有廠家在研制鉆桿處理的單元設備,例如寶雞石油機械有限責任公司生產的TZG140S型鐵鉆工、DM9型動力貓道、TJG9 3/4-10型自動井架工等;四川宏華石油設備有限公司生產的LM-120型鐵鉆工、鉆柱輸送裝置;煙臺杰瑞公司生產的高空智能排管系統;勝動集團石油機械公司生產的系列管桿自動運輸機。上述設備部分已發往油田進行工業性試驗。但是,國內大多數油田鉆機還沒有配套鉆桿自動化處理設備,仍采用傳統的鋼絲繩提吊鉆桿上、下鉆臺,用液氣大鉗上、卸扣,用風動絞車拖拽配合人力推拉排放立根。一整套適用于鉆桿處理全程自動化的系統在國內尚未投入使用。

2 鉆桿自動化處理系統方案設計

2.1 總體方案及參數

針對國內鉆井作業的需要,開展鉆桿自動化處理系統的研究勢在必行。本文通過借鑒國內外各類鉆桿處理設備的結構特點,提出了一種適合于陸地鉆機的鉆桿自動化處理系統設計方案,如圖1。

圖1 鉆桿自動化處理系統方案示意

系統主要技術參數:

傳送速度(鉆桿從鉆桿盒到建一立根存入指梁)12柱/h

適用單根鉆桿長度 8～11 m

適用立根(三單根一立根)鉆桿長度 27～29 m

立根最大質量 1 500 kg

適用鉆桿直徑73.0～168.3 mm(28～68英寸)

最大卸扣轉矩 70 k N·m

鉆桿立根排放最大作業半徑 4.3 m

自動井架工回轉角度 ±170°

液壓系統壓力 16 MPa

2.2 方案說明與流程描述[3]

如圖1所示,鉆桿自動化處理系統主要由貓道、舉升機械手、鉆桿盒、電液控制系統等11個部分組成。立根架固定安裝在常規鉆機大門坡道旁邊,在立根架內安裝了用于扶正鉆桿單根的扶正夾頭、用于旋扣或緊扣的液壓大鉗、用于提鉆桿的提升滑車以及鉆桿的懸持夾頭;在立根架的正前方固定安裝有貓道,在貓道內裝舉升機械手;在貓道的一側布置有鉆桿盒;在鉆機井架上安裝有氣動的新型二層臺,在二層臺下方懸吊安裝有自動井架工。整套系統的操作由電液控制系統完成,液壓系統為各設備或執行機構提供液壓動力,電控系統根據程序及各部件的傳感器信號對整套系統進行操作控制,系統控制臺設在鉆機司鉆房內。

鉆桿自動化處理系統的具體作業流程包括3個階段:

1) 單根鉆桿的地面傳送 將裝滿鉆桿的鉆桿盒置于貓道側圖示位置,操作鉆桿盒的提升梁將鉆桿滾入貓道中間的舉升機械手卡爪內,卡緊后機械手在油缸的作用下舉升,將單根鉆桿直立在立根架內。

2) 單根連接為立根 立根架內提升滑車下行,滑車卡鉗夾持鉆桿后舉升機械手回位;提升滑車上行約1根單根高度,舉升機械手舉升第2根鉆桿后,提升滑車下行使第1根鉆桿與之對好扣,液壓大鉗分別夾持上、下鉆桿的下、上接頭后,舉升機械手回位,扶正夾頭扶正,通過液壓大鉗將第1和第2根鉆桿連接成雙根;之后松開扶正夾頭和大鉗,提升滑車,繼續上提雙根約1根單根高度;機械手舉升第3根鉆桿后,同理完成第3單根的連接,至此整個立根連接完成;懸持夾頭夾持連接好的立根,提升滑車卡爪松開,下行約1根單根高度再夾持立根;提升滑車夾好立根后,懸持夾頭松開,提升滑車將整個立根上提到鉆臺面上,等待安裝在新型二層臺下方的自動井架工抓取。

3) 立根鉆臺區傳送 自動井架工在立根架內抓取已連接好的立根,提升滑車松開卡爪后,將立根轉移到所需要的位置(二層臺指梁內或井口)供鉆井作業使用。

上述作業流程是從鉆桿盒的鉆桿單根輸送到在立根架內建一立根并存入二層臺指梁的過程。在鉆井完成后甩鉆桿作業為其逆過程,在此不再贅述。

該鉆桿自動化處理系統不同于現有的操作模式,鉆桿上、下鉆臺,接、卸立根均不需占用頂驅及井口工具,使得鉆桿處理和鉆井過程可并行,從而節省大量鉆井輔助時間,提高了鉆井效率;鉆桿輸送及立根處理均為機械化遠程操作,不需工人在危險區域作業,避免發生人身事故。

3 結語

1) 在石油鉆機領域,特別是陸地石油鉆機領域內,鉆桿全程自動化處理系統還是一個新生事物。但是,隨著石油鉆機自動化、智能化、無人操作化程度的日漸提高,以及HSE管理體系的發展需要,鉆桿自動處理系統的應用和普及必將是大勢所趨。

2) 該鉆桿自動化處理系統特別適用于深井和超深井陸地鉆機的鉆桿自動化處理作業。

3) 本文提出的鉆桿自動化處理系統打破了從井架大門坡道上、下鉆桿,在鉆臺面建立根的常規傳統模式,引入立根架這一全新的設備來完成鉆桿的輸送,接、卸立根等鉆桿處理作業,避免了作業人員與鉆桿的直接接觸,降低了鉆井人員的勞動強度,改善了鉆井作業的工作環境。

4) 通過部分設備的局部更改或優化,該系統還可適用于鉆鋌的作業處理。

[1] 尹曉麗,牛文杰,張中慧.鉆桿自動傳送系統及設計方案[J].石油礦場機械,2009,38(7):42-46.

[2] 劉文慶,崔學政,張富強.鉆桿自動排放系統的發展及典型結構[J].石油礦場機械,2007,36(11):74-77.

[3] 白丙建,賈秉彥,樊春明,等.一種用于鉆桿接立根的裝置:中國,201220274200.2[P].2013-01-16.

Design Tentative of Automatic Drill Pipe Handling System in Land Rig

BAI Bing-jian1,2,TAN Gang-qiang3,LUAN Su1,2,YANG Hai-gang1,2,LIU Chun-bao1,2
(1.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center,Baoji 721002,China;3.Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China)

Automatic drill pipe handling made favorable effect in improving the drilling efficiency and lightening the drilling workers labor intensity.The present development states of automatic drill pipe handling abroad is introduced in this paper and a design tentative of automatic drill pipe handling system in land rig is brought.This system can finish automatically drill pipe transmission and screwing up and screwing off and three-joint unit transmission.

drill pipe racking back device;automatic system;project

TE928

A

1001-3482(2014)02-0086-03

2013-08-29

中石油科學研究與技術開發項目“鉆機管柱自動化處理系統的研究與應用”(2011B-4301)

白丙建(1979-),男,四川綿陽人,工程師,2003年畢業于西南石油大學機械設計制造及其自動化專業,現從事石油機械產品研發工作,E-mail:baibj163@163.com。