GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統研制

黃悅華，劉春寶，王耀華，買成華，邢廣亮，王 翠，白丙建

(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)

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GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統研制

黃悅華1，2，劉春寶1，2，王耀華1，2，買成華1，2，邢廣亮1，2，王 翠1，2，白丙建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)

為提高鉆井作業效率、降低操作人員勞動強度，提高操作安全性，同時為了提高鉆機的自動化、智能化水平。研制了GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統，通過配置舉升式動力貓道、自動井架工、液壓吊卡、鐵鉆工等機械化設備，與頂驅裝置配合實現鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機械化輸送、機械化建立根、立根自動化排放等作業，實現高效、安全、低作業強度的管柱自動化處理作業模式。通過鉆機集成雙司鉆智能控制平臺，實現管柱處理系統的自動化遠程集中控制。

鉆井；管柱；自動化處理系統

常規鉆機的管柱處理作業基本是由常規貓道與坡道，風動絞車、液壓鉆桿鉗以及套管鉗等機械化工具，并在多人操作及人力輔助配合下完成的。隨著陸地鉆機機械化、自動化、智能化需求的日益提高，依靠人力輔助簡易的機械化工具已不能滿足“提速、提素、提質”的需求。管柱自動化處理系統屬于一種新型的鉆井裝備，鉆機通過配套管柱自動化處理系統進行鉆井作業，可大幅縮短接單根、建立根、起下鉆等管柱處理作業時間，從而達到提高鉆井作業效率和安全性[1]的目的。

目前，國內鉆井裝備制造商已陸續研制出了動力貓道[2]、二層臺井架工、鐵鉆工、液壓吊卡等管柱自動化處理系統單元設備。寶雞石油機械有限責任公司與大慶鉆探工程公司于2015-01共同研制出了國內首套適合于小型陸地鉆機配套使用的GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統，該管柱自動化處理系統包括舉升式動力貓道，二層臺自動井架工、翻轉式液壓吊卡、軌道式鐵鉆工以及雙司鉆集成控制系統等設備(子系統)，可與頂驅裝置配合完成鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機械化輸送、機械化建立根、立根自動化排放等作業，實現高效、安全、低作業強度的管柱自動化處理作業模式，有效解決了目前國內小型陸地鉆機普遍存在的管柱處理勞動強度大、作業危險性高、作業效率低、易發生人身安全事故的現狀。

1 技術分析

1.1 系統設計介紹

GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統是充分結合常規ZJ30DB型鉆機的結構形式而進行的全新設計。鉆機地面管子堆場配置了舉升式動力貓道(含液壓排管架)、鉆臺面配置了鐵鉆工、液壓吊卡，二層臺配置了自動井架工，鉆機司鉆控制房配置了雙司鉆集成控制平臺。各部件在鉆機上的安裝位置如圖1所示。

1—舉升式動力貓道；2—雙司鉆集成控制平臺；3—液壓吊卡；4—自動井架工；5—鐵鉆工。

1.2 工作原理

系統基于常規鉆機管柱處理作業原理，即單根管柱在地面管子堆場區域與鉆臺面區域之間的雙向輸送作業，鉆臺面小鼠洞/井口建立根，井口與二層臺指梁間的立根排放的基本作業流程原理。通過配置舉升式動力貓道、二層臺自動井架工、液壓吊卡、鐵鉆工等機械化設備配合鉆機游吊系統及頂驅裝置、聯合雙司鉆集成控制平臺監視與控制，實現鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機械化輸送、機械化建立根、立根自動化排放等作業。

1.3 主要技術參數(如表1)

表1 GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統主要技術參數

2 技術特點

2.1 機械化及自動化程度高

該管柱自動化處理系統[3]配套的單元設備(如圖2～5所示)配合作業可實現管柱由地面管子堆場到鉆臺區之間的機械化輸送，在井口或鼠洞機械化建立根以及立根在井口和二層臺指梁區的自動化排放等。完全替代了傳統鉆井管柱處理作業過程中的依靠人力“拖、拉、拽”等繁重的、高危險、低效率的工作，全部實現機械化、自動化作業，大幅降低了作業人員的勞動強度，改善作業環境，提高了作業的效率。

圖2 舉升式動力貓道狀態1

圖3 舉升式動力貓道狀態2

圖4 二層臺自動井架工

圖5 鐵鉆工和液壓吊卡

2.2 智能化及集成化程度高

系統配套的雙司鉆集成控制系統[4]和遠程電子雙司鉆智能控制平臺，可實現管柱自動化處理系統單元設備的整體監控及自動化控制。通過主、副司鉆一體化操控座椅實現對設備的集中操控，雙司鉆集成控制系統除具有常規鉆井設備控制功能之外，還可完成鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的機械化化輸送、建立根、立根排放等作業的智能化集中控制[5]，形成高效、安全、低作業強度的管柱自動化處理作業控制模式，大幅提高了鉆機的自動化、智能化、集成化水平。

3 關鍵技術

3.1 適合小型陸地鉆機的管柱自動化處理系統配套技術

在常規ZJ30DB型鉆機的基礎上，設計集成了適合小型陸地鉆機的管柱自動化處理系統。該系統配套了適合于兩種鉆臺高度的舉升式動力貓道，低位安裝，可實現X-Y作業模式的二層臺自動井架工排管。配備具有直線移動功能的軌道鐵鉆工以及具有自動翻轉功能的液壓吊卡等關鍵設備。適合小鉆臺的高度集成化的雙司鉆集成控制平臺，解決了小型陸地鉆機應用的多種機械化設備配套技術難題。

3.2 多設備聯合高效作業技術

系統采用可編程控制技術、工業網絡通訊技術、集成控制技術，通過主、副司鉆一體化座椅實現管柱自動化處理系統所有設備的集中控制與監視，如圖6所示。上位工控機IPC、自動化級(PLC)、數字傳動級和司鉆操作臺通過PROFIBUS-DP網絡連接，構成三級網絡系統，如圖7所示。最終實現多設備聯合高效作業。

圖6 雙司鉆控制平臺

圖7 自動控制環形網絡

3.3 雙司鉆集中遠程控制技術

雙司鉆集成控制系統通過采集各設備設置的位移傳感器、旋轉編碼器等傳感器的信號對系統各設備的動作運行軌跡進行精確控制、并針對設備軌跡存在重疊進行必要的安全邏輯互鎖控制，確保各設備安全、高效作業，如圖8～9所示。

圖8 司鉆集成控制界面1

圖9 司鉆集成控制界面2

4 廠內試驗

4.1 單設備功能及型式試驗

該項試驗的目的是檢驗各設備功能及能力，試驗采用了雙司鉆集成控制操作模式、本地應急控制臺操作模式，驗證了各設備是否能按設計要求實現功能要求，并且按設備的參數設計要求進行了相應的型式試驗，試驗結果表明各設備均能按相應指令進行工作，滿足設計參數要求。

4.2 設備聯合調試試驗

該項試驗目的是為模擬油田現場管柱處理作業流程的聯動試驗，主要測試項目為井口模擬接單根、鼠洞建立根以及二層臺立根自動化排放等試驗，所有設備及子系統均參與了此項試驗，同時與常規管柱處理作業流程進行的周期對比試驗，整個聯動試驗過程中各設備運行平穩，銜接可靠、且作業效率明顯高于常規人工作業，滿足設計要求。

5 結論

1) GC 2L4型鉆井管柱自動化處理系統采用機、電、液一體化設計理念，通過電液聯合控制模式，各設備操作靈活可靠，可實現鉆機地面排管區、二層臺區域的無人值守以及管柱處理作業的機械化、自動化操作，可大幅降低作業人員的勞動強度，提高現場的作業安全性。

2) 該管柱自動化處理系統完成了廠內的全部型式試驗及聯調試驗。下一步將發往油田進行整個系統的工業性試驗。根據工業性試驗的效果及時進行設備及系統的優化改進，以便于設計定型及量產。

3) 該項目的實施對于國內小型陸地鉆機的機械化、自動化、智能化的發展具有重要意義，具有良好的社會效益和廣闊的市場前景。

[1] 于興軍，孫志剛，魏培靜，等.國內石油鉆機自動化技術現狀與建議[J].石油機械，2014，42(11)：25-29.

[2] 趙淑蘭，李文彪，聶永晉，等.動力貓道技術國內外現狀和發展趨勢[J].石油礦場機械，2010，39(2)：13-15.

[3] 常玉連，姜開勛，樊巖松，等.鉆修井作業中管柱處理系統的技術發展[J].石油機械，2012，40(1)：87-89.

[4] 張鵬飛，朱永慶，張清鋒，等.石油鉆機自動化、智能化技術研究和發展建議[J].石油機械，2015，43(10)：13-17.

[5] 白丙建，譚剛強，欒蘇，等.陸地鉆機鉆桿自動處理系統方案設計[J].石油礦場機械，2014，43(2)：86-88.

Development of GC 2L4 String Automatic Processing System

HUANG Yuehua1，2，LIU Chunbao1，2，WANG Yaohua1，2，MAI Chenghua1，2，XING Guangliang1，2，WANG Cui1，2，BAI Bingjian1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

In order to improve the drilling efficient，reduce the labor intensity of workers，and improve the automatic and intelligent operation level of drilling rig，Development of GC 2L4 String automatic processing system，through the configuration of lifting Power Catwalk，automatic derrickman，flip type hydraulic elevator，rail type iron roughneck machinery equipment and so on.These equipment with the assistance of top drive devices Accomplish the drill pipe，drill collar and casing drilling string of mechanical transmission，mechanical root，establish the automatic discharge operation.High production efficient，safe，low intensity model of the pipe treatment system are realized.Through integrated driller control platform of the rig，pipe automation remote post processing system centralized control.

drilling；pip string；automatic processing system

2016-06-06

中國石油天然氣集團公司科研開發項目“3000米全自動化鉆機”( 2016B-4003)

黃悅華(1960-)，男，陜西臨潼人，高級工程師，主要從事石油鉆機設計及技術管理工作，E-mail：jszxhyh@bomco.cn。

1001-3482(2016)11-0066-04

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.015