在役鉆機(jī)管柱自動(dòng)化排放裝置配套技術(shù)研究與應(yīng)用

李占柱，王瑞成，李 勇，李滿江，宋 堯

(中石油川慶鉆探公司 長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安 710021)①

在石油鉆井作業(yè)過(guò)程中，需要將鉆桿由二層平臺(tái)入口移至立根盒或從立根盒移至井口，并需往復(fù)操作。傳統(tǒng)鉆機(jī)的操作方式需要井架工站在二層臺(tái)猴道控制鉆桿，將鉆桿從鉆桿架中移進(jìn)或移出。移動(dòng)鉆桿立根時(shí)，需要二層臺(tái)上的井架工伸手到井口中心位置將立根送到游車上的吊卡內(nèi)(或拆下來(lái)) ，并且還需在指梁與井口中心之間不斷移動(dòng)立根。這種作業(yè)方式的工作重復(fù)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)較高，生產(chǎn)效率低。據(jù)國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，30%～52%的傷亡事故發(fā)生在起、下鉆過(guò)程中，且耽誤了大量的鉆修井作業(yè)時(shí)間[1-2]。

針對(duì)傳統(tǒng)鉆井作業(yè)存在的問(wèn)題，亟需配套井口自動(dòng)化設(shè)備替代人工操作，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)少人化、無(wú)人化，降低安全隱患，并提升鉆井服務(wù)質(zhì)量、提高鉆井作業(yè)效率。

目前，新鉆機(jī)有成熟的管柱自動(dòng)化設(shè)備配套技術(shù)方案。在役鉆機(jī)受井架、強(qiáng)度、空間及司控房配置的影響，暫無(wú)良好的解決方案。在役鉆機(jī)占各鉆探公司鉆機(jī)數(shù)量的98%以上，對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，使其朝著智能化、自動(dòng)化、無(wú)人化方向發(fā)展是鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[3-8]。

1 管柱自動(dòng)化排放裝置

1.1 總體方案

在役鉆機(jī)自動(dòng)化管柱排放裝置主要包括電動(dòng)二層臺(tái)扶管機(jī)械手、液壓吊卡和鉆臺(tái)面提管機(jī)械手。利用原鉆機(jī)司控房，集成自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單司鉆一鍵式智能操作。二層臺(tái)和鉆臺(tái)面管柱自動(dòng)排放，管柱上下鉆臺(tái)在井口與大門坡道間推扶，立柱在立根盒與井口之間推扶。二層臺(tái)利用扶管機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)安全性。

為了滿足鉆機(jī)自動(dòng)化改造的要求，新制(改造)二層臺(tái)，與原有井架配套安裝。實(shí)施前需對(duì)井架改造方案進(jìn)行強(qiáng)度校核，符合API Spec 4F 《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》的要求[9]。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆臺(tái)立根盒和鉆臺(tái)面進(jìn)行改造，滿足鉆臺(tái)面機(jī)械手安裝和立根排放要求。

1.2 工作原理

自動(dòng)化管柱排放裝置在起鉆作業(yè)時(shí)，頂驅(qū)帶著液壓吊卡從井口提起鉆柱，到達(dá)指定高度后停止；鉆臺(tái)面提管機(jī)械手伸展至井口，抓住鉆柱的下部，臂架收攏，回轉(zhuǎn)，平移，到達(dá)預(yù)定立跟盒位置，將鉆柱移動(dòng)至目標(biāo)位置；下放游車坐放鉆具，鉆臺(tái)機(jī)械手回到原位；然后，二層臺(tái)扶管機(jī)械手伸展至井口，扶持鉆柱的上部，打開(kāi)液壓吊卡的活門，臂架收攏，回轉(zhuǎn)，平移，到達(dá)預(yù)定指梁，將鉆柱移動(dòng)至目標(biāo)位置，回到待機(jī)位置。下鉆作業(yè)時(shí)，工作流程與起鉆作業(yè)相反。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)管徑

鉆桿

鉆鋌

二層臺(tái)容量

?127 mm(5英寸)鉆桿

180柱

8柱

最大管柱質(zhì)量

10 t

操作半徑

2 600 mm

外形尺寸

8 600 mm×3 300 mm×3 000 mm

2 裝置配套

2.1 二層臺(tái)扶管機(jī)械手

二層臺(tái)扶管機(jī)械手由二層臺(tái)和機(jī)械手2部分組成，如圖1所示。二層臺(tái)包括二層臺(tái)框架、指梁、舌臺(tái)、欄桿和維修架等，并采用鉆鋌鎖、指梁鎖等安全機(jī)構(gòu)保證作業(yè)安全；機(jī)械手安裝在二層臺(tái)猴道的軌道中，由防爆伺服電機(jī)控制機(jī)械手平移、回轉(zhuǎn)、伸展及抓手開(kāi)合。抓手可張大或縮小，以適應(yīng)不同外徑的鉆具。二層臺(tái)扶管機(jī)械手與普通二層臺(tái)具有互換性，隨井架起升。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械手各部件可手動(dòng)調(diào)整姿勢(shì)和開(kāi)合抓手，方便快速恢復(fù)至人工作業(yè)模式。由于二層臺(tái)扶管機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總體質(zhì)量與普通二層臺(tái)相當(dāng)，滿足井架的強(qiáng)度要求[8]。

圖1 二層臺(tái)扶管機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意

2.2 鉆臺(tái)面提管機(jī)械手

鉆臺(tái)面提管機(jī)械手主要由臂架系統(tǒng)(提管機(jī)械手)、行車總成、底座總成、滑車總成、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，如圖2所示。鉆臺(tái)面機(jī)械手自帶輔助立根盒，整體落在原立根盒上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，對(duì)原鉆臺(tái)面進(jìn)行適應(yīng)性改造，超出原立根盒約200 mm；為了排污和清洗方便，整體側(cè)移式行車軌道高出輔助立根盒約250 mm；為了不影響原鉆機(jī)的人工作業(yè)模式，機(jī)械手安裝位置和運(yùn)動(dòng)軌跡避開(kāi)臺(tái)面立根、動(dòng)力大鉗等設(shè)備。機(jī)械手非作業(yè)工況時(shí)，停放在待機(jī)位，可避讓下套管、貓道上鉆桿等工況，且不影響人工作業(yè)，不妨礙司鉆室操作視線。排管送管過(guò)程具備司鉆一鍵自動(dòng)操作功能，實(shí)現(xiàn)鉆具和套管上下鉆臺(tái)下部在井口或小鼠洞與大門坡道口之間的推扶，立柱在立根臺(tái)與井口之間的推扶，能配合坡道拉升式動(dòng)力貓道作業(yè)，對(duì)立柱和套管只扶不提。鉆臺(tái)面提管機(jī)械手代替了鉆臺(tái)面人工扶管作業(yè)，提高了作業(yè)效率及安全性[10-11]。

圖2 鉆臺(tái)面提管機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意

2.3 液壓吊卡

液壓吊卡由吊卡本體、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)管柱的提升和下放，吊卡的開(kāi)合及翻轉(zhuǎn)，如圖3所示。液壓吊卡采用液壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)司控房遠(yuǎn)程操作和狀態(tài)監(jiān)控。吊卡活門開(kāi)關(guān)靈活，鎖緊可靠，使用安全，可實(shí)現(xiàn)向前≤90°翻轉(zhuǎn)；電磁閥控制箱安裝在頂驅(qū)上，電磁閥采用24 V直流供電；并配置了防墜落裝置及液壓載荷、機(jī)械載荷保護(hù)裝置。

2.4 司鉆集成控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由中央控制單元和伺服控制單元組成[12]，配置觸摸屏工業(yè)計(jì)算機(jī)，用于控制全套自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示設(shè)備狀態(tài)信息，其操作界面如圖4所示。配置視頻監(jiān)控?cái)z像頭，用于觀察二層臺(tái)機(jī)械手、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡和鉆臺(tái)面機(jī)械手的工作狀態(tài)，視頻信號(hào)集成到鉆機(jī)工業(yè)監(jiān)控視頻系統(tǒng)，畫面可根據(jù)工況切換。系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；具備二層臺(tái)機(jī)械手、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、鉆臺(tái)面機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制功能。

3 技術(shù)改造與安全措施

3.1 主要部件改造

1) 制作二層臺(tái)扶管機(jī)械手、鉆臺(tái)面提管機(jī)械手、液壓吊卡[13]。

2) 重新制造(或改造)二層臺(tái)，與原有井架配套安裝，且符合API Spec 4F 《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》的要求。

3) 對(duì)原司控房的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。將二層臺(tái)扶管機(jī)械手、液壓吊卡、鉆臺(tái)面提管機(jī)械手集成到司控房控制，預(yù)留鐵鉆工、動(dòng)力貓道及動(dòng)力卡瓦備用的控制接口。

4) 配置視頻監(jiān)控設(shè)備，信號(hào)集成到鉆機(jī)原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

5) 對(duì)原司控房控制面板進(jìn)行改造，安裝自動(dòng)化設(shè)備操作硬件，如圖5所示。

6) 增加移動(dòng)式獨(dú)立操作臺(tái)。操作臺(tái)的支架可伸縮、旋轉(zhuǎn)，使用時(shí)將操作臺(tái)拉近，不用時(shí)推開(kāi)，如圖6所示。

3.2 安全互鎖

1) 二層臺(tái)機(jī)械手與絞車互鎖控制。在鉆機(jī)盤剎緊急制動(dòng)控制氣路上串聯(lián)一個(gè)電磁氣閥，當(dāng)二層臺(tái)機(jī)械手到達(dá)井口上方干涉區(qū)域內(nèi)，控制器發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，電磁閥得電，盤剎工作鉗和安全鉗同時(shí)工作，剎住絞車；當(dāng)二層臺(tái)機(jī)械手離開(kāi)井口上方干涉區(qū)域后，控制器復(fù)位剎車信號(hào)，大鉤正常上、下工作；當(dāng)游車位置在二層臺(tái)之下時(shí)，禁止二層臺(tái)機(jī)械手伸出猴臺(tái)范圍，其位置信息來(lái)源于絞車滾筒編碼器。

2) 解鎖。在操作臺(tái)面板上安裝復(fù)位硬開(kāi)關(guān)解鎖，同時(shí)在顯示屏服務(wù)界面(通過(guò)密碼進(jìn)入)加入強(qiáng)制解鎖“軟開(kāi)關(guān)”。

3) 液壓吊卡與絞車互鎖控制。用液壓吊卡關(guān)門的開(kāi)關(guān)信號(hào)(位置信號(hào))控制剎住絞車。當(dāng)管柱進(jìn)入液壓吊卡后，液壓吊卡執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作，活門未關(guān)閉到位時(shí)，絞車無(wú)法上提、下放游車。

4) 二層臺(tái)機(jī)械手與頂驅(qū)伸縮臂互鎖控制[14-15]。在頂驅(qū)操作面板的機(jī)械臂控制開(kāi)關(guān)上面串聯(lián)常閉互鎖觸點(diǎn)，二層臺(tái)機(jī)械手到達(dá)井口上方危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，中間繼電器得電，機(jī)械臂輸入控制開(kāi)關(guān)失效，限制吊卡隨頂驅(qū)伸縮液缸移動(dòng)。不使用二層臺(tái)機(jī)械手時(shí)，頂驅(qū)機(jī)械臂動(dòng)作不受影響。

5) 二層臺(tái)機(jī)械手與液壓吊卡互鎖控制。在起鉆模式下，且僅有二層臺(tái)機(jī)械手抓手檢測(cè)到有管柱，將機(jī)械手完全關(guān)閉后，液壓吊卡方可打開(kāi)，完成管柱交接；在下鉆模式下，液壓吊卡內(nèi)有鉆具且吊卡完全關(guān)閉后，二層臺(tái)機(jī)械手方可打開(kāi)，完成管柱交接工作。

6) 指梁鎖與二層臺(tái)機(jī)械手互鎖[16-17]。起鉆時(shí)，機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)指梁后，只有對(duì)應(yīng)指梁鎖打開(kāi)后，臂架才能伸展；下鉆時(shí)，機(jī)械手抓住鉆桿后，只有對(duì)應(yīng)指梁鎖打開(kāi)后，臂架才能收縮。

4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 與國(guó)內(nèi)雙人司控房idiller管柱自動(dòng)化控制系統(tǒng)相比，司控房單司鉆 “一鍵式”智能管柱處理系統(tǒng)，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可操作性，且減少了作業(yè)人員，可應(yīng)用于在役鉆機(jī)的自動(dòng)化改造。

2) 高空智能排管機(jī)械手預(yù)設(shè)智能路徑，代替井架工完成管柱二層平臺(tái)指梁和井口中心往復(fù)移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作；機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，與原二層臺(tái)可互換，無(wú)需對(duì)鉆機(jī)再次改造；伺服控制，一鍵操作，實(shí)現(xiàn)高精確排管，一次抓、取成功；保留原人工作業(yè)模式，出現(xiàn)故障后不影響原有手動(dòng)排管作業(yè)模式。

3) 鉆臺(tái)面提管機(jī)械手采用模塊化設(shè)計(jì)，除滿足鉆桿的容量的立根盒外，方便安裝、拆卸及井場(chǎng)搬家運(yùn)輸，滿足井場(chǎng)車輛尺寸要求。

4) 鉆臺(tái)提管機(jī)械手整體操作以司鉆房為主，實(shí)現(xiàn)單司鉆一鍵智能操作；運(yùn)動(dòng)軌跡與在二層臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡合二為一，系統(tǒng)融合，智能定位；采用弧形立根盒臺(tái)面，鉆桿自重定位；控制系統(tǒng)與現(xiàn)有二層臺(tái)控制集成，自動(dòng)切換控制模型。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)

1) 降低鉆井施工過(guò)程中管柱處理作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。 鉆機(jī)自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要設(shè)備實(shí)現(xiàn)了司鉆一鍵式智能操作，避免了雙司鉆協(xié)同作業(yè)溝通配合不當(dāng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)互鎖功能完善，避免了各設(shè)備之間交接配合不當(dāng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)整套設(shè)備使用范圍廣，基本滿足井隊(duì)施工的各種工況，避免了人工直接參與作業(yè)，降低人員操作安全風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)大幅降低，安全管理省心。

2) 省人、省力降低了人力成本。自動(dòng)化鉆機(jī)按設(shè)計(jì)配套齊全并投入使用正常后,在常規(guī)起下鉆作業(yè)中，比同類型普通鉆機(jī)節(jié)省1～2人，在接立柱等非常規(guī)作業(yè)能節(jié)省3～4人，且勞動(dòng)輕度明顯降低，現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)鉆井隊(duì)的對(duì)比如表1所示。

表1 起下鉆工況與接立柱工況用工對(duì)比 人

3) 自動(dòng)化控制單元可自由選配，適合所有類型鉆機(jī)所需配置。 管柱自動(dòng)化系統(tǒng)適用于在役鉆機(jī)自動(dòng)化升級(jí)改造，可根據(jù)實(shí)際需求自由選擇各單元設(shè)備配套使用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)不同類型鉆機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐表明，起下鉆效率略低于常規(guī)鉆機(jī),接立柱效率與常規(guī)鉆機(jī)持平,鉆進(jìn)時(shí)接立根運(yùn)行效率高于常規(guī)鉆機(jī)。

4) 作業(yè)模式切換便捷，確保作業(yè)連續(xù)。 管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)不改變現(xiàn)有鉆井工藝流程，在設(shè)備出現(xiàn)故障，無(wú)法快速排除故障時(shí)，可隨時(shí)切換至人工操作模式繼續(xù)作業(yè)，不影響作業(yè)時(shí)效。

6 結(jié)論

1) 在役鉆機(jī)管柱自動(dòng)化排放裝置配套技術(shù)，立足于鉆機(jī)不回廠，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行改造集成，并利用原司控房對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

2) 該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二層臺(tái)扶管機(jī)械手和鉆臺(tái)面提管機(jī)械手配合作業(yè)，能夠自動(dòng)完成抓取、移動(dòng)和排放鉆柱，代替了井架工和鉆臺(tái)內(nèi)外鉗工，減少了危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人數(shù)，提高了鉆井效率，安全性能好，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3) 配套的二層臺(tái)扶管機(jī)械手和模塊化鉆臺(tái)面提管機(jī)械手，適用于在役陸地鉆機(jī)的自動(dòng)化改造。