懸持式管柱自動化鉆機現場應用與改進建議

常 飛

（川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司川慶70212 隊，重慶 404100）

0 引言

在中國石油集團公司“十二五”重大項目支持下，川慶鉆探和寶石機械共同研制了懸持式管柱處理自動化鉆機。該鉆機配有自動輸送管柱的動力貓道、懸持管柱的自動井架工、翻轉液壓吊卡、自動上卸扣裝置的鐵鉆工等管柱處理裝置。2015 年5 月開始在磨溪109 井第一口井工業試驗，經現場應用驗證，基本能滿足使用要求，初步達到預期試驗目的。2016 年8 月，經過機械技術升級及設備改進，設備故障率進一步降低，系統穩定性大大提高[1]。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統設計介紹

鉆機采用懸持式管柱自動化處理系統，配套鋼絲繩拉升式動力貓道和緩沖機械手實現鉆桿從地面到鉆臺自動輸送；伸縮臂式鐵鉆工實現鉆桿和鉆鋌的自動上卸扣操作；自動井架工和液壓翻轉吊卡實現二層臺無人值守槽。配套的設備結構新穎、安全性好，實現了管柱從排管架到鉆臺面及二層臺全過程自動化操作作業[2]。ZJ70DB56 懸持式管柱自動化鉆機布局如圖1 所示。

1.2 工作原理

圖1 鉆機管柱系統布局

自動化鉆機管柱處理過程主要由管柱自動輸送系統、建立根自動處理系統、立柱自動排放系統組成。管柱自動輸送系統通過動力貓道將鉆桿或鉆鋌從地面自動輸送至鉆臺面；建立根自動處理系統將動力貓道輸送到鉆臺的鉆桿通過液壓吊卡和鐵鉆工自動上卸扣實現單根管柱連接成立根或將立根拆卸成單根；立柱自動排放系統采用懸持式自動井架工懸持管柱實現管柱在二層臺指梁與井口之間的移動。司鉆采用雙司鉆集成控制系統，通過網絡通信技術實現設備在司鉆房遠程智能控制。

2 系統關鍵設備

2.1 動力貓道

動力貓道（圖2）采用液壓驅動鋼絲繩拉升形式，通過液壓馬達驅動完成貓道送鉆柱裝置運送鉆桿至鉆臺面，動力貓道兩側配有管柱踢出和傾斜機構，采用液壓油缸驅動方式，實現管柱進入或送出貓道自動化。動力貓道具有3 種操作模式，分別是本地操作臺操作、遠程無線遙控盒、遠程司鉆房控制。

2.2 鐵鉆工

圖2 動力貓道

伸縮臂式鐵鉆工（圖3），伸縮臂式鐵鉆工占用鉆臺面面積小，利用電控液技術，通過編程實現鉆桿的自動上卸扣功能。相比常規的液氣大鉗，鐵鉆工更加自動化、智能化，使鉆工遠離井口，提高人員安全性。鐵鉆工具有3 種操作模式且相互鎖定，分別為遠程無線遙控操作、司鉆房集中控制和本地應急操作。

圖3 鐵鉆工

2.3 液壓吊卡

液壓吊卡（圖4）具有常規吊卡所有功能的同時，增加了吊卡翻轉功能，利用電控液技術驅動油缸實現吊卡的開合、翻轉功能。液壓吊卡與頂驅共用液壓源，在司鉆房實現吊卡的遠程控制。

圖4 液壓翻轉吊卡

2.4 自動井架工

自動井架工（圖5）采用液壓馬達驅動回轉裝置旋轉，液缸推動四邊形傾斜臂變幅，整體安裝在氣動指梁二層臺上，由操作臺、回轉裝置、傾斜臂、伸縮臂、調垂油缸、夾持鉗、扶持鉗和鉆具檢測裝置以及電液控制系統等組成。回轉裝置控制自動井架工所夾持鉆柱的旋轉并作為設備的安裝固定基礎。傾斜臂、調節裝置和伸縮臂控制自動井架工夾持鉆柱后移送至指定位置。夾持鉗、扶持鉗和鉆具檢測裝置用于檢測、夾持和扶正鉆柱。自動井架工采用PLC 程序控制，利用編碼器和位移傳感器實時檢測，實現安全互鎖，并確保立根排放精確定位。

圖5 自動井架工

2.5 司鉆集成控制系統

懸持式管柱自動鉆機配套遠程電子雙司鉆集成控制系統（圖6），司鉆房遠程實現鉆機電氣傳動、液壓系統、氣動控制、鉆井儀表等設備的集中控制和信息顯示。雙司鉆集成控制系統具有設備運動軌跡規劃、安全管控系統、防碰撞管理及后臺數據記錄等功能，大大提高了司鉆操作的自動化、智能化水平。

圖6 雙司鉆集成控制系統

3 應用效果

3.1 鉆井工藝現場應用統計

懸持式管柱自動化鉆機累計施工作業3 口井，正在進行第4口井工業應用。現場試驗表明，懸持式管柱自動化鉆機能夠滿足鉆井工藝和安全生產的需求，可實現管柱的自動輸送、自動上卸扣和自動排放等功能，降低了勞動強度。各井基本數據見表1。

3.2 設備可靠性分析

懸持式管柱自動化鉆機設備布局合理，具有軌跡導向、一鍵操作、運動防碰、安全互鎖、故障智能診斷等功能，實現了鉆機自動化安全作業，達到了國內同類產品的領先水平。經過機械技術升級和不斷改進，設備可靠性大幅度提高，故障率逐步降低，故障停工率1.99%。各井停工檢修統計見表2。

表1 各井基本數據

表2 各井停工檢修統計

磨溪109 井故障主要表現為自動井架工不能夾持8 英寸和9 英寸鉆鋌；自動模式回轉和傾斜復合動作時抖動較大；內置伸縮傳感器故障；鐵鉆工旋扣鉗液壓馬達和滾輪頻繁損壞。磨溪X211 井故障主要為新增加伸縮油缸外置編碼器后，操作畫面上紅色坐標亂跳，系統頻繁提示進入測試模式，無法操作，取消外置編碼器接線后故障恢復；液壓吊卡打開關閉油缸活塞桿斷裂。高石001-X12 井故障主要為自動井架工夾持鉗油缸連接螺栓斷，無法打開；夾持鉗油缸漏油；回油管線接頭虛接，縮回無動作，夾持英寸鉆桿移動時下滑。高石126 井故障主要為自動井架工油缸內置傳感器插接件電纜松動，導致無法操作；扶正鉗管線漏油；氣動指梁卡板部分不能打開；鐵鉆工上、下鉗支點臂斷裂。

3.3 起下鉆時效

隨著設備可靠性逐步提高，在安全井段下，實際起下鉆桿能達到18 柱/h，最快時能達到22 柱/h，和常規電動鉆機基本持平。

3.3 應急處理及系統安全冗余功能

懸持式立根排放系統在現場鉆井過程中會出現故障，如設備功能短時不能恢復時，應迅速使用設備的應急處理功能或其他應急措施，控制設備離開井口區域或干涉作業區域，將吊卡扣合鉆具，接頂驅開通泥漿泵上下活動鉆具，最大限度地消減鉆井作業風險。設備故障處理通常按照以下流程進行：①用司鉆控制座椅遠程控制，恢復故障設備至初始狀態或安全作業狀態；②用設備的本地操作臺或控制閥手動換向按鈕控制設備進行單動作，恢復故障設備至初始狀態或安全作業狀態；③直接拆除液壓管線或控制閥，使相關執行機構泄壓，人工恢復設備至初始狀態或安全作業狀態。系統應急處理及安全功能見表3。

4 改進建議

4.1 鐵鉆工旋扣鉗

現場應用發現，鐵鉆工旋扣鉗滾輪與鉆桿在滾動摩擦時造成鉆桿損傷等問題，建議通過實驗不同硬度或材質的滾輪，減少對鉆桿的損傷。鐵鉆工在大扭矩上卸扣過程中出現夾緊力過大、造成鉗牙壓潰或鉆桿咬傷等現象，建議對于不同類型鉆桿增加自動調節夾緊力功能，防止應夾緊力過大造成鉆桿損傷。

4.2 指梁可靠性

氣動指梁包括230 個鉆桿指梁，8 個鉆鋌指梁，每個指梁都由單獨的氣缸控制，立根在該行進出時，之前的卡板需要全部打開關閉，造成卡板銷軸退出、固定螺栓松動，氣缸及氣管線磨損，設備的可靠性大大降低，而且高空維修難度較大，增加作業風險，建議在設計上重新考慮指梁的可靠性及可維護性。

4.3 自動井架工工作模式

通過4 口井的現場應用，起下鉆中鉆桿占據很大比例，尤其是井深達到5500 m 以上時，井內鉆具結構大部分是4 英寸及以下鉆桿，8 英寸和9 英寸鉆鋌在3000 m 作業前一般是各兩柱。隨著井下工具螺桿和鉆頭新工具應用越來越成熟，上部井段鉆井提速效果非常明顯，起下鉆次數顯著降低，夾持大鉆鋌的總作業時間相對很短，懸持式立根排放系統的優勢越來越不明顯。而且懸持式立根排放系統二層臺組裝繁瑣，和普通二層臺相比，要多近1 天的安裝時間。建議排放鉆桿時采用懸持模式,提高設備自動化程度的同時,還保證設備的穩定性，提高設備的使用效率；排放大鉆鋌時采用推扶模式，不承受立根重力載荷，可改善并架的承載受力狀況，充分發揮設備的能力。

4.4 集成司鉆控制系統

集成司鉆系統采用分體式布置，主機安裝在司鉆偏房，電腦顯示器位于司鉆房，該方式在信號傳輸時出現中斷和丟數據包現象，通過優化設計后采用一體機替代原有方案，在司鉆房應用一體機減少中間環節，降低故障率，有效提高集成司鉆系統的穩定性和可靠性。

4.5 信息化遠程監測系統

隨著鉆機自動化技術的不斷完善和進步，建議通過AI 技術、5G 網絡等現代化通信方式及信息技術實現鉆機控制的遠程化、集群化、智能化作業，最終實現井場危險區域無人化作業。