海洋固定平臺管柱處理系統(tǒng)淺析與應(yīng)用

劉慶豐

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州434024）

1 引言

用高性能、高自動化程度的設(shè)備裝備鉆機提高鉆井作業(yè)效率及鉆機整體自動化水平，將操作人員從繁重的體力勞動中解放出來成為了當(dāng)今自動化鉆機的發(fā)展趨勢。自動化鉆機配備的管柱處理系統(tǒng)是一套由多種裝置聯(lián)合作業(yè)、模仿人工操作步驟、多工種有序銜接、規(guī)范化傳輸運送、一體化集中控制的智能化系統(tǒng)，石油鉆機管柱處理系統(tǒng)完全實現(xiàn)了管柱（鉆桿、油管、鉆鋌、套管）從堆場到鉆臺、直至二層臺全過程自動化控制操作。國內(nèi)陸地鉆機已陸續(xù)開始配置管柱自動化處理系統(tǒng)。目前國內(nèi)海洋移動平臺均配備了自動化程度高的管柱處理系統(tǒng)，但管柱處理系統(tǒng)基本被國外制造商所壟斷，而海洋固定式平臺鉆機的自動化作業(yè)的程度還很低，尤其是管柱自動化處理系統(tǒng)更是空白。

海洋固定平臺鉆修機常年矗立于鉆采平臺，一套鉆修機不僅要具備鉆井功能，還要兼顧修井功能。鉆井和修井的作業(yè)工況會有所不同，另外受平臺空間的限制，管柱拋接會存在多個方向，加上作業(yè)環(huán)境惡劣等因素，管柱自動化處理系統(tǒng)必需結(jié)合海洋固定平臺鉆修機的作業(yè)特點而研制。

2 主要結(jié)構(gòu)組成

管柱自動化處理系統(tǒng)主要包括動力二層臺、導(dǎo)向定位裝置、二層臺機械手、鐵鉆工、動力鼠洞、集成控制系統(tǒng)等。

2.1 動力二層臺

動力二層臺主要由主支撐結(jié)構(gòu)、活動指梁排、指梁門閂、大門門閂、控制閥組等組成，如圖1所示。

由于海洋鉆井和修井時的管柱直徑不一樣，因此，二層臺的指梁能適應(yīng)規(guī)格2 3/8"油管到5 7/8"鉆桿的排放，采用司鉆房控制可實現(xiàn)指梁間距自動可調(diào)。指梁采用雙指梁排結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大能排放5 7/8"規(guī)格的鉆桿。指梁排按照鉆桿的排放要求布置，每個指梁可以分別調(diào)節(jié)，通過指梁的調(diào)整可滿足同時排放不同規(guī)格的管柱需要。指梁排中預(yù)留有管柱排放緩沖區(qū)，用來排放不滿一排的管柱，保障管柱在大風(fēng)惡劣天氣的管柱安全。每個活動指梁上都有門閂，整個二層臺配有大門門栓和鉆鋌門閂，均能全自動開閉，保證作業(yè)安全，減少司鉆操作帶來的失誤風(fēng)險。

圖1 動力二層臺

2.2 導(dǎo)向定位裝置

導(dǎo)向定位裝置除不具備頂驅(qū)，能提供旋轉(zhuǎn)扭矩外，具備與頂驅(qū)類似的其他與自動化排管相關(guān)的全部功能。液壓吊卡與導(dǎo)向定位裝置作為自動排管系統(tǒng)的特殊游動部分，由導(dǎo)向定位裝置、吊環(huán)和液壓吊卡三部分組成。

導(dǎo)向定位裝置吊裝在大鉤下方，由本體、導(dǎo)軌、放置裝置、液壓吊卡與導(dǎo)向定位裝置集成控制系統(tǒng)四部分組成。導(dǎo)向定位裝置通過導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，保證液壓吊卡的穩(wěn)定性和實現(xiàn)前后擺動，同時配備放置裝置。

導(dǎo)軌安裝在井架上，為導(dǎo)向定位裝置本體提供導(dǎo)向定位支撐，同時提供一定的抗旋轉(zhuǎn)扭矩支撐。放置裝置是導(dǎo)向定位裝置現(xiàn)場安裝與放置機構(gòu)，具備放置導(dǎo)向定位裝置和移動導(dǎo)向定位裝置兩種功能。導(dǎo)向定位裝置如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向定位裝置

2.3 二層臺機械手

二層臺機械手主要用于管柱的抓取與排放，采用推扶式、懸掛結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動實現(xiàn)機械手的回轉(zhuǎn)、移動、手臂伸縮及鉗頭夾持，如圖3所示。

圖3 二層臺機械手

2.4 鐵鉆工

鐵鉆工是鉆修井作業(yè)時進(jìn)行鉆桿、油管、鉆鋌等上卸扣作業(yè)的自動化工具，如圖4所示。

海洋鉆修機通常兼顧鉆井和修井作業(yè)，鐵鉆工必須適應(yīng)油管到鉆桿不同管徑的管柱不同扭矩要求。鐵鉆工的各執(zhí)行部件的液壓壓力采用電控壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)管柱類型與直徑，自動調(diào)節(jié)夾緊力和沖扣與旋扣扭矩，保證管柱安全和減少對管柱的損傷。

圖4鐵鉆工（單位：mm）

2.5 動力鼠洞

動力鼠洞是石油天然氣鉆修井作業(yè)進(jìn)行管柱自動化處理的配套工具，如圖5所示。動力鼠洞由管柱對中機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、轉(zhuǎn)動座三部分組成。可以夾持和定位規(guī)定范圍內(nèi)任意直徑和長度的管柱；在配合鐵鉆工使用時，可以減少副司鉆在鐵鉆工對準(zhǔn)管柱中心時的操作次數(shù)，從而提高鐵鉆工接管柱的效率，增加了生產(chǎn)過程中的安全性，降低了勞動強度。

圖5 動力鼠洞

2.6 集成控制系統(tǒng)

管柱處理系統(tǒng)由副司鉆在司鉆房通過控制面板上的手柄、旋鈕開關(guān)、按鍵開關(guān)等對管柱處理系統(tǒng)配套的自動化設(shè)備進(jìn)行控制。管柱處理系統(tǒng)所有自動化部件的邏輯判斷與控制均由集成控制系統(tǒng)完成。通俗點講，管柱處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管柱處理系統(tǒng)在作業(yè)中的安全，電控系統(tǒng)配合對提升系統(tǒng)的控制，保證作業(yè)安全。

管柱處理系統(tǒng)與電控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)采用簡單的無源節(jié)點信號通訊，即管柱處理系統(tǒng)給電控系統(tǒng)需要絞車剎車時的信號，電控系統(tǒng)給管柱系統(tǒng)絞車反饋信號。這樣提高了不同控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的效率，降低了系統(tǒng)之間不兼容造成的故障率，同時提高了作業(yè)安全。

3 應(yīng)用情況

四機公司集成配套的管柱處理系統(tǒng)于2020-11-13在渤海灣錦州25-1油田WHPB平臺首次得到應(yīng)用，截至2021-02-23，已進(jìn)入第3口井的鉆進(jìn)，總進(jìn)尺深度8 950 m，基本實現(xiàn)了二層臺的無人化作業(yè)。經(jīng)過3口井的考驗，管柱處理系統(tǒng)整體運行情況良好。四機公司根據(jù)整個系統(tǒng)在實際作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題和用戶建議也在不斷優(yōu)化和改進(jìn)，取得了顯著的效果。

現(xiàn)場應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)目前存在的主要問題是二層臺機械手和鐵鉆工作業(yè)效率沒有達(dá)到人工的作業(yè)效率。機械手從液壓吊卡抓取管柱到旋轉(zhuǎn)到二層臺安全區(qū)域，游車開始下放所用平均時間為35 s。機械手從二層臺抓取管柱到完全交接給液壓吊卡并回到等待區(qū)域所有平均時間為63 s。人工排放管柱所用平均時間為45 s，鐵鉆工旋扣所有平均時間為80 s，人工采用鉆桿鉗旋扣所有平均時間為60 s。機械手排管和鐵鉆工上扣分別如圖6和圖7所示。

圖6 機械手排管

圖7 鐵鉆工上扣

4 結(jié)論

國內(nèi)鉆井裝備在自動化和智能化方面得到了高速發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，尤其是陸地鉆機的管柱處理系統(tǒng)也逐步在完善，而適用于海上作業(yè)工況的國產(chǎn)化自動化設(shè)備還在起步階段，但借鑒陸地鉆機的成功經(jīng)驗，根據(jù)海上固定平臺應(yīng)用，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，相信未來幾年管柱處理系統(tǒng)在海洋鉆修機上的運行會越來越成熟。同時，結(jié)合實際應(yīng)用情況，建議管柱處理系統(tǒng)著重以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：①提高各自動化部件傳感器的檢測精度，適用海洋環(huán)境工況；②分析海洋鉆修機所有作業(yè)工況，進(jìn)一步完善導(dǎo)向定位裝置的結(jié)構(gòu)，滿足作業(yè)需求，提高作業(yè)效率；③動力二層臺指梁為非全指梁門栓，改進(jìn)指梁結(jié)構(gòu)避免大風(fēng)作業(yè)時，鉆桿滑出指梁的風(fēng)險；④解決鐵鉆工在旋扣5 7/8"鉆桿時打滑問題，旋轉(zhuǎn)扭矩需達(dá)到85 kN·m；⑤進(jìn)一步不僅要增加自動化程度，同時要降低系統(tǒng)故障率。