鉆井自動化裝備“一鍵聯動”系統

成小強

（中國石油集團西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834009）

0 引言

近年隨著國內鉆井裝備的高速發展，逐步從機械化、電動化向自動化、智能化轉變。然而，要實現真正意義上的智能化，實現無人操作，不僅需要自動化設備、通信設備、監控設備的組合，還需要將鉆井作業流程與自動化設備聯系起來，實現一整套復雜動作的循環。

“一鍵聯動”自動化裝備系統的研究主要定位于套管段內的頻繁起鉆、下鉆作業流程。系統在實際應用中，將作業流程標準化，由系統自動控制執行，對于存在風險或無法自動的環節，由司鉆人工操作和人工確認。系統自動控制完成安全的保障環節，人工和自動化可以靈活切換，保障操作安全。

該項目主要著眼于在役鉆機自動化裝備配套技術，在現有電動鉆機基礎上優化人機互動系統界面、完善防碰防撞互鎖，并具有自動化機具聯動功能、集成遠程監控及診斷等信息化系統，實現本質安全，提效率、提效益。

基于上述預期目標，該項目開展的研究內容主要包括：成套自動化機具系統升級解決方案；自動化機具流程標準化設計；多設備控制無縫對接；集成通信協議、接口兼容技術優化。“一鍵聯動”系統實現的功能有石油鉆機在施工過程中管柱（鉆桿、套管）實現自動化處理，包括運輸、舉升、排放、抓取等一系列聯合動作（表1）。

表1 鉆井自動化處理系統

1 鉆井作業流程

新一代鉆機基本配備頂驅作業，所以本文探討的均是帶頂驅情況下的鉆井作業。無論分為幾開次或是否定向、水平鉆井，鉆井工藝基本的流程可以分為鉆進、接單根、起鉆、下鉆、劃眼、循環、下套管、固井等。最常規和最基本的，也是運用自動化裝備最多的多次循環同一套動作的作業，就是起鉆、下鉆作業。

（1）起鉆作業流程：上提鉆具至二層臺位置→坐好井口卡瓦→卸開鉆桿立柱→將鉆桿立柱坐在立根盒→打開吊卡→將立柱拉入二層臺。

（2）下鉆作業流程：將二層臺立柱拉出→放入吊卡→上提立柱→與井口鉆柱連接→打開井口卡瓦→下放鉆桿。

2 鉆井自動化裝備動作流程

根據鉆井作業基本流程，要實現“一鍵聯動”就必須對各自動化裝備的動作進行分解，充分考慮其先后順序，避免互相干擾，完成整套作業。

2.1 起鉆作業時自動化裝備動作流程

打開自動化裝備“一鍵聯動”系統→選擇起鉆模式→絞車自動上行至二層臺合適位置→自動卡瓦包住鉆柱→鐵鉆工動作，卸開立柱→鉆臺機械手將立柱拉回立根盒指定位置→二層臺機械手抓住立柱→打開液壓吊卡→二層臺機械手將立柱推入指定位置→絞車自動下行→液壓吊卡自動扣合→自動卡瓦打開→絞車自動上提。完成一個起鉆循環動作。

2.2 下鉆作業時自動化裝備動作流程

打開自動化裝備“一鍵聯動”系統→選擇下鉆模式→絞車自動上行至二層臺合適位置→二層臺機械手拉出立柱，推入液壓吊卡→液壓吊卡自動扣合→絞車緩慢上提→鉆臺機械手將立柱推至井口扶正→鐵鉆工完成上扣→緩慢上提絞車→打開自動卡瓦→絞車下行至井口指定位置→關閉自動卡瓦→液壓吊卡自動打開→絞車自動上行。完成一個下鉆循環動作。

2.3 編寫“一鍵聯動”程序

采用聯網控制，按照目前使用最廣泛的西門子PLC S-1200編寫邏輯程序，利用模擬器進行反復模擬運行。

3 現場實驗應用

經過安裝調試，目前該自動化“一鍵聯動”系統已經在克拉瑪依鉆井公司7000 m 自動化鉆機應用，在萬米起下鉆試驗中，提升系統最大鉤速在1.0～0.8 m/s（起鉆和下鉆略有不同），起鉆單次循環所用時間最短為180 s，下鉆單次循環所用時間最短為178 s，平均起鉆速度達到18.1 柱/h，平均下鉆速度18.5 柱/h；單趟起鉆最快速度達到20 柱/h，單趟下鉆最快達到20 柱/h，速度與人工操作相當，正在進一步完善和量化推廣策劃（圖1）。

圖1 參與“一鍵”聯動的自動化鉆井裝備

4 結束語

鉆井裝備按照機械化、電動化、自動化、智能化的發展順序不斷進步，鉆井自動化裝備處于大范圍推廣階段，許多獨立動作的自動化裝備基本已經在新一代鉆機上配置。目前鉆井自動化裝備“一鍵聯動”技術已經成功應用，具有提速、增效、安全、減員的特點。然而要實現鉆井裝備智能化運行，鉆井裝備的研究還任重而道遠。“一鍵聯動”向智能化鉆井裝備邁了重要一步，后續將繼續研究在特殊情況下自動化裝備的應急處理操作。