ZJ15/750Y型智能液壓鉆機研制

中圖分類號：TE922文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202406059

Research and Development of ZJ15/75oY Intelligent Hydraulic Drilling Rig

Zhou Linshuai Zhang Yong Yu LijunWang XiangweiXu Xiaolei （RGPetro-Machinery GroupCo.，Ltd.）

Abstract：Automatic and intelligent operation of drilling rig is the pursue of the drilling equipment industry， and there are less effrts onresearch and developmentof intellgent hydraulic driling rig.This paper presents the researchanddevelopmentof ZJ15/75OY intellgenthydraulicdrilling rig.This driling rig with thehydraulic cylinderlifting system as the main part is associated with automatic string processing tool to form adrilling rig system that iscapableof automatic makeup，breakout and striping of drillpipes，as wellas rotarydrilling.Itrealizes the whole process “one-click linkage”function that combines the automation of surface string movement and the automationofdriling operation，and incorporates the“digital twin”technology that enablesreal-time and accurate simulation of equipment action through remote intellgent monitoring.For conventional stripping operations，it achieves unmanned remote control ondriling to the predetermined well depth and releaseof drillstring atthe predeterminedwelldepth just byone-keyaction.With no human intervention in the whole process in thefield application，it allows forstableintelligent operations.The proposed devicefunctions normally inremote monitoring，llowing for real-time transmission of the operation status of the drilling rig.

Keywords： intelligent hydraulic drilling rig；one-click linkage；digital twin；automation tool

0 引言

液壓鉆機的顯著特征是以液缸舉升式井架為提升系統，以液壓頂驅為旋轉系統。與傳統鉆機相比，液缸舉升式井架集成了絞車、井架和滑輪繩系等設備功能，液壓頂驅集成了游車、大鉤、水龍頭、方鉆桿、轉盤（旋轉作用）等設備的功能。因此，液壓鉆機配套簡單、外形緊湊。液缸舉升式井架為直立套裝伸縮式結構，襠距和跨距小，鉆臺井口周圍的作業空間小，不方便人員走動，這使液壓鉆機在誕生之初就與自動化、智能化作業工具和操作模式密不可分。自動化和智能化作業工具可用來彌補空間狹小、不方便人工作業的不足，同時提高液壓鉆機作業效率和安全性，減輕人工勞動強度[1]。

國外對液壓鉆機的研制較早，形式多樣，技術成熟，但主要集中在主機形式上[2]。國內對液壓鉆機的研究和展望3已經屢見不鮮，在研制方面，以適用陸地煤層氣鉆井的小噸位（鉤載不大于 600kN ）淺層（鉆深小于 1000m ）鉆機為主。但大噸位液壓鉆機研制較少，尤其是以“一鍵聯動”和“數字孿生”為特色的智能作業液壓鉆機，更是鮮有報道。近年來，隨著國家能源裝備行業產業升級的發展，國內對鉆修裝備的自動化和智能化研究已蔚然成風[4-5]。各裝備制造廠家不斷推出各具特色的自動化、智能化裝備[6，但主要集中在地面鉆修管柱移運的自動化設備或工具的研發與集成，將管柱地面處理自動化與鉆井自動化結合起來，以實現智能化無人作業的作法還很少[7]，近年公開報道的只有美國的NOV和斯倫貝謝合作開展的鉆井全過程無人現場試驗[8]。

（以下簡稱南陽二機）在小修作業自動化和大修作業自動化工具研發方面投人較早，有著自己的研發特色。在市場開拓過程中，鉆井作業自動化和智能化的市場需求也在不斷擴大。結合中石化用戶建立高端全尺寸鉆井物理模擬室內實驗室的需求，南陽二機提出了ZJ15/750Y型智能液壓鉆機的研發計劃，以滿足在有限的空間內安裝一套可實際進行鉆修作業的智能鉆機的要求。筆者基于智能液壓鉆機的研制歷程，介紹了提升鉤載75t級，從實現鉆井作業全過程“一鍵聯動”和“數字孿生”智能監控功能為特色的新型國產液壓鉆機，其不僅突破了大噸位液壓鉆機的研發瓶頸，更滿足了當前油田用戶對智能鉆機的使用需求，具有國際先進水平。

1 研發概述

液缸提升液壓鉆機大噸位的提升鉤載主要通過提升系統壓力和擴大主液缸直徑2個途徑實現。但持續提升系統壓力會給整個液壓系統的安全穩定帶來隱患，包括液壓管線、閥件密封、液缸強度等方面，而且成本較高；不斷擴大液缸直徑意味著同樣的作業效率，需要更大的液壓站排量，使液壓站的功率攀升。上述2方面處理不當就會使液壓鉆機相對傳統機械鉆機在能耗控制、作業效率、運維成本等方面的優勢大大降低。因此，提升大噸位液壓鉆機的能力，涉及液壓缸、液壓管路、液壓泵、液壓閥件等多方面的設計選型，是一個反復優化比對的研發過程。

在鉆機自動化和智能化方面，當前普遍作法是以傳統鉆機主機為基礎，增配自動化工具，減少人工參與，以“一鍵聯動”為特色，實現以單個部件作業自動化和局部工藝流程智能化為主的階段性自動化作業。

南陽二機結合自身在液壓鉆修裝備方面的研發和維保經驗[9，為滿足用戶使用要求，對75t級液壓鉆機進行了深入的設計和開發，在主機上確定了以壓力等級為主參數的研發思路，同時結合在自動化工具方面的研發經驗，在液壓鉆機上實現了結合地面管柱移運自動化和鉆井作業自動化的全過程“一鍵聯動”功能；同時為實現遠程智能監控，還在石油鉆機上應用了“數字孿生”技術，實現了設備動作的實時精確模擬，其技術創新性得到認證[10]

2 智能液壓鉆機

2.1 整機構成及性能指標

ZJ15/750Y型液壓鉆機采用液缸舉升式提升系統主機，配套自動化管柱處理工具，形成了一套可以自動上鉆、甩鉆、起下鉆和旋轉鉆進的鉆機系統，其高度自動化，可以使作業人員減至1＼～2人甚至無人，對常規起下鉆作業可以實現一鍵下鉆至預定井深，以及從預定并深一鍵甩鉆的無人遠程控制。具體設備構成如圖1所示。

整機性能參數如下。

名義最大鉆深： 1 500m 0 _∞114.3mm （g4.5in）鉆桿）；最大額定靜鉤載： 750kN 最大下壓力： 300kN ：裝機功率液壓站： 315kW ， 400V ，交流工頻；頂驅提升速度： 0～0.6m/s 頂驅中心管通徑： 75mm 假轉盤通徑： 444.5mm（17.5in） 頂驅有效行程： 13m 液壓站額定排量： 510L/min ：液壓系統工作壓力： 35MPa/21MPa/14MPa 氣路系統工作壓力： 0.85MPa 。

2.2 關鍵設備

（1）液缸舉升式井架。井架為前開口形式，上下體雙節套裝。井架內部安裝液壓油缸，直接作用在上體天車座底部。天車為游動天車，提升繩系繞過天車后，一端與液壓頂驅的推車連接，另一端與平衡系統連接。平衡系統類似死繩固定器，具有平衡各鋼絲繩受力的作用。在提升繩系的作用下，當井架上體被液壓油缸頂升時，井架上體與頂驅以 1：2 的行程抬升。另外，井架具有下壓系統，下壓繩系一端連接在井架下體上，繞過上體的導向滑輪后，另一端連接在滑移推車上，實現下壓和穩定頂驅推車運動軌跡的目的。

（2）液壓頂驅。液壓頂驅安裝于頂驅推車上，頂驅推車通過導輪被約束在井架上體的導軌內，在提升繩系的牽引下，使頂驅沿導軌做直線運動，并傳遞頂驅的反扭矩。頂驅由液壓馬達通過減速機構驅動。頂驅中心管帶動整個鉆柱旋轉運動。頂驅具有輔助管柱移運的功能，包括吊環偏擺、吊卡翻轉等，以配合井口自動化工具完成管柱的移運。

（3）大功率液壓站。大功率液壓站負責為整套鉆機系統提供液壓動力，由主電機、傳動箱、液壓泵、油箱、散熱器、進回油路模塊等組成。主電機為恒速電機。液壓泵分為變量泵和定量泵，變量泵可通過信號控制調整輸出排量。油箱用來存儲和冷卻液壓油，安裝有回油濾芯，油溫、油位顯示等附件，可以進行回油濾芯阻塞、高油溫、低油位報警。散熱器在油溫較高（高于 40°C ）時，為液壓油散熱，最終確保液壓油溫不高于 60°C 。進回油路模塊用來分配供油和回油油路，并對油路進行單向、溢流等控制。液壓站輸出3種額定壓力： ①35MPa 系統，為井架和頂驅服務；②21MPa 系統，為自動化工具系統服務，如數字化鉆桿盒及動力貓道、動力吊卡、鐵鉆工等；③14MPa 系統，為先導油控制系統服務。

（4）自動化工具系統。自動化工具系統是一套管柱處理工具的系統集成，主要包含數字化鉆桿盒及配套動力貓道、螺紋油涂抹裝置、動力吊卡、井口扶正機械手、鐵鉆工、動力卡瓦等，各組件之間相互配合，按照一定的自動化邏輯順序，實現鉆桿等管柱在井口和堆場之間的無人自動化移運。

2.3 控制系統

ZJ15/750Y型液壓鉆機的控制系統包括主機控制系統、自動化控制系統、“一鍵聯動”控制系統及“數字孿生”系統。

（1）主機控制系統主要用于對井架提升下放和頂驅旋轉功能的控制，以實現起下鉆、旋轉鉆進等功能。

（2）自動化控制系統主要用于配套自動化工具的自動作業和聯動作業，以實現管柱在堆場和井口的自動無人轉運。

（3）“一鍵聯動”控制系統主要用于主機控制系統與自動化控制系統的銜接和整合，以實現作業無人化。在“一鍵聯動”下鉆作業時，在自動化控制系統將管柱移運至井口后，銜接主機系統的起下作業，將管柱下入井內，并循環往復，直至下鉆至預定井深；同時，該系統還集成了自動送鉆功能，在下鉆至預定井深后，可切換至自動送鉆功能，在設定好鉆壓、轉速等參數后，實現自動鉆進作業；系統還集成了鉆壓保護等安全互鎖功能，對溜鉆、卡鉆等事故導致的鉆壓異常具有自動診斷和懸停保護功能。

（4）“數字孿生”系統可配合“一鍵聯動”控制系統的無人作業功能，將鉆機的實時動作以三維動畫的形式模擬仿真在遠程控制端的監視屏上。不同于常規的視頻監測系統，“數字孿生”系統是以現場設備傳感器的參數為基礎，將現場設備的實時狀態反饋至遠程控制端，包括動作參數、運行參數、故障報警及遠程急停等功能，從而確保在現場無人作業時可進行遠程監控。

整個控制系統控制信號流程如圖2所示。

2.4 作業流程

作業流程是自動化作業設計不可或缺的內容，決定著自動化過程的動作邏輯和設備動作形式。ZJ15/750Y型液壓鉆機的作業流程設計涵蓋管柱地面移運和井內起下，作業工藝流程如圖3所示。

3技術特點

ZJ15/750Y型液壓鉆機與傳統鉆機在結構形式和部件組成上有較大不同，具體表現在與并架、液壓站、鉆臺布局，以及部分自動化工具的配套形式等方面相關聯的制造、組裝與測試技術中。其具體技術特點如下。

（1）液缸舉升式雙節套裝井架的制造安裝技術。解決了大型超長液壓缸（主液缸）的套裝，以及相對游動型井架上、下體的套裝精度問題，確保在每次起下過程中荷載都沿主液缸軸線傳遞，保證了結構受力的穩定性。

（2）大功率液壓站及高壓大排量精密控制閥組的制造組裝技術。解決了大型液壓站集大功率電機、傳動箱、液壓泵組、散熱器、大容積油箱0 （3000L） 、液壓泵合流分流控制閥塊為一體獨立成撬的制造組裝技術難題。整套液壓站在斷開動力電纜和液壓管線后可以獨立吊裝運輸，提高了液壓鉆機的模塊化和可移運性。

（3）自動化管柱處理設備配套集成技術。ZJ15/750Y型液壓鉆機配套7種自動化工具，可完成從堆場到井口的管柱自動化移運，其配套形式和功能銜接是實現地面管柱自動移運的基礎。其中，各自動化管柱處理設備的作用和其解決的自動化流程如下： ① 數字化鉆桿盒解決了鉆井管柱在堆場的擺放和定位問題，每根管柱都在擺放之后，在鉆桿盒內對應一個數字坐標位置，鉆桿盒上的電磁抓手根據坐標位置抓取或放置管柱；② 動力貓道解決了鉆井管柱的輸送問題，可以將來自鉆桿盒的管柱以舉升的方式輸送至鉆臺，或接收來自鉆臺的管柱； ③ 螺紋油涂抹裝置解決了鉆桿內螺紋潤滑問題，集成在動力貓道端部，在鉆桿上鉆臺前，自動為鉆桿涂抹螺紋油； ④ 井口扶正手相當于井口鉆工，解決鉆桿扶正和推扶的問題； ⑤ 動力吊卡解決了自動扣合鉆桿提吊的問題，配合吊環偏擺功能，可以實現吊卡的自動扣合和打開； ⑥ 鐵鉆工解決了鉆桿間自動上卸扣的問題，可以自動從待命位置到井口工作位置，并尋找鉆桿接箍，進行旋扣、緊扣、崩扣等作業；⑦ 動力卡瓦解決了鉆桿在井口的自動卡持問題，配合井架的提升功能，可實現鉆桿卡持和解卡。

（4）適用液缸舉升式井架的鉆臺設備裝配技術。液缸舉升式井架的左右跨距較小，井口周圍不像傳統井架，沒有開闊空間，設備布置和人員走道極大地受到限制。在裝配時，需要嚴格按照先安裝鉆臺設備，如扶正手、鐵鉆工、動力卡瓦等，然后水平吊裝井架至前后、支架上，最后利用起升缸起升井架至直立狀態；在對中井口中心時，要通過調整井架基座墊片和頂驅滑車上下左右的軌道輪的間隙墊片等綜合方法來實現頂驅中心管與轉盤中心的對中；在完成對中后，再以井口中心和井架中心為基線，定位自動化工具的工作中心，以完成主機和自動化設備的安裝和找正，為準確的鉆桿轉運奠定調試基礎。

（5）智能液壓鉆機測試技術。智能液壓鉆機的測試，除了常規的并架的鉤載、鉤速，頂驅的轉速、扭矩，以及自動化設備動作測試外，還有液壓系統的高壓測試和控制系統的智能“一鍵聯動”測試。液壓系統的高壓測試壓力達 35MPa 主要測試液壓泵的壓力、管線的密封性、主控閥件及液壓缸等執行元件的耐壓能力等，是測試設備工作能力的一個重要指標，通過將主液缸伸縮至極限位置進行試驗，可替代最大鉤載試驗；智能“一鍵聯動”測試除了測試各自動化設備移運鉆桿的邏輯性、準確性和工作能力之外，還要測試自動化工具與主機起下作業和旋轉作業的配合情況，所以需要1口試驗井，測試2根以上鉆桿的連續下鉆和起鉆功能，以及下鉆至預定井深后的自動送鉆功能，以此對地面管柱移運自動化和鉆井作業自動化的深度結合情況進行全面測試，從而體現鉆機“智能”的特點。

4 現場應用

ZJ15/750Y型智能液壓鉆機于2022年研制成功后，已在油田現場進行了3井次、 1 400m 井深的修井作業。除處理井下遇阻等特殊情況需要人工介入外，最大一次性連續下鉆500多 m ，全程無人介入，實現了穩定的智能作業；同時，遠程監控的“數字孿生”功能也運行正常，實現了鉆機作業狀態的實時傳輸。圖4為該鉆機的現場應用圖。

5 結論及認識

（1）液壓鉆機與自動化工具的集成對實現鉆機作業自動化、智能化具有獨特優勢，對不同井場環境條件下的自動化、智能化作業需求具有巨大的開發潛力。

（2）國內在軟件控制和設備研發方面，具備將地面管柱移運自動化和鉆井作業自動化整合的研發基礎，突破了當前以部件自動化和個別工藝流程智能化為主流的設計局限，進人鉆井作業全流程無人化的高級階段，具備國內外智能鉆修作業先進水平。

（3）智能鉆機的研發是集設備研發、工藝流程設計、控制程序研發、組裝測試研究等內容為一體的系統工程。與傳統鉆機以設備研發為主不同，工藝流程設計是智能鉆機的研發重點，決定了以什么樣的作業邏輯，采用什么樣的設備組合來實現智能作業預期。

（4）在ZJ15/750Y型智能液壓鉆機中對“一鍵聯動”和“數字孿生”技術的應用，為鉆井行業智能化發展提供了新思路，是鉆井作業全流程無人化的有益實踐。

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第一

作者簡介：周林帥，高級工程師，生于1987年，2012年畢業于中國石油大學（華東），獲碩士學位，現從事石油機械結構與裝備的設計工作。地址：（473006）河南省南陽市。電話：（0377）63577169。email：zhouls_kys@126.com 。

收稿日期：2024-06-19 修改稿收到日期：2024-09-19（本文編輯楊曉峰）