智能化钻机——钻杆自动运移系统的研究现状

第一篇：智能化钻机——钻杆自动运移系统的研究现状

钻杆自动排放运移装置的研究现状

摘要：自动钻杆排放运移装置用自动化的机械装备代替了人工操作，实现了人与钻杆的分离和钻杆的自动化排放运移。自动钻杆排放运移装置降低了井台操作风险，减少了起下钻时间，使得钻进效率大幅提升，目前在海洋钻井平台已广泛应用。介绍了国内外的钻杆自动排放运移装置的研究现状，并分析了其优缺点，并对国外现有的自动排放运移装置进行了系统分类。

关键词：钻杆自动运移装置；陆地钻机；钻杆排放系统；自动化钻井

Research status of Automatic handling and transport

system device of drill pipe

ABSTRACT Automatic handling and transport system device of drill pipe use automation machinery and equipment to achieve the separation of people and the drill pipe and the automatic drill pipe.Automatic handling and transport system device of drill pipe reduce the well operation risk, and reduce the tripping time, make the drilling efficiency increases.Nowadays, this system has been widely applied to offshore drilling platform.The paper introduces the research status of Automatic handling and transport system device of drill pipe at home and abroad.Their advantages and disadvantages are analyzed.The paper includes the system classification of the automatic handling and transport system device of drill pipe in the existing.Keywords: Automatic handling and transport system device of drill pipe;Land Drilling Rigs;Drill Pipe Handling System;Auto Drilling

1、前言：

上天、入地、下海、登极，被称为人类征服自然的四大梦想。从本世纪初，人类对太空、海洋和极地的了解已达到了一定的高度，但对于人类赖以生存的地球却知之甚少，在入地的探索中更是举步维艰。获取地球深部的信息最直接、最有效的就是科学钻探。

自动化钻井是 21 世纪钻井技术的主要发展方向[1-2]，钻具处理系统是其需要解决的关键问题。据统计，在钻机钻进过程中起钻、下钻和钻具处理所用时间占钻井全部时间的 1 /3 以上。目前，分布在我国陆地上的钻机仍采用传统的转盘驱动单根钻井技术，钻井作业时人工操作钻具往返于地面排放架和钻台之间，危险系数大、工作效率低，劳动成本高，钻井周期长[26-35]。

目前自动化钻井生产中，现代钻机的进步离不开自动化，整体而言，现代钻机在技术方面比以往任何时候都更为先进。通过广泛采用交流变频电驱动钻机、电子司钻、PLC 控制系统、顶驱装置、铁钻工等先进设备，现代钻机不再过多的依赖于手工操作和低效率不精确的机械化系统。先进的顶驱装置使钻机能够在起钻时进行倒划眼作业，从而更适合于钻较长的水平井段和大位移井。铁钻工是最先进的扭矩旋扣设备，它可以在司钻的控制下自动完成钻杆、套管等钻具的旋扣连接工作，提高生产效率和安全性，是现代化钻井中重要的自动化设备之一[3-6]。在钻井工作中，传统的钻杆排放操作方式需要工作人员与钻杆直接接触，在下钻工程中司钻、井台钻工、井架工要手动密切配合，稍有不慎便可能造成事故。特别是井梁与井口之间传送钻杆立根时，需要二层台上的井架工直接用手拆移立根，存在风险性比较大，此外钻井工作环境恶劣，因此钻井安全生产问题显得更为突出。为了降低传统的钻井工作需要的工人劳动强度，减少井口作业人数，提高工作效率，减轻安全隐患，因此自动排杆系统的研制开发势在必行，也是自动化钻井未来发展的必然趋势[22-25]。

目前，钻杆自动运移装置的研究大都是针对石油钻井展开的，取心钻井同样面临着与石油钻井类似的问题，急需研制出稳定可靠的钻杆自动运移装置以降低钻井工人的劳动量和减少钻井工人作业时所面临的风险。下面就对石油钻井的钻杆自动运移装置及钻杆自动排放系统作以综述，力求为取心钻井的钻杆运移装置和自动排放系统提供相关借鉴[36-45]。

2、国内外相关研究现状： 2、1国内相关研究现状

钻杆自动排放系统在国外有较长的研究和应用历史，逐渐形成系列化，模块化，然 而在国内对该系统的研究却十分少，仍然处于刚刚起步阶段。世纪九十年代，中原引进的2000 m液压钻机中，使用了液压钻杆举升装置[17]。2001 年，兰石厂自行研制的6000 m电驱动沙漠钻机，采用了钻杆排放系统。2004 年，中国石油物质装备公司引进 SR250E 型自动钻杆排放系统，适用于陆地钻机、固定平台以及自升式钻井平台。

2006 年，大连船舶重工为中海油服建造的自升式钻井平台的“海洋石油 941”，其上配备了 Varco 公司 HR(Hydra Racker)管柱排放系统，以及折臂起重机、钻杆输送机、铁钻工等。该钻杆自动处理系统能够实现平台上钻杆的起、运、卸、排等一系列操作，明显的提高了工作安全性以及降低了工作人员的劳动强度[18]。

2006 年，中国石油大学的张宝增设计出一种新型管柱起下装置[19]。

2007 年，南阳二机石油装备有限公司生产的液压动力猫道，能实现钻杆低位排放、钻杆送入钻台等功能[20]。

2008 年，上海三高石油设备有限公司针对陆地钻机，设计出一种轻型桅杆式钻杆排放装置[21]。

2008 年，中油辽河宝石石油装备有限公司对其设计的陆地钻机的自动化猫道申请了专利。

2011 年，首次中国自主设计、建造的第六代 3000m 深水半潜式钻井平台“海洋石油 981”，代表了当今世界海洋石油钻井技术的最高水平，其上配备了 HR 柱形排放系统以及一系列钻杆传送系统。

2011 年，中国石油大学（华东）的牛文杰研制出一种陆地钻具自动运移装置，主要可以实现钻具在摆放架放置和钻井平台间的自动运移[7]。

2011年，兰州理工大学的张洪生设计了出了一种陆地钻机桅杆式钻杆自动排放系统，该系统可以实现钻杆在摆放架和井口之间的运移，能够和其他装置配合完成钻杆的连接操作[10]。

2.2 国外研究现状

国际钻井市场竞争激烈，国际知名的钻井承包商拥有先进的钻井技术，优良的钻井装备，占有巨大的市场份额，因此要想在国际石油钻井市场中占有一席之地，不仅要有大量的技术人才和先进的钻井技术，石油装备也是决定是否快速进入国际钻井市场的先决条件；作为石油钻井装备的核心-石油钻机，是在国际钻井招标中能否获胜的重要因素，因此进入国际市场的石油钻机必须具有先进的技术和可靠的性能，满足国外石油钻井市场的要求[16-20]。世纪 40 年代,国外开展了钻杆排放系统机械化方法的研究[8]。60 年代，自动化程度较高的钻杆排放系统开始投入商业应用。到了 80 年代，钻杆自动排放系统的设计和开发趋于成熟，产品也呈现出多样化和系列化的发展态势[9]。下面介绍几种国外生产的比较先进的自动化钻机。2.2.1．轻型自动化钻井系统[11]

英国石油公司与 Phonex Alaska Technology 公司共同研制了一种轻型自动化钻井系统(LADS)。这种应用 3D CAD 软件设计的钻井系统不仅质量轻(不到同等钻深能力常规钻机质量的一半)，而且具有度灵活性，能适应恶劣路况搬迁和在狭窄井场进行钻井作业。另外，由于采用自动化管理，整个系统可通过计算机控制站完成所有钻进、起下钻和钻杆排放等作业。

(1)LADS 的结构[12]

钻井模块主要由井架底座、桅杆式井架、钻井设备和相应的拖车组成。整个模块安装在 160 个由液压控制转向的充气轮胎上；固控模块包括所有的固控设备和 6 个敞蓬不锈钢钻井液罐；井底组合(BHA)模块安置在钻井模块拖车旁，用于存放、组装并操作 BHA。动力模块由发电机组、水力发电机组和高级电能控制室组成；泵模块由 3 台钻井泵、混合漏斗、水泥搅拌器等组成；大型储罐模块由 6个顶部密封的不锈钢储罐和离心泵组成。除了钻井模块拖车之外。上述其它模块都装载在 4 套由履带车改装的轨道装置上。LADS 的管材处理系统堪称一套集成硬件系统。系统的每个工作单元都能同相邻的工作单元密切配合，尽可能高效地完成每个作业周期的管材处理任务。

钻机还包括以下 3 个主要系统： ①移动系统。除钻机模块拖车外，其它所有的模块都安装 4 组 Caterpillar专用履带上。履带系统采用重型钢化橡胶带，装在 2 套双气动轮的外部，载荷通过载重轮传递到履带与地面的接触面上。

②管子处理系统。管子处理系统是一个综合系统，能高效率地处理 8.5～13.7m 直径 73.0～339.7mm 的管材。其 6 个主要设备包括管材自动装拆装置、管材传送装置、管材吊臂、铁钻工、带有自动吊卡的顶驱系统和自动卡瓦等。

③自动控制系统。自动控制系统(ACS)是这种钻机中技术要求最高的部分，该系统控制钻机设备的运行，并自动完成管子处理操作。通过自动控制系统，司钻可以通过一个操作椅对整部钻机的运行进行控制。用于控制管臂及综合管子操作系统程序的软件是专门为 ACS 设计的。该钻机的自动化程度很高，在投入运行和排除故障过程中，所有的例行程序操作都全部自动地同步进行。

(2)LADS 的优点[13]

经过几年的研究开发，生产出的轻型自动钻机系统(LADS)为阿拉斯加北坡井提供了更好的钻机。与常规钻机相比，LADS 具有以下优点：

①自动化程度高，能为使用者提供一个更安全、更清洁的工作环境； ②设计紧凑，占地面积小，能适用于窄小的井场。LADS 通过一个操作员工作椅可控制钻机的所有功能。其常规功能软件由现有软件模块改编而成，用于控制管材吊臂和集成式管材处理程序的软件是根据用户提出的应用要求而编制的。通过使用过程中软件系统的测试和修改，钻机的自动化程度将不断提高。

2.2.2德国 Bentec 公司研制的自动化钻机[14] 德国 Bentec 公司经过 2 年的设计、策划和制造，为挪威 Norsk Hydro 公司建成 1 座名为 Oseberg Sor 的平台，安装在北海挪威区块 Oseberg 油田中心以南13km 的 101m 深水处。这座平台重 14000t，由 1 个 125m 高的钢导管架支撑。这套钻机自动化程度高，所用钻工比标准钻机少 20％，钻台上配备有动力卡瓦、鼠洞卡盘、铁钻工、转盘、振动筛、钻井液制备装置、钻机升降系统、液缸、人货电梯、防喷器和中央水力活塞泵等。钻机自动完成水平和垂直方向钻杆移送，移送过程受密闭钻井控制室遥控。从钻井控制室可看到整个钻台面和井架，室内的所有主要控制装置都装在两椅的臂上，还配有闭路电视监测和控制装置，有 3 台 500m 监测器。所有钻井作业都由现代钻井控制数据采集系统(DCDA)来控制和管理。钻杆移放工序用可编程逻辑控制器(PLC)编程，由控制室发出指令便可执行。软件控制着装有井架的钻井设备，保证钻井和起下钻作业能在高速状态下进行而无设备碰撞危险，还可边钻边给立根上扣。高、低压隔水管和套管的移放也由控制室遥控，只是套管接头用自动胶带输送到钻台面上。重型工具、短节、井下马达和钻头等使用提升工具和铁钻工移送，无需手工操作。

2.2.3 RAD 自动化钻机[15]

英国的 strachan and henshaw 公司生产的 RAD 钻机是一种轻型的深井海洋钻机，钻深能力已达到 6100m，载重为 650t。自动化钻机的井架能够进行所有正常钻井操作 ,特别是能够用天车施力。其最大设计载荷为 4412199kN，包括升降机、水龙头和游梁，还有绞车和死绳固定装置的载荷。井架的高度为 35105m(115 英尺)，足够用来处理套管和钻杆的起下钻工作。

(1)升降机

自动化钻的升降机是用来处理轻载荷的钻柱和钻铤组合的，正常钻井中，它能处理Φ88.9mm(31/2 英寸)和Φ127mm(5 英寸)的钻杆和Φ165.1、203.2、241.3mm(61/2、8、91/2 英寸)的钻铤，以及完井工作。对于其他管柱和重物，使用标准的套管升降机。升降机由一个固体的外壳悬挂于动力水龙头连接。里面有 8个键由 2 个液缸驱动。为了处理钻杆锥形表面和钻铤的方肩，键具有一个可伸缩的表面。在使用之前键的选择是自动的，使用程序化逻辑控制器来控制。起重机的下部是一个钟型套用来进行钻杆和起重机的导向和对正。

(2)钻杆自动排放系统

mRAD 自动化钻机的钻杆处理系统，整体在程序化逻辑控制器的控制之下，包括 2 个连通的子系统。钻杆处理和储存系统使用 1 或 2 个拖架处理钻杆架，升降的移动由装载在起升结构顶部的钻杆架来完成。它能够处理稳定器、无磁钻铤、震击器和转向装置。由于设计了灵活的爪子和钻杆架系统，能够进行钻杆架和爪子的定位，并将钻杆移运到井架上。转台被安装在大直径的无摩擦的轴承上，使起重臂能够旋转 180°。该移动由液压马达驱动进行定量控制。2 个爪子可以在起重臂上独立移动，由液压马达驱动。每一个爪子的位置由与液压马达相连的编码器感知，以爪子移动的长度来适应不同的管柱尺寸和位置。自动化钻机爪子的移动完全由慢速液压马达驱动。

(3)操作系统

操作台由简单的按钮和指示器操作。在控制台上选择自动模式，司钻使自动化钻机准备好自动化控制。在个人计算机上选择管柱，并由计算机监控其移动和操作。由计算机确定起重机爪子的位置，根据钻杆的类型和长度，编码器确保爪子到达适当位置时减慢速度。钻杆架的移动位置也由编码器确定。大钳由螺线管阀和主开关来控制，脉冲编码器可确保爪子卡在正确的位置，以及在特定管柱的相应直径处闭合。

总之，该自动化钻机使用了自动化技术及安全可控的方式，节省了人力，并且在未来的自动化钻井中继续保持其优势。

2.2.4 NOV 公司的钻杆自动排放系统[16]

根据使用形式不同，NOV 公司的钻杆排放系统分为水平型、垂直型、水平垂直混合型 3 种。水平型钻杆自动排放系统开发最早，也最为成熟，居世界领先地位。产品从简单的带式运输机到半自动化的钻杆排放吊，实现多样化，满足现场无人操作、远程监控的使用要求。

垂直型钻杆自动排放系统包括柱状排放臂、多用途机械手、套管扶正装置和单臂双臂机械手 4 大类，结构分为 X-Y 轴双臂、星状排放臂和平行排放臂 3种型式，控制方式从最简单的人工操作到机器人半自动化操作。

水平-垂直混合型钻杆自动排放系统为进一步提高钻杆装卸的安全性和工作效率，基于上述 2 种类型，又推出了水平2 垂直混合型钻杆自动排放系统。该系统可全方位地适应管状类钻具的排放需求，并结合整体钻井作业方法，改造海洋钻井平台 2 钻井船的结构设计，提高设备的使用效能和钻井作业速度。该系统分为 Stand Hand II、PLS—

3、PLS—5 和 V—DoorMachine 4 种类型。Stand HandII 型适合的最大套管直径为 273mm，后 3 种适合的最大套管直径均为 559mm。

3、结论：

钻井作业过程中需要对钻杆、套管等管具进行大量的起下、排放作业，尤其是在起下钻作业过程中，需要多次重复对钻杆进行排放运移作业。这些排放运移作业不仅劳动强度大、枯燥乏味，而且耗费大量的时间、存在较大安全隐患。为减轻工人劳动强度、降低操作风险和提高操作安全，研制钻杆排放运移系统势在必行[46-51]。本文介绍了国内外的钻杆自动排放运移装置的研究现状，并分析了其优缺点，并对国外现有的自动排放运移装置进行了系统分类。

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