陆地钻机离线建立根系统现状分析及建议

白丙建，张 洪 ，王耀华，赵亮亮，邢广亮

(1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002； 2.中国石油川庆钻探工程有限公司， 成都 610056)

随着石油钻井技术的不断发展，特别是近几年管柱自动化系统在陆地钻机上的大量应用，钻机作业的安全性显著提高，工人劳动强度明显降低，钻井效率也得到了一定的提升。然而，采用立根钻进的中深井钻机必不可少的建立根作业，仍然需要占用钻井时间或人力操作，影响效率。目前，我国陆地钻机建立根通常采用2种方式：①钻井开始之前通过占用井口的方式提前建好本次钻深所需的立根，可以配套常规风动绞车，亦可配套管柱自动化系统。这种方式建立根需要占用井口，建立根和钻井不能同时进行，需要额外的建立根作业时间，工作效率低[1-5]；②采用双小鼠洞以及钻台上左、右2台风动绞车配合实现离线建立根。这种方式虽然不占用井口，减少了作业等待时间，但需要多人配合，自动化程度低，操作较繁琐[6-7]。

本文通过对国内外陆地自动化钻机离线建立根系统的介绍和技术性能的分析，指出各种离线建立根系统在钻机上的配套适应性及关键技术，并提出几点建议。

1 国内外陆地钻机离线建立根系统

离线建立根系统一般融合在钻机管柱自动化系统中，即钻井管柱自动化处理系统具备离线建立根功能，是技术含量较高的产品。国外具有代表性的离线建立根自动化钻机有德国海瑞克(HerrenknechtAG)公司的TI-350型自动化钻机[8]、意大利Drillmec公司的AHEAD(Advanced Hydraulic Electrical Automated Driller)钻机、美国斯伦贝谢公司(Schlumberger)的未来钻机。国内具备离线建立根功能的钻机有中曼石油装备集团有限公司的陆地离线作业钻机，以及依托中石油项目的宝鸡石油机械有限责任公司与川庆钻探工程有限公司联合研发的新一代7 000 m自动化钻机。

TI-350型自动化钻机，采用两单根一立柱进行钻井作业，井架没有常规钻机的二层台，立根水平存放在地面上的钻杆盒内，如图1所示。该钻机共配有6套管柱处理设备，主要包括用于离线建立根的水平拧扣机、地面行车、钻杆盒和用于钻进作业的猫道、抓管机械手、铁钻工。在钻井作业的同时，地面行车将2根单根管柱分别吊运并放置在地面的水平拧扣机上，待上扣完成后，再由地面行车将连接好的立根吊至钻杆盒内水平存放。在钻井需要时，地面行车将立根从钻杆盒吊运至井口正前方的猫道上，再由安装在底座前侧的抓管机械手将猫道上的立根直接输送到井口中心，最后由钻台面的铁钻工完成立根与井中管柱的连接。该套管柱系统配套较少设备，实现了离线建立根，其抓管机械手因为需要抓取长约19 m的两单根立柱，机械手自身长度达17.4 m、质量达35 t。在起下钻时每柱立根均需在钻台与地面间来回输送，使用频率很高，负载较大，能耗高，完成1个立根的起下钻时间较长[9]。

图1 TI-350钻机

AHEAD钻机也采用两单根一立柱进行钻井作业，井架无二层台，立根低位竖直存放在钻机底座右前侧的地面立根架内，如图2所示。该钻机配套的管柱处理设备包括吊运单根的地面行车、翻转机械手、可伸缩鼠洞、动力钳、铁钻工、立根架、安装在立根架体上的柱式排管机械手及扶管机械手和辅助吊机等。钻机在钻进作业的同时，水平行车将单根管柱吊运至翻转机械手正下方，翻转机械手依次将2根单根管柱由水平位置送至钻台前侧的竖直的可伸缩鼠洞内，并由动力钳完成上扣，再由排管机械手将连接好的立根输送至底座右前侧的立根架内存放。钻井需要时，先由排管机械手将立根从立根架内取出，移送至鼠洞位置，并由扶管机械手扶持立根上端，顶驱前倾，使中心管与立根上端连接后，再由顶驱上提立根到钻台面并移送到井口，由铁钻工完成立根下端与井中管柱的连接。该套管柱系统配套设备较多，其中安装在立根架顶部的辅助吊机只用于处理钻铤立根，不参与钻杆立根的建立。

图2 AHEAD钻机

未来钻机采用三单根一立柱进行钻井作业，立根低位竖直存放在钻机底座正前方的地面上，如图3所示。该钻机共配套管柱处理设备13套，主要包括动力猫道、提管机械手、分别用于井口和离线建立根上卸扣的2套铁钻工、分别用于井架左右前侧立根排放的2套桥式排管机械手和2套扶正臂等。该钻机在钻进作业的同时，动力猫道依次输送三根单根管柱上钻台，安装在井架前侧的提管机械手上提单根，送至钻台前侧的可伸缩鼠洞中并完成上扣，再由二层台上的排管机械手将连接好的立根输送至底座正前方的地面立根台上存放。钻井需要时，先由排管机械手移送立根至交接位置交给提管机械手，再由提管机械手上提立根到钻台面，并移送到井口。

图3 未来钻机

中曼石油的陆地离线作业钻机采用两单根一立柱进行钻井作业，立根低位竖直存放在钻机底座正前方的地面上，如图4所示。该钻机配套的管柱处理设备包括自动钻杆盒、自动猫道、自动鼠洞、管柱提升机、分别用于离线建立根和井口的铁钻工、排管机械手、扶正臂等。钻机在钻进作业的同时，自动钻杆盒将单根运至自动猫道，再由自动猫道依次将2根单根输送到具有夹持和升降功能的自动鼠洞中，由管柱提升机、铁钻工配合连接成立根，再由猫道上方的排管机械手将连接好的立根输送至管柱弹夹存放。钻井需要时，先由排管机械手移送立根并交给管柱提升机。管柱提升机将立根提升至钻台面，在扶正臂共同作用下将立根移送至井口[10]。

图4 中曼公司的陆地离线作业钻机

宝石机械的7 000 m自动化钻机采用三单根一立柱进行钻井作业，立根高位竖直存放在钻台面上，如图5所示。该钻机配套有安装在地面的动力猫道、安装在钻台面的扶管机械手和铁钻工、安装在井架前立柱的提管机械手、安装在二层台的排管机械手共5台管柱自动化设备。在钻进作业的同时，3根单根管柱由具有输送多根管柱功能的动力猫道输送上钻台后，提管机械手依次扣合第1、第2单根并上提，扶管机械手推扶单根下端，分别放入2个鼠洞中，提管机械手再扣合第3单根上提，与两个鼠洞中单根通过铁钻工依次连接成双根、立根，提管机械手继续上提立根到钻台面后，交给二层台上的排管机械手，排管机械手将立根输送至钻台面的立根台上，高位竖直存放备用[11-12]。钻井需要时，排管机械手直接将立根从存放区移送至井口。该钻机离线建立根和井口上卸扣共用1台铁钻工，管柱处理系统配套设备少；起下钻时立根在钻台面输送，运行路径短，效率较高。

图5 宝石机械公司的7 000 m自动化钻机

2 离线建立根系统技术分析

从上述5种钻机可以看出，钻机立根的存放位置和存储方式决定了离线建立根系统中单根输送、立根连接、立根移送、立根存储等设备的功能及数量，并对钻机整体结构、起下钻能耗、操控系统要求，以及人工应急进行管柱处理的能力等方面有较大的影响。笔者以TI-350型钻机、未来钻机、宝石机械7 000 m自动化钻机为例进行技术分析。

2.1 钻机总体的影响

TI-350型钻机采用双单根一立柱水平存放，按存放6000 m、ø127 mm(5英寸)钻杆立根估算，立根每柱长19 m，约315柱，需要7套钻杆盒(长20 m，宽2 m)，占地面积约280 m2；未来钻机和宝石机械7 000 m自动化钻机采用三单根一立柱竖直存放，同样以存放6 000 m、ø127 mm(5英寸)钻杆立根估算，立根每柱长28.5 m，约210柱，立根存放面积仅需约15 m2(考虑存取立根所需的间距，每柱接头按占地面积0.07 m2计算)。从上述对比可以看出，存放相同数量的立根，立根低位水平存放所需的面积比立根竖直存放所需面积大得多。 但是，立根低位水平存放时，钻机没有二层台、也没有立根台，主体结构相对简单，稳定性好。立根竖直存放时，根据立根相对井口位置不同，需要在钻机主体上设置二层台、立根台或者配套独立于钻机主体的立根架来存放立根。

故立根低位水平存放的离线建立根系统仅适应于中浅井钻机，或对井场占地面积要求不高的钻机。立根竖直存放的离线建立根系统更适合于深井、特深井钻机。

2.2 起下钻能耗及效率的影响

起钻作业时，TI-350型钻机采用抓管机械手将井口位置的立根运送至地面的猫道，再由水平行车将立根移送到钻杆盒内；未来钻机先用提管机械手将井口位置的立根下放地面，再由排管机械手将立根运送到地面的立根台存放；宝石机械7 000 m自动化钻机直接用排管机械手将井口位置的立根移送到钻台面的立根台存放。下钻时，各钻机作业流程与上述相反。从各钻机起下钻作业的流程分析可以发现，立根高位存放可减少立根上、下钻台的动作，减少相关设备动作所需的能源消耗。若按钻机钻台高10 m、立根移送设备(抓管机械手或提管机械手)竖直平均运行速度0.8 m/s粗略估算，立根高位存放较立根低位存放每起1柱立根的时间可减少约25 s，效率较高。

2.3 配套设备数量及操控要求

以TI-350型钻机为代表的立根低位水平存放钻机，配套有地面行车等6套管柱自动化设备，设备数量较少；其地面行车及水平拧扣机由专人操控，其余设备由司钻操作，各设备间没有联合动作，操控简单。以斯伦贝谢未来钻机为代表的立根低位竖直存放钻机，配套有动力猫道等13套管柱自动化设备，设备较多；提管机械手、扶正臂等设备间有联合动作，动作衔接要求高，操作复杂。以宝石机械7 000 m自动化钻机为代表的立根高位竖直存放钻机，配套了铁钻工等5套管柱自动化设备，铁钻工供离线建立根和井口钻进上卸扣共用，设备数量少；起下钻时，立根只在排管机械手和吊卡之间交接，流程简单，容易操控。

2.4 系统可靠性要求及人工应急作业能力

立根低位存放，立根在存放区与井口之间的输送必须依靠输送机械手或提管机械手，人力常规作业不能完成立根上、下钻台操作，故对系统的可靠性要求高。否则，在上提下放立根的设备有故障时，钻机不能进行起下钻及钻进作业。立根高位存放，设备故障时，可通过井架工在二层台上依靠风动绞车辅助进行人工排立根作业，不影响钻机起下钻及钻进作业。

结合上述分析，离线建立根系统的不同立根存放位置和方式对钻机各方面影响如表1。

表1 立根不同存放方式对钻机影响

3 关键技术

3.1 管柱提升机械手设计

陆地钻机要实现离线建立根，必须配套用于立根提升的设备，实现不占用游吊系统及井口、高效提升立根的作业需求。以立根竖直存放钻机为例，提管机械手需同时具有在猫道上提升单根并送入鼠洞、提升管柱配合铁钻工上扣、上提立根沿轨道行走、递给二层台排管机械手等功能。 根据功能需求，设计该机械手的钳头结构及翻转、摆臂、旋转、行走机构。依据离线建立根的规格，确定参数并进行各种工况的载荷分析。分析时既要考虑管柱提升过程中设备所承受的重力载荷及功能载荷，又考虑因风力、管柱上提下放时等所引起的动态载荷。设备的整体结构既要保证承载能力，又应有效地控制结构自重及外形，关键承载构件可以采用高强度材料，使其强度、刚度提高而自重较轻[13]。

3.2 控制系统设计

离线建立根作业由单根输送、立根连接、立根排放等一系列顺序动作完成，系统各设备既要定位精确和响应快速，又要具有安全防护功能以满足管柱移运过程中防坠、过载保护、紧急停止的要求，从而确保系统安全可靠运行。设计时，各执行机构可采用伺服电机驱动，或在液压驱动系统回路中增加高精度的比例节流调速阀，软件上电控程序算法增加补偿功能，从而提高控制精度和响应速度；各检测机构可通过设置旋转编码器、位移传感器、接近开关、称重传感器、视觉识别系统等来解决设备的精确定位、运行轨迹的自动规划、过载保护等问题，从而实现可靠、高效离线建立根的目的[14]。

3.3 系统安全性设计

由于离线建立根作业参与设备多，并且与井口钻井作业同步甚至交叉进行，存在提管机械手、扶管机械手、顶驱、吊卡、铁钻工等多个动态设备之间以及设备与管柱之间的碰撞可能，故各设备不但要设置锁紧、防坠等安全防护功能，整体还需设置各种运动防碰撞功能。另外，系统应具有过载保护、紧急停止、故障报警等功能，使操作人员能实时监测、掌控设备运行情况。同时，电液控制系统设计应充分考虑各基础元件性能，做好冗余设计，以保证系统的安全性和完备性[15]。

4 发展建议

1) 离线建立根是陆地钻机向自动化、智能化方向发展必需具备功能之一。我国陆地钻机离线建立根系统必然有很大的市场需求。根据国内陆地钻机的现状、钻工的操作习惯以及基础元件性能等情况，短期内现有钻机结构不会有颠覆性的改变。建议现阶段我国陆地钻机离线建立根系统采用立根高位竖直存放的方式，以满足设备故障时进行常规人工作业的需要，同时加强系统可靠性、易维护性的研究。

2) 因陆地钻机搬家较频繁，在满足离线建立根功能的前提下应减少设备配套数量，建立根和钻进作业尽可能共用1套设备，使用时优先保证钻进需要。系统配套较少的设备，可以降低钻机购置费用、减少搬家车次、缩短安装调试时间，从而降低钻井成本。

3) 加强生产厂家与国内钻探公司的合作研发，充分发挥各自潜能。生产厂家根据用户的实际需求开发离线建立根系统，钻探企业在油田现场充分试验，并将使用过程中遇到的问题及时反馈给厂家并加以改进优化。双方共同努力，离线建立根系统将逐步成熟并在我国陆地钻机上配套。

5 结论

1) 对国内外陆地自动化钻机的离线建立根系统进行和技术性能分析，指出各种离线建立根系统在钻机上的配套适应性及关键技术。

2) 以TI-350型钻机为代表，采用立根低位水平存放的离线建立根钻机，更适合于浅井作业，可减少占地面积及起下钻次数。若采用API第3类超长单根(13.72 m)进行钻进作业，可不配水平拧扣机，减少设备配置及操作人员，同时缩短抓管机械手、地面行车的长度，减轻设备自重，使钻机搬迁更便捷。

3) 以未来钻机为代表，采用立根低位竖直存放的离线建立根钻机，多设备间动作衔接要求高，对设备的可靠性要求高。为避免因提管机械手故障不能取放立根，建议增配可提升立根上下钻台的吊机，从而保证钻机能正常钻井作业。

4) 以宝石机械7 000 m自动化钻机为代表，采用立根高位竖直存放的离线建立根钻机，与常规钻机结构型式基本一致。为更好满足应急作业需求，建议适当增大钻台面积，方便猫头、大钳等应急设备的安装和人员的操作。

5) 陆地钻机离线建立根系统受钻机结构型式、占地面积限制、需频繁拆卸搬家等因素的影响，研发及推广难度较大。建议研发具有我国自主知识产权的陆地钻机离线建立根系统，使其能够满足钻机高效、安全、可靠的管柱处理作业需要。