7000 m 自动化钻机应用与建议

2022-07-06石文明

设备管理与维修 2022年3期

石文明

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300280）

0 引言

随着科学技术的发展，石油工程技术服务行业要求石油钻机降低安全风险、降低人工成本、减轻工人劳动强度，提升钻井作业效率、提高机械化与自动化水平，达到降本增效的目的。根据此要求，中国石油天然气集团公司制定了“两年一代、六年三代”的钻机发展规划，以实现作业井场“省人、省心、省力、省时、省钱”为目标，以全面改善提升一线员工作业环境为出发点，中国石油集团渤海钻探工程有限公司配套了7000 m 自动化钻机（图1），推进工程技术服务队伍标准化、专业化、机械化和信息化建设。

1 系统的结构和工作原理

1.1 系统设计

7000 m 自动化钻机（图1）配套管柱自动化处理系统，实现了钻机管柱（钻杆、钻铤、套管等）从地面到钻台面、再到二层台之间的输送、接立根、建立根和钻井过程中管柱的提升、下放等全过程自动化作业，具有远程监测与故障诊断、钻机智能送钻功能的智能化控制系统，彻底改变了传统石油钻机依靠人力和经验识别为主的操作和故障诊断模式，对中国石油集团提出的钻井作业队伍“标准化、机械化、信息化、专业化”建设发展起到了强有力的技术支撑。

图1 7000 m 自动化钻机

1.2 工作原理

自动化钻机模拟人工作业流程，配套了管柱从地面到钻台面、再到二层台不同位置，具有不同结构特点和不同行为方式的机器人系统，完全替代了人工作业方式，其主要设备包括液压驱动杠杆举升式钻杆盒、液压排管架、动力猫道、钻台机械手、铁钻工、动力卡瓦、缓冲机械手、液压吊卡、二层台机械手。整个过程无需人工参与，实现了机器全流程自动化作业，形成了安全、高效、流畅的管柱处理新模式。

2 系统关键设备组成

2.1 液压排管架（图2）

图2 液压排管架

液压排管架导管架为三角桁架结构，底座为箱式拖撬，力学稳定性高、地面受力均匀，可解决寒冷地区底座与地面冰融化分离问题。采用油缸起升造斜与同步控制技术，实现管柱两端同步滚动将管柱自动输送到动力猫道上。

2.2 动力猫道（图3）

图3 动力猫道

动力猫道采用拉伸式结构，通过液压马达驱动完成猫道送钻柱装置运送钻杆至钻台面，具备上1 根钻具、下3 根钻具的能力；控制系统采用司钻房远程、无线遥控、本地应急3 种控制模式，整机一撬运输。

2.3 铁钻工（图4）

图4 铁钻工

铁钻工采用伸缩臂式结构，可前后伸缩、上下移动、整体回转，能够适应各种规格的钻杆、钻铤的上/卸扣作业，具有司钻房远程、无线遥控、本地应急3 种控制模式，且各模式权限互锁。相比常规的液气大钳，铁钻工更加自动化智能化，使钻工远离井口，提高人员安全性。

2.4 液压吊卡（图5）

图5 液压吊卡

液压吊卡实现-90°～30°翻转，且任意角度位置可停，具有机械安全保险，通过更换补心适应不同尺寸管柱。采用电控液方式，通过司钻房操作面板进行集成远程操控。

2.5 钻台机械手（图6）

图6 钻台机械手

钻台机械手通过伸缩、回转、钳头开合3 个动作可完成常规起下钻立根排放作业，具有下沉或偏移可避让立根台过道，保证正常的钻井作业流程。机械手具有内钻具感知、旋转角度、机械臂伸出长度等信息实时采集，实现钻台手一键去井口，一键排放功能。

2.6 二层台排管装置（图7）

图7 二层台排管装置

二层台排管装置由二层台机械手及动力二层台组成，折臂结构，安装在二层台下方，与二层台一起安装运输。所有运动机构采用电动驱动，回转、行走及伸缩使用伺服电机精准控制，可实现手动、自动两种模式作业。

2.7 双司钻控制系统（图8）

图8 双司钻控制系统

司钻房采用双工位操控方式。配套宝石机械自主知识产权的Idriller 双司钻集成控制系统，采用主、副双司钻并行操作，控制模块一用一备，双工位司钻操作台互备互换，提高集成控制的稳定性及冗余能力，实现包括管柱自动化设备在内的钻机集成化控制，完成了多设备同时作业时的流程管理、位置速度管理、防碰撞管理等。

3 自动化钻机油田应用情况

7000 m 自动化钻机已经分别在新疆塔里木油田、青海花土沟、甘肃庆城、四川威远等地相继开钻作业，截至目前累计钻井深度约40 000 m，钻机配置全套自动化工具，减少钻台面人员配置25%；采用电机直驱技术，提高传动效率9.6%，减轻设备重量10%；IdrillerR双司钻集成控制系统自动化程度高、作业安全可靠；钻机远程在线监测系统，实现设备故障远程专家诊断；配套自动集中润滑系统，实现单井作业免维护。钻机整体运行良好，性能稳定。