管柱自动化技术在石油钻机中的应用

罗健，刘传世，杨中兴，白德宇，李操，贾墨

（1.中国石油技术开发有限公司，北京 100028；2.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300450；3.中国石油国际事业有限公司，北京 100033）

石油是国家工业发展的血液。经过几十年勘探及开采，当前我国油气资源的开发正向更深更复杂地层以及海洋前进，对石油钻机的性能要求越来越高。常规钻机在管柱（钻杆、钻铤或套管）处理作业中，主要依靠气动绞车、液压大钳、手动吊卡等机械设备，在管排区、钻台面、二层台工作人员的操作下完成管柱处理。对钻深5000m及以上的油井，钻井周期长、地层结构复杂，钻头消耗快、测井频率高、起下钻频繁。据统计，管柱处理作业约占钻井作业总时长的30%，复杂井况下甚至达到50%。管柱处理人员长时间处于室外，井架工露天高空作业，钻台工需时刻提防高空坠物、机械碰撞，劳动强度大、危险系数高、工作环境恶劣，改善工作环境、提升HSSE管理，需求迫切。

管柱自动化技术起源于20世纪40～50年代欧美等发达国家，最早应用于海洋石油钻井，用以解决海洋气候恶劣、人工成本高、作业风险大等问题。随着管柱自动化技术的不断发展，该技术也被逐渐应用于陆地石油钻机，用以改善工作环境、减少作业人员数量、提升HSSE管理水平、提高钻机自动化程度。

1 管柱自动化技术

钻井作业过程中需要频繁、重复的进行管柱输送、立根的建立与拆解、立根摆放，根据操作时序对作业动作进行分解，对管柱的运动顺序和路径进行规划，通过多种设备的联合作业、有序衔接、规范化传输、一体化集中控制，实现管柱处理自动化。管柱自动化处理系统按功能划分为管柱输送系统、建拆立根系统、立根排放系统和集成司钻系统4个部分。

（1）管柱输送系统主要由液压排管架、动力猫道、液压吊卡、缓冲机械手组成，用于实现管柱从排管区至钻台面的输送和回收。通过远程控制液压排管架油缸实现排管架顶升、造斜，将管柱平稳有序的输送到动力猫道V型槽中；动力猫道通过拉升或者举升等方式，将管柱提升到与钻台面相近的高度，并通过输送臂上的滑车将管柱推出输送臂V型槽；液压吊卡在操作者的远程控制下实现本体翻转、夹持管柱上端、上提管柱作业；缓冲机械手扶持管柱下端，在管柱末端离开猫道输送臂后，将管柱平稳的输送到井口或者鼠洞的上方，并最终下放到井口或者鼠洞中。管柱回收过程将上述操作步骤逆向操作。

（2）建拆立根系统由液压吊卡、缓冲机械手、铁钻工、动力卡瓦组成，用于完成管柱立根的自动化建立与拆解。液压吊卡和缓冲机械手配合动作，将管柱提升至井口或者鼠洞上方，并完成与待连接管柱的对中；铁钻工具有自动定位井口或鼠洞位置、自动检测扭矩的能力，通过远程控制，“一键”完成标定直径范围内管柱的上卸扣作业，钳体整体浮动、升降范围大，可以满足多种工况需求；动力卡瓦用于卡持管柱，替代人工上提、下放卡瓦的工作。

（3）立根排放系统由钻台面机械手、动力二层台和二层台机械手组成，用于实现立根自动排放。钻台机械手通过伺服电机或者液压驱动，推扶立根下端，将立根在立根台、井口、鼠洞之间移送；二层台机械手夹持立根上端，与动力二层台配合动作，将立根上端移送到二层台指梁适当位置，完成立根排放。该系统解放了二层台井架工，实现二层台无人值守（图1）。

图1 管柱自动化系统的设备布局

（4）集成司钻系统包含电控系统和液压系统，用于实现对排管架、动力猫道、液压吊卡、铁钻工、钻台机械手、二层台机械手等设备的远程集中操控，统一信息管理，有序衔接工序，并通过动态数据采集监测，将各设备的运行状态反馈给操作者，实现人机交互、防碰互锁、故障诊断功能。

2 管柱自动化技术在石油钻机中应用效果

（1）改善作业环境，降低劳动强度。常规管柱处理作业，操作者长时间处于户外，饱受严寒酷暑、雨雪风沙、泥浆油污等的折磨；单根管柱重量通常在几百公斤，管柱处理时操作者劳动强度大。管柱自动化技术成功实现“机器换人”的目标，从根本上改善了作业环境、降低了劳动强度，实现安全、健康钻井。中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司ZJ50D钻机在应用管柱自动化技术后，从2017年9月开始作业施工的头4口井，操作者劳动强度减少90%以上。

（2）有效减少操作者的数量、提升HSSE管理水平。常规钻机管柱处理过程，需排管区、钻台面、二层台多组工作人员协同工作，不间断的管柱循环输送作业极易使操作人员产生乏味、疲劳，进而引起操作失误和事故。采用管柱自动化处理系统后，操作人员远离钻台面、井口、二层台等危险区域，只需1名操作人员在司钻房中通过集成司钻系统对各型设备进行远程集中操控，使得管柱作业由人工参与变成人工控制，从而让工人远离危险区域，作业安全性得到极大提升。

（3）提高钻机自动化水平。尽管国内外常规钻机仍占主流，但随着人工成本的增长、“以人为本”的工作理念的深入、HSSE要求的不断提高，钻机自动化已成为钻机发展的重要方向。管柱处理自动化作为自动化钻机重要特征之一，对提高钻机自动化至关重要。从长远看，自动化是实现安全、智能、提高市场竞争力的重要保证，尤其是在西方国家、作业风险高、作业环境恶劣及作业人员短缺的地区。

（4）国内管柱自动化处理系统目前在役钻机中应用相对较少，与常规钻机管柱处理效率比，其作业效率优势不明显，但随着该系统应用范围的扩大、使用经验的增长、相关设备的进一步改进等，该系统的稳定性和作业效率必将得到不断提高。

3 在役钻机管柱自动化改造注意事项

新制钻机可以根据客户需求对管柱自动化处理系统进行设计和配套。在役钻机根据客户需求和钻机自身情况，从经济性和适应性方面考虑，对其进行管柱自动化改造升级是一条可行之路，可以选择配套动力猫道、铁钻工、钻台机械手等关键设备，实现钻柱自动化处理系统全部或部分功能。在改造过程中需要注意事项如下：

（1）基于司钻房现有的空间，对新增设备的操作进行合理布局。如果司钻房空间相对宽松，可增配集成控制操作箱；如果司钻房空间紧张，无处摆放独立操作箱，改造原有的司钻操作台，通过加装操作显示屏、控制开关、多功能手柄等，对其进行“插空式”布局，达到控制新增设备的目的。

（2）根据增加的管柱设备情况，合理布局其安装位置，规划新增电缆、液压管线走线路径，增配相应的CCTV监控系统，对原有液压站及电力系统进行核算，以确保其满足增加的管柱设备需求。

在役钻机改造升级后，要保证新增设备与原钻机的良好配套，最大程度发挥新增设备的作用。

4 结语

本文详细描述了管柱自动化技术作业流程和所需作业设备，并通过该技术在钻机中的应用效果，证明该技术可以有效改善作业环境、降低劳动强度，对提升HSSE管理水平、提高钻机自动化程度具有重要实用价值，并对在役钻机管柱自动化改造注意事项进行说明。