3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化石油鉆機(jī)的研制

劉靜， 郭小艷， 程曉麗， 張虎山， 劉志桐， 杜永軍

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

隨著石油鉆機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前以保障作業(yè)安全、減少作業(yè)人員數(shù)量、減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提升作業(yè)效率及改善作業(yè)條件等為目標(biāo)的作業(yè)自動(dòng)化和操作智能化石油鉆機(jī)應(yīng)用技術(shù)已日漸成熟，自動(dòng)化鉆機(jī)已經(jīng)開始投入油田工業(yè)化應(yīng)用[1-5]。

目前，配套懸持式、推扶式及組合式等多種形式的管柱自動(dòng)化設(shè)備的5000 m及7000 m自動(dòng)化鉆機(jī)已在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)及應(yīng)用[6]。2016年首套ZJ30DB雙立根自動(dòng)化鉆機(jī)已在大慶油田開始進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)[7-9]，拉開了自動(dòng)化鉆機(jī)在中淺井鉆探作業(yè)中應(yīng)用的序幕。3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)在借鑒前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用超長(zhǎng)單根作業(yè)模式，融合管柱自動(dòng)化、直驅(qū)及智能監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程服務(wù)等多項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)小型自動(dòng)化鉆機(jī)進(jìn)行了新的探索和創(chuàng)新。

1 技術(shù)分析

1.1 總體技術(shù)方案

3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)充分考慮了大慶鉆探用戶的使用習(xí)慣及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，配套超長(zhǎng)單根管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管柱的自動(dòng)化輸送；司鉆集中控制系統(tǒng)，集成及優(yōu)化現(xiàn)有自動(dòng)化裝備，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化操作及控制；小型輕量化電動(dòng)頂驅(qū)、優(yōu)化動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高效作業(yè)、快速移運(yùn)及安裝；配套鉆井液循環(huán)不落地處理系統(tǒng)，滿足綠色環(huán)保的要求。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的傳動(dòng)方案為：鉆機(jī)采用工業(yè)電網(wǎng)（或柴油發(fā)電機(jī)組）作為主動(dòng)力，經(jīng)變頻單元（VFD）驅(qū)動(dòng)交流變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車、頂驅(qū)及鉆井泵工作，采用一對(duì)一控制或一對(duì)二控制。絞車、鉆井泵、頂驅(qū)傳動(dòng)原理圖如圖1所示。

3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的主體結(jié)構(gòu)方案為：井架采用前開口兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，后倒起升及下放，油缸起升，依靠絞車動(dòng)力提升游吊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井架上段伸縮。底座為高低臺(tái)組合，高臺(tái)采用液缸直立起升。較常規(guī)鉆機(jī)省去立根臺(tái)、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)、大小鼠洞及氣動(dòng)絞車等設(shè)備。底座下設(shè)軌道式平移系統(tǒng)，滿足鉆機(jī)叢式井作業(yè)需求。其主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 底座及井架結(jié)構(gòu)

3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)配套的管柱自動(dòng)化系統(tǒng)方案為：管柱自動(dòng)化系統(tǒng)主要由管柱輸送和上卸扣2個(gè)子系統(tǒng)組成。主要設(shè)備由液壓排管架、動(dòng)力貓道、輸送機(jī)械手及軌道式鐵鉆工等設(shè)備組成，具體如圖3所示。作業(yè)時(shí)管柱從地面經(jīng)液壓排管架輸送至動(dòng)力貓道，再由輸送機(jī)械手舉升至豎直狀態(tài)，將管柱交給頂驅(qū)及液壓吊卡。

圖3 管柱自動(dòng)化系統(tǒng)

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：名義鉆深為3000 m（φ114 mm鉆桿），最大鉤載為1800 kN，游動(dòng)系統(tǒng)繩系5系鉤，絞車額定功率為600 kW，井架有效高度為25 m，底座高度為5 m，卡瓦支撐盤開口尺寸為952.5 mm，鉆井泵功率為1600 hp，頂驅(qū)功率為400 kW，頂驅(qū)最大卸扣轉(zhuǎn)矩為80 kN·m，適用管柱直徑為73～340 mm，適用管柱長(zhǎng)度為8.0～13.5 m。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 抓舉式超長(zhǎng)管柱輸送技術(shù)

鉆機(jī)采用最長(zhǎng)13.5 m的超長(zhǎng)單根進(jìn)行鉆井作業(yè)，運(yùn)用抓舉式輸送機(jī)械手可將位于動(dòng)力貓道上處于水平狀態(tài)的管柱直接輸送至井口，變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，并交給液壓吊卡，完成管柱從地面到井口的狀態(tài)變化及輸送。該模式省去管柱排放過(guò)程，操作簡(jiǎn)便，輸送效率高。抓舉式管柱輸送系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 抓舉式管柱輸送系統(tǒng)

2.2 管柱上卸扣一體化技術(shù)

將上卸扣、絲扣油涂抹及泥漿防噴等功能集成到鐵鉆工中，形成一體化軌道式鐵鉆工，完善了上卸扣所必需的輔助功能，解決了傳統(tǒng)作業(yè)采用人工涂抹絲扣油及泥漿污染鉆臺(tái)面的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)緊湊，省時(shí)、省力、綠色環(huán)保。

2.3 交流變頻直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)

鉆機(jī)采用大轉(zhuǎn)矩變頻電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車、頂驅(qū)及鉆井泵三大設(shè)備。直驅(qū)模式省去了體積較大的機(jī)械傳動(dòng)部分，提高了傳動(dòng)效率，減少了設(shè)備故障及維護(hù)點(diǎn)，杜絕了潤(rùn)滑油泄漏及污染，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

2.4 智能防碰、防振和安全互鎖技術(shù)

為防止設(shè)備交叉作業(yè)時(shí)發(fā)生碰撞，通過(guò)安裝在設(shè)備上的位置傳感器，采用空間位置解算方法，開發(fā)了設(shè)備動(dòng)態(tài)區(qū)域管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)設(shè)備的防碰管理。通過(guò)設(shè)備中的多種傳感器和編碼器檢測(cè)設(shè)備位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，并在控制程序中對(duì)工況進(jìn)行分析，應(yīng)用PID速度控制算法，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制，有效抑制振動(dòng)，在不降低效率的同時(shí)達(dá)到高效、安全作業(yè)的目的。為確保鉆機(jī)的操作安全、流程實(shí)現(xiàn)正確、交接可靠，開發(fā)了作業(yè)過(guò)程中多個(gè)單元設(shè)備間的智能互鎖程序[7]。

2.5 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程服務(wù)及故障診斷技術(shù)

通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置，經(jīng)無(wú)線傳輸技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備共計(jì)80余項(xiàng)參數(shù)通過(guò)4G信號(hào)發(fā)送至鉆機(jī)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)測(cè)。同時(shí)在鉆機(jī)服務(wù)中心應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和自學(xué)習(xí)算法，可提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，為自動(dòng)化鉆機(jī)安全運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)提供理論及技術(shù)保障[10]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)計(jì)制造完成后，在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司配套井場(chǎng)進(jìn)行了組裝調(diào)試試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到試驗(yàn)大綱要求，獲得用戶的肯定，驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)方案的合理性和先進(jìn)性。

2019年4月，鉆機(jī)在大慶地區(qū)由尖刀1202鉆井隊(duì)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。截止到2019年12月，已完成15口井鉆井作業(yè)，累計(jì)進(jìn)尺超過(guò)19 216 m，平均起下鉆桿時(shí)效達(dá)20 柱/h。鉆機(jī)相對(duì)于常規(guī)鉆機(jī)每個(gè)生產(chǎn)班減少操作人員2人；取消了高空作業(yè)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了操作人員人身安全；司鉆對(duì)鉆井設(shè)備、司助對(duì)管柱處理設(shè)備在司鉆房?jī)?nèi)集中控制，使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，最大限度地降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；減少了建立柱和甩鉆具環(huán)節(jié)，節(jié)省了時(shí)間。通過(guò)對(duì)11口井時(shí)效分析對(duì)比，鉆進(jìn)時(shí)間較常規(guī)ZJ30鉆機(jī)少，且隨著井深的增加鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì)愈加明顯；鉆機(jī)總體單井時(shí)效與ZJ30鉆機(jī)基本相當(dāng)。從應(yīng)用情況看，該鉆機(jī)操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，故障停機(jī)時(shí)間少。

4 結(jié) 論

1）介紹了3000 m超長(zhǎng)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的系統(tǒng)組成，分析了其主要結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)；2）抓舉式管柱自動(dòng)化系統(tǒng)，無(wú)需建立根，省去排放立根環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化作業(yè)流程，可靠性高；3）直驅(qū)傳動(dòng)模式簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了鉆機(jī)效率；4）設(shè)備遠(yuǎn)程服務(wù)及故障診斷技術(shù)針對(duì)性強(qiáng)，可為用戶安全、高效的使用鉆機(jī)設(shè)備提供支持，是自動(dòng)化鉆機(jī)發(fā)展的方向之一。