管柱自動(dòng)化多設(shè)備高效聯(lián)合作業(yè)研究

李占柱，李滿(mǎn)江，宋 堯

（中石油川慶鉆探有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司裝備部，陜西西安 710021）

0 引言

鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)是鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向，管柱處理自動(dòng)化是鉆機(jī)自動(dòng)化的重要組成部分[1-4]。傳統(tǒng)的石油鉆井作業(yè)具有作業(yè)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，造成人身傷害事件頻發(fā)，作業(yè)人員招聘困難，人員流失嚴(yán)重等制約企業(yè)發(fā)展的因素[5]。從2013 年開(kāi)始，筆者嘗試研究鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)，2018 起陸續(xù)開(kāi)展了鉆機(jī)管柱處理自動(dòng)化技術(shù)的研究攻關(guān)，實(shí)施在役鉆機(jī)管柱自動(dòng)化升級(jí)改造，并相繼聯(lián)合開(kāi)發(fā)了鉆臺(tái)機(jī)械手、動(dòng)力貓道、多功能鐵鉆工等關(guān)鍵設(shè)備，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，提升鉆機(jī)的本質(zhì)安全水平，提高鉆井作業(yè)的安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善鉆井工作條件，減少用工總量。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)管柱處理全過(guò)程的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，解決多設(shè)備聯(lián)動(dòng)、防碰和安全互鎖問(wèn)題，需優(yōu)化設(shè)計(jì)集成司鉆控制系統(tǒng)及部分設(shè)備控制邏輯，實(shí)現(xiàn)單機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)、多機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)、精確互鎖控制，最終實(shí)現(xiàn)管柱設(shè)備聯(lián)合作業(yè)流程化、高效化。

1 在用管柱自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)分析

在役鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)主要由立根自動(dòng)排放系統(tǒng)、井口自動(dòng)化設(shè)備、集成動(dòng)力系統(tǒng)和司鉆集成控制系統(tǒng)等部分組成。其中立根自動(dòng)排放系統(tǒng)主要包括二層臺(tái)自動(dòng)排管裝置、鉆臺(tái)機(jī)械手等設(shè)備；井口自動(dòng)化設(shè)備主要包括鐵鉆工、液壓吊卡、液壓卡瓦等設(shè)備；集成動(dòng)力系統(tǒng)主要由多功能液壓站和控制閥組組成[6-7]；集成控制系統(tǒng)用于對(duì)整個(gè)管柱處理系統(tǒng)的控制，集電、液、氣等各種控制元器件、操作手柄、視頻監(jiān)控、人機(jī)對(duì)話(huà)參數(shù)設(shè)置等軟硬件于一體，是整個(gè)管柱處理系統(tǒng)的中樞。

1.1 管柱自動(dòng)排放流程

起鉆工作流程：

（1）起鉆時(shí)，頂驅(qū)帶著液壓吊卡從井口提起鉆柱到達(dá)指定高度，使用液壓卡瓦卡好鉆具后，絞車(chē)停止。

（2）內(nèi)外鉗工使用遙控器遠(yuǎn)程操作鐵鉆工前移、卸扣、回收或司鉆一鍵式操作完成上述動(dòng)作。

（3）鉆臺(tái)面機(jī)械手伸展至井口，抓住鉆柱的下部，臂架收攏、回轉(zhuǎn)、平移，到達(dá)預(yù)定立根臺(tái)位置，將鉆柱移動(dòng)至目標(biāo)位置，下放游車(chē)坐放鉆具，鉆臺(tái)機(jī)械手回到原位[8]。

（4）二層臺(tái)扶管機(jī)械手伸展至井口扶持鉆柱的上部，打開(kāi)液壓吊卡的活門(mén)，臂架收攏，回轉(zhuǎn)，平移，到達(dá)預(yù)定指梁，將鉆柱移動(dòng)至目標(biāo)位置，回到待機(jī)位置。

下鉆工作流程與起鉆工作流程相反。

1.2 改進(jìn)提升之處

（1）目前雖然二層臺(tái)機(jī)械手采用司鉆分段式一鍵控制，實(shí)現(xiàn)了管柱在井口與二層臺(tái)之間自動(dòng)排放，但空載及帶載時(shí)運(yùn)行速度、軌跡一樣，動(dòng)作單一，未能根據(jù)負(fù)載變化自行調(diào)節(jié)運(yùn)行速度及改變運(yùn)動(dòng)軌跡，未能在空載時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，致使二層臺(tái)排管裝置作業(yè)效率未能進(jìn)一步提高。

（2）鉆臺(tái)機(jī)械手采用電液混合驅(qū)動(dòng)，基本實(shí)現(xiàn)“一鍵式操作”；但其運(yùn)動(dòng)軌跡采用x、y 軸方式與二層臺(tái)機(jī)械手重合，存在空載及帶載時(shí)運(yùn)行速度、軌跡一樣，動(dòng)作單一等問(wèn)題，需要優(yōu)化改進(jìn)。

（3）聯(lián)合作業(yè)時(shí)，管柱交接存在未能根據(jù)各自設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡控制范圍進(jìn)行設(shè)備自動(dòng)切換運(yùn)行、動(dòng)作等不足之處，即管柱自動(dòng)化設(shè)備聯(lián)合作業(yè)時(shí)，只能存在一臺(tái)設(shè)備動(dòng)作，不能形成2 臺(tái)及以上設(shè)備動(dòng)作，因此存在等停時(shí)間問(wèn)題，整體作業(yè)效率未能提升。例如，下鉆時(shí)二層臺(tái)機(jī)械手完成管柱交接，需等到其整套動(dòng)作完成恢復(fù)原始狀態(tài)后，才能手動(dòng)切換鉆臺(tái)機(jī)械手進(jìn)行下一步動(dòng)作。在此期間二層臺(tái)機(jī)械手回收到安全距離、再旋轉(zhuǎn)回到待機(jī)位與手動(dòng)切換鉆臺(tái)機(jī)械手，機(jī)械手運(yùn)行至對(duì)應(yīng)立根臺(tái)區(qū)、伸展機(jī)械臂、抓取鉆桿等過(guò)程可優(yōu)化交叉有序同期動(dòng)作，提高作業(yè)效率。

（4）整套系統(tǒng)安全互鎖精度、機(jī)制有待進(jìn)一步完善[9]。目前整套系統(tǒng)只能根據(jù)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行互鎖，避免多設(shè)備協(xié)同作業(yè)干涉問(wèn)題，未能通過(guò)加裝傳感器、優(yōu)化軌跡算法等形成精確防碰互鎖區(qū)域，因現(xiàn)場(chǎng)管柱尺寸不一，造成設(shè)備往復(fù)運(yùn)動(dòng)、重復(fù)動(dòng)作及等停等情況，工作效率低。

（5）自動(dòng)化鉆機(jī)配置設(shè)備多，操作繁瑣且對(duì)操作人員的綜合素質(zhì)要求較高，影響效率的同時(shí)容易造成誤操作。

2 管柱設(shè)備高效聯(lián)合作業(yè)的目標(biāo)

通過(guò)對(duì)配套的集成控制系統(tǒng)優(yōu)化，對(duì)鉆機(jī)配套的二層臺(tái)機(jī)械手、鉆臺(tái)面機(jī)械手、鐵鉆工、液壓站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)機(jī)具進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、起下鉆等過(guò)程中管柱輸送與運(yùn)移的自動(dòng)化，能達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）整機(jī)安全可靠。設(shè)備運(yùn)行安全區(qū)域劃分優(yōu)化，多設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡空間余量?jī)?yōu)化管理。

（2）少人化、便攜化操作。集成控制，流程化作業(yè)，減輕司鉆工作強(qiáng)度；正常起鉆、下鉆，實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)無(wú)人化及鉆臺(tái)面少人化作業(yè)。

（3）高效作業(yè)。實(shí)現(xiàn)單機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)，多機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)。

3 技術(shù)路線(xiàn)

依照現(xiàn)有自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行狀況，對(duì)單臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備、輔助檢測(cè)裝置及單司鉆集成智能操作系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化提升，使自動(dòng)化設(shè)備聯(lián)合作業(yè)實(shí)現(xiàn)工藝流程化、智能化操作，提高管柱自動(dòng)化設(shè)備作業(yè)效率及操作安全性、便捷化。

3.1 單臺(tái)設(shè)備提效措施

（1）通過(guò)優(yōu)化或提高單臺(tái)設(shè)備常用及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度，提高其設(shè)備設(shè)備工作可靠性及負(fù)載突變的適應(yīng)性。

（2）提高其設(shè)備自身及與集成系統(tǒng)通信的系統(tǒng)抗干擾能力、通用性及減少網(wǎng)絡(luò)延遲，滿(mǎn)足設(shè)備及系統(tǒng)快速響應(yīng)能力。

（3）優(yōu)化設(shè)備自身運(yùn)行匹配速度，使設(shè)備可根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，提高設(shè)備可靠性及使用壽命。

（4）優(yōu)化設(shè)備動(dòng)作姿態(tài)，使設(shè)備可根據(jù)帶載及空載狀態(tài)執(zhí)行不同運(yùn)行軌跡及動(dòng)作?？蛰d狀態(tài)下執(zhí)行多種動(dòng)作即單機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)，減少運(yùn)行路徑及時(shí)間，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

（5）增設(shè)多種傳感器、編碼器及優(yōu)化控制算法，減少空間余量管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)形態(tài)及范圍精確控制、測(cè)量及反饋。

（6）設(shè)備自動(dòng)操作流程優(yōu)化完善，使單臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)司鉆一鍵自動(dòng)或分段一鍵集成操作。

3.2 系統(tǒng)安全設(shè)置優(yōu)化措施

為了減少操作人員數(shù)量，合理規(guī)劃設(shè)備運(yùn)行線(xiàn)路，提高工作效率，減小誤操作安全風(fēng)險(xiǎn)，原則上能夠一鍵智能操作的均采用智能操作，通過(guò)視頻遙控操作，減少人員。通過(guò)加裝各類(lèi)傳感器、編寫(xiě)互鎖程序、優(yōu)化運(yùn)動(dòng)算法及控制，避免多種設(shè)備協(xié)同作業(yè)的干涉風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)記錄、提示報(bào)警、存儲(chǔ)等實(shí)現(xiàn)安全操作及事后事件追溯管理

3.2.1 空間區(qū)域安全管理設(shè)置

根據(jù)多種設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡劃分空間區(qū)域，形成7 種空間安全互鎖區(qū)域，即：高位上碰區(qū)、高位預(yù)警區(qū)、高位區(qū)、中位區(qū)、低位區(qū)、低位預(yù)警區(qū)、低位下砸區(qū)等，通過(guò)加裝編碼器或采用無(wú)線(xiàn)測(cè)距裝置形成絕對(duì)值高度，根據(jù)高度位置反饋，實(shí)現(xiàn)絞車(chē)與二層臺(tái)機(jī)械手、鉆臺(tái)機(jī)械手、鐵鉆工及頂驅(qū)吊環(huán)傾擺等設(shè)備精確位置互鎖控制，同時(shí)建立鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)行控制優(yōu)先接受區(qū)域管理系統(tǒng)的保護(hù)和限制機(jī)制。

3.2.2 自動(dòng)設(shè)備防碰互鎖

各自動(dòng)設(shè)備運(yùn)行前，設(shè)備控制器通過(guò)標(biāo)定的方式，將運(yùn)行編碼器和實(shí)際空間位置進(jìn)行一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲取設(shè)備在實(shí)際中的運(yùn)行精確軌跡，并反饋至集成控制系統(tǒng)。集成控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算判斷，確保各設(shè)備運(yùn)動(dòng)精確重合區(qū)只有一臺(tái)設(shè)備動(dòng)作；設(shè)備一旦離開(kāi)精確重合區(qū)，即可進(jìn)行設(shè)備動(dòng)作。

3.2.3 設(shè)備交接互鎖

各類(lèi)自動(dòng)設(shè)備加裝開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可精確反饋設(shè)備開(kāi)合狀態(tài)，并通過(guò)設(shè)備控制器發(fā)給中央控制器，中央控制器通過(guò)設(shè)置安全互鎖機(jī)制，可根據(jù)各設(shè)備的當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)判定此設(shè)備是否允許開(kāi)關(guān)，避免出現(xiàn)管柱掉落、拉扯現(xiàn)象，確保管柱交接安全。

3.2.4 報(bào)警與存儲(chǔ)

（1）采用防爆聲光報(bào)警裝置進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域和故障報(bào)警。

（2）通過(guò)集成操作界面設(shè)置載荷過(guò)載數(shù)值，當(dāng)電機(jī)過(guò)載后在上位機(jī)提示并記錄當(dāng)前過(guò)載值。

（3）通過(guò)操作界面對(duì)操作進(jìn)行提示，提高操作的安全性。設(shè)備操作過(guò)程中，若不滿(mǎn)足互鎖條件強(qiáng)行操作設(shè)備，則會(huì)在人機(jī)界面彈出相應(yīng)的提示信息，包括：發(fā)生的互鎖事件、無(wú)法動(dòng)作的設(shè)備、以及后續(xù)操作建議等內(nèi)容。

（4）上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄設(shè)備的狀態(tài)和操作指令的執(zhí)行，并將數(shù)據(jù)以報(bào)表的方式呈現(xiàn)，便于事件事后追溯管理。

3.3 集成控制操作優(yōu)化措施

3.3.1 操作界面

根據(jù)單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行分解動(dòng)作單界面設(shè)置運(yùn)行提示對(duì)話(huà)框，起下鉆作業(yè)工況設(shè)置每步動(dòng)作各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示或提示，形成安全、完善的流程運(yùn)行機(jī)制。

3.3.2 聯(lián)動(dòng)提效

通過(guò)完善單臺(tái)設(shè)備功能及可靠性，使所有機(jī)具設(shè)備在自動(dòng)模式下動(dòng)作，集成控制系統(tǒng)收集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)將確認(rèn)命令同時(shí)發(fā)送給不同設(shè)備或者在上一設(shè)備的某一步驟觸發(fā)下一設(shè)備動(dòng)作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的同時(shí)動(dòng)作，同時(shí)在區(qū)域安全管理的前提下，設(shè)置設(shè)備等待位，提高作業(yè)效率；關(guān)鍵步驟手動(dòng)操作或人工確認(rèn)；操作者可隨時(shí)暫停流程進(jìn)行人工干預(yù)。

3.3.3 起鉆聯(lián)動(dòng)狀態(tài)

（1）鐵鉆工與防噴盒。卸扣完成，鐵鉆工臂架縮回與防噴盒前伸聯(lián)動(dòng)，即鐵鉆工臂架回收到與防碰盒運(yùn)動(dòng)軌跡不干涉地方時(shí)，防碰盒自動(dòng)前伸，鐵鉆工繼續(xù)自動(dòng)回收。

（2）防噴盒與鉆臺(tái)機(jī)械手。上體鉆具防噴完成后，防噴盒臂架縮回與鉆臺(tái)機(jī)械手前伸聯(lián)動(dòng)。

（3）鉆臺(tái)機(jī)械手與二層臺(tái)機(jī)械手。絞車(chē)下放使鉆桿落入立根盒，鉆臺(tái)機(jī)械手打開(kāi)手指、臂架回收與二層臺(tái)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至井口位置聯(lián)動(dòng)。

（4）二層臺(tái)機(jī)械手與游車(chē)下放。機(jī)械手抓取鉆桿回收到安全位置后，可游車(chē)實(shí)現(xiàn)下放。

起鉆聯(lián)動(dòng)流程如圖1 所示。

圖1 起鉆聯(lián)動(dòng)流程

3.3.4 下鉆聯(lián)動(dòng)狀態(tài)

（1）二層臺(tái)機(jī)械手與鉆臺(tái)機(jī)械手。二層臺(tái)機(jī)械手送鉆桿完成，臂架縮回與鉆臺(tái)機(jī)械手前伸抓取鉆桿聯(lián)動(dòng)。

（2）鉆臺(tái)機(jī)械手與鐵鉆工。鉆臺(tái)機(jī)械手啟動(dòng)的同時(shí)，鐵鉆工旋轉(zhuǎn)至正對(duì)井口的待機(jī)位；鉆臺(tái)機(jī)械手送桿完成縮回手臂，鐵鉆工前伸上扣。

下鉆聯(lián)動(dòng)流程如圖2 所示。

圖2 下鉆聯(lián)動(dòng)流程

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在役鉆機(jī)管柱自動(dòng)化升級(jí)改造是大勢(shì)所趨，實(shí)現(xiàn)單設(shè)備多軸聯(lián)動(dòng)，多機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)，精確互鎖控制，集成一鍵智能流程化作業(yè)，是提高整套管柱設(shè)備安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

（2）多機(jī)具聯(lián)動(dòng)集成控制，單司鉆多機(jī)具的一鍵聯(lián)動(dòng)，單機(jī)具多軸復(fù)合動(dòng)作及多機(jī)具協(xié)同聯(lián)動(dòng)作業(yè)，均已在現(xiàn)場(chǎng)初步進(jìn)行試驗(yàn)，并基本達(dá)到了目的。

（3）后期開(kāi)展鉆具絲扣清洗及涂抹絲扣油裝置研究試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鉆具絲扣清洗與涂油功能，進(jìn)一步提高井口自動(dòng)化作業(yè)水平，同時(shí)優(yōu)化完善自動(dòng)化設(shè)備互鎖機(jī)制，增加多種途徑測(cè)距、保護(hù)裝置，如電子圍欄、雷達(dá)測(cè)距等設(shè)備，確保多設(shè)備協(xié)同作業(yè)的精確性及安全性。