陆地钻机钻杆自动化处理系统方案设计

白丙建,谭刚强,栾 苏,杨海刚,刘春宝

(1.宝鸡石油机械有限责任公司,陕西 宝鸡721002;2.国家油气钻井装备工程技术研究中心,陕西 宝鸡721002;3.川庆钻探工程有限公司,成都610051)

陆地钻机钻杆自动化处理系统方案设计

白丙建1,2,谭刚强3,栾 苏1,2,杨海刚1,2,刘春宝1,2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司,陕西 宝鸡721002;2.国家油气钻井装备工程技术研究中心,陕西 宝鸡721002;3.川庆钻探工程有限公司,成都610051)

钻杆自动化处理在提高钻井效率,降低钻井工人劳动强度方面效果明显。介绍了国内外陆地钻机钻杆处理的发展现状。提出一种适用于陆地钻机的钻杆自动化处理系统总体设计方案,能对钻杆进行地面到钻台的传送、上卸扣操作、钻台区立根传送,实现自动化操作。

钻杆排放装置;自动化系统;方案

在钻井作业过程中需要进行大量的钻杆处理作业。这些作业主要包括:钻杆的放置、移送到钻台、顶驱钻进时接立根、起下钻时排放立根以及完钻后卸立根、甩单根等操作。传统钻机的钻杆处理作业是由二层台井架工、钻台钻工、司钻等多人协作完成,存在高危险性、高劳动强度、低作业效率等问题。

近年来,随着对钻机自动化、智能化、无人化操作需求的日益提高,国内陆地钻机陆续开始研制配套钻杆自动化处理工具,例如用于钻杆输送的动力猫道、用于上、卸扣的铁钻工、用于立根排放的二层台机械手等。但是,目前国内钻机还没有整套钻杆处理系统。针对这一现状,有必要研究设计一套适用于钻杆处理的自动化系统,以满足钻井作业提速、增效、安全的需求。

钻杆自动处理系统能够通过远程控制的机械化设备来完成上述钻杆处理作业。该系统结合液、气、电和微机控制,实现钻杆在钻台与地面之间的自动输送、排放、储运等[1],以机械化设备替代钻工来完成钻杆处理作业,避免了传统的用钢丝绳提吊钻杆上、下钻台等高危险操作,使钻工远离高危作业区域,同时大幅降低了钻工的作业强度。

1 国内外钻机钻杆处理发展现状

1.1 国外现状

在国外,钻杆处理系统设计开发起步于20世纪40年代,目前产品已呈现多样化和系列化的发展趋势[2],基本都是动力猫道、铁钻工、立根排放机械手组合来完成整个钻杆处理作业。在海洋平台方面,具有代表性的公司有美国的NOV公司,挪威的MH公司。NOV公司的立柱式排管系统主要包括低位轨道、导向臂、吊卡、立柱、夹持臂及夹持钳等,它与铁钻工配合完成钻杆接立根和立根的排放作业,其指梁一般采用星型;MH公司的桥式排管机主要包括纵向轨道、横向轨道、夹持臂及夹持钳等,它与低位扶正手配合完成钻杆立根排放作业,其指梁一般采用X-Y型。在陆地钻机上,威德福公司开发的铁井架工管子处理系统(Iron Derrickman Plus Pipe-Handling System)可用于立根排放作业,部分特种钻机(煤层气钻机、斜井钻机)上配套有用于钻杆输送的机械手。

1.2 国内现状

在国内,近几年陆续有厂家在研制钻杆处理的单元设备,例如宝鸡石油机械有限责任公司生产的TZG140S型铁钻工、DM9型动力猫道、TJG9 3/4-10型自动井架工等;四川宏华石油设备有限公司生产的LM-120型铁钻工、钻柱输送装置;烟台杰瑞公司生产的高空智能排管系统;胜动集团石油机械公司生产的系列管杆自动运输机。上述设备部分已发往油田进行工业性试验。但是,国内大多数油田钻机还没有配套钻杆自动化处理设备,仍采用传统的钢丝绳提吊钻杆上、下钻台,用液气大钳上、卸扣,用风动绞车拖拽配合人力推拉排放立根。一整套适用于钻杆处理全程自动化的系统在国内尚未投入使用。

2 钻杆自动化处理系统方案设计

2.1 总体方案及参数

针对国内钻井作业的需要,开展钻杆自动化处理系统的研究势在必行。本文通过借鉴国内外各类钻杆处理设备的结构特点,提出了一种适合于陆地钻机的钻杆自动化处理系统设计方案,如图1。

图1 钻杆自动化处理系统方案示意

系统主要技术参数:

传送速度(钻杆从钻杆盒到建一立根存入指梁)12柱/h

适用单根钻杆长度 8～11 m

适用立根(三单根一立根)钻杆长度 27～29 m

立根最大质量 1 500 kg

适用钻杆直径73.0～168.3 mm(28～68英寸)

最大卸扣转矩 70 k N·m

钻杆立根排放最大作业半径 4.3 m

自动井架工回转角度 ±170°

液压系统压力 16 MPa

2.2 方案说明与流程描述[3]

如图1所示,钻杆自动化处理系统主要由猫道、举升机械手、钻杆盒、电液控制系统等11个部分组成。立根架固定安装在常规钻机大门坡道旁边,在立根架内安装了用于扶正钻杆单根的扶正夹头、用于旋扣或紧扣的液压大钳、用于提钻杆的提升滑车以及钻杆的悬持夹头;在立根架的正前方固定安装有猫道,在猫道内装举升机械手;在猫道的一侧布置有钻杆盒;在钻机井架上安装有气动的新型二层台,在二层台下方悬吊安装有自动井架工。整套系统的操作由电液控制系统完成,液压系统为各设备或执行机构提供液压动力,电控系统根据程序及各部件的传感器信号对整套系统进行操作控制,系统控制台设在钻机司钻房内。

钻杆自动化处理系统的具体作业流程包括3个阶段:

1) 单根钻杆的地面传送 将装满钻杆的钻杆盒置于猫道侧图示位置,操作钻杆盒的提升梁将钻杆滚入猫道中间的举升机械手卡爪内,卡紧后机械手在油缸的作用下举升,将单根钻杆直立在立根架内。

2) 单根连接为立根 立根架内提升滑车下行,滑车卡钳夹持钻杆后举升机械手回位;提升滑车上行约1根单根高度,举升机械手举升第2根钻杆后,提升滑车下行使第1根钻杆与之对好扣,液压大钳分别夹持上、下钻杆的下、上接头后,举升机械手回位,扶正夹头扶正,通过液压大钳将第1和第2根钻杆连接成双根;之后松开扶正夹头和大钳,提升滑车,继续上提双根约1根单根高度;机械手举升第3根钻杆后,同理完成第3单根的连接,至此整个立根连接完成;悬持夹头夹持连接好的立根,提升滑车卡爪松开,下行约1根单根高度再夹持立根;提升滑车夹好立根后,悬持夹头松开,提升滑车将整个立根上提到钻台面上,等待安装在新型二层台下方的自动井架工抓取。

3) 立根钻台区传送 自动井架工在立根架内抓取已连接好的立根,提升滑车松开卡爪后,将立根转移到所需要的位置(二层台指梁内或井口)供钻井作业使用。

上述作业流程是从钻杆盒的钻杆单根输送到在立根架内建一立根并存入二层台指梁的过程。在钻井完成后甩钻杆作业为其逆过程,在此不再赘述。

该钻杆自动化处理系统不同于现有的操作模式,钻杆上、下钻台,接、卸立根均不需占用顶驱及井口工具,使得钻杆处理和钻井过程可并行,从而节省大量钻井辅助时间,提高了钻井效率;钻杆输送及立根处理均为机械化远程操作,不需工人在危险区域作业,避免发生人身事故。

3 结语

1) 在石油钻机领域,特别是陆地石油钻机领域内,钻杆全程自动化处理系统还是一个新生事物。但是,随着石油钻机自动化、智能化、无人操作化程度的日渐提高,以及HSE管理体系的发展需要,钻杆自动处理系统的应用和普及必将是大势所趋。

2) 该钻杆自动化处理系统特别适用于深井和超深井陆地钻机的钻杆自动化处理作业。

3) 本文提出的钻杆自动化处理系统打破了从井架大门坡道上、下钻杆,在钻台面建立根的常规传统模式,引入立根架这一全新的设备来完成钻杆的输送,接、卸立根等钻杆处理作业,避免了作业人员与钻杆的直接接触,降低了钻井人员的劳动强度,改善了钻井作业的工作环境。

4) 通过部分设备的局部更改或优化,该系统还可适用于钻铤的作业处理。

[1] 尹晓丽,牛文杰,张中慧.钻杆自动传送系统及设计方案[J].石油矿场机械,2009,38(7):42-46.

[2] 刘文庆,崔学政,张富强.钻杆自动排放系统的发展及典型结构[J].石油矿场机械,2007,36(11):74-77.

[3] 白丙建,贾秉彦,樊春明,等.一种用于钻杆接立根的装置:中国,201220274200.2[P].2013-01-16.

Design Tentative of Automatic Drill Pipe Handling System in Land Rig

BAI Bing-jian1,2,TAN Gang-qiang3,LUAN Su1,2,YANG Hai-gang1,2,LIU Chun-bao1,2
(1.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center,Baoji 721002,China;3.Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China)

Automatic drill pipe handling made favorable effect in improving the drilling efficiency and lightening the drilling workers labor intensity.The present development states of automatic drill pipe handling abroad is introduced in this paper and a design tentative of automatic drill pipe handling system in land rig is brought.This system can finish automatically drill pipe transmission and screwing up and screwing off and three-joint unit transmission.

drill pipe racking back device;automatic system;project

TE928

A

1001-3482(2014)02-0086-03

2013-08-29

中石油科学研究与技术开发项目“钻机管柱自动化处理系统的研究与应用”(2011B-4301)

白丙建(1979-),男,四川绵阳人,工程师,2003年毕业于西南石油大学机械设计制造及其自动化专业,现从事石油机械产品研发工作,E-mail:baibj163@163.com。