在役钻机管柱自动化排放装置配套技术研究与应用

李占柱，王瑞成，李 勇，李满江，宋 尧

(中石油川庆钻探公司 长庆钻井总公司，西安 710021)①

在石油钻井作业过程中，需要将钻杆由二层平台入口移至立根盒或从立根盒移至井口，并需往复操作。传统钻机的操作方式需要井架工站在二层台猴道控制钻杆，将钻杆从钻杆架中移进或移出。移动钻杆立根时，需要二层台上的井架工伸手到井口中心位置将立根送到游车上的吊卡内(或拆下来) ，并且还需在指梁与井口中心之间不断移动立根。这种作业方式的工作重复性高、劳动强度大、危险系数较高，生产效率低。据国际钻井承包商协会统计，30%～52%的伤亡事故发生在起、下钻过程中，且耽误了大量的钻修井作业时间[1-2]。

针对传统钻井作业存在的问题，亟需配套井口自动化设备替代人工操作，实现钻井作业少人化、无人化，降低安全隐患，并提升钻井服务质量、提高钻井作业效率。

目前，新钻机有成熟的管柱自动化设备配套技术方案。在役钻机受井架、强度、空间及司控房配置的影响，暂无良好的解决方案。在役钻机占各钻探公司钻机数量的98%以上，对现有钻机进行升级改造，使其朝着智能化、自动化、无人化方向发展是钻机的发展趋势[3-8]。

1 管柱自动化排放装置

1.1 总体方案

在役钻机自动化管柱排放装置主要包括电动二层台扶管机械手、液压吊卡和钻台面提管机械手。利用原钻机司控房，集成自动控制系统，实现单司钻一键式智能操作。二层台和钻台面管柱自动排放，管柱上下钻台在井口与大门坡道间推扶，立柱在立根盒与井口之间推扶。二层台利用扶管机械手，实现无人值守，降低了员工的劳动强度，提高了作业安全性。

为了满足钻机自动化改造的要求，新制(改造)二层台，与原有井架配套安装。实施前需对井架改造方案进行强度校核，符合API Spec 4F 《钻井和修井井架、底座规范》的要求[9]。现场对钻台立根盒和钻台面进行改造，满足钻台面机械手安装和立根排放要求。

1.2 工作原理

自动化管柱排放装置在起钻作业时，顶驱带着液压吊卡从井口提起钻柱，到达指定高度后停止；钻台面提管机械手伸展至井口，抓住钻柱的下部，臂架收拢，回转，平移，到达预定立跟盒位置，将钻柱移动至目标位置；下放游车坐放钻具，钻台机械手回到原位；然后，二层台扶管机械手伸展至井口，扶持钻柱的上部，打开液压吊卡的活门，臂架收拢，回转，平移，到达预定指梁，将钻柱移动至目标位置，回到待机位置。下钻作业时，工作流程与起钻作业相反。

1.3 主要技术参数

适应管径

钻杆

钻铤

二层台容量

ø127 mm(5英寸)钻杆

180柱

8柱

最大管柱质量

10 t

操作半径

2 600 mm

外形尺寸

8 600 mm×3 300 mm×3 000 mm

2 装置配套

2.1 二层台扶管机械手

二层台扶管机械手由二层台和机械手2部分组成，如图1所示。二层台包括二层台框架、指梁、舌台、栏杆和维修架等，并采用钻铤锁、指梁锁等安全机构保证作业安全；机械手安装在二层台猴道的轨道中，由防爆伺服电机控制机械手平移、回转、伸展及抓手开合。抓手可张大或缩小，以适应不同外径的钻具。二层台扶管机械手与普通二层台具有互换性，随井架起升。当设备出现故障时，机械手各部件可手动调整姿势和开合抓手，方便快速恢复至人工作业模式。由于二层台扶管机械手采用伺服电机驱动，结构简单，总体质量与普通二层台相当，满足井架的强度要求[8]。

图1 二层台扶管机械手结构示意

2.2 钻台面提管机械手

钻台面提管机械手主要由臂架系统(提管机械手)、行车总成、底座总成、滑车总成、控制系统和液压系统等组成，如图2所示。钻台面机械手自带辅助立根盒，整体落在原立根盒上，根据现场要求，对原钻台面进行适应性改造，超出原立根盒约200 mm；为了排污和清洗方便，整体侧移式行车轨道高出辅助立根盒约250 mm；为了不影响原钻机的人工作业模式，机械手安装位置和运动轨迹避开台面立根、动力大钳等设备。机械手非作业工况时，停放在待机位，可避让下套管、猫道上钻杆等工况，且不影响人工作业，不妨碍司钻室操作视线。排管送管过程具备司钻一键自动操作功能，实现钻具和套管上下钻台下部在井口或小鼠洞与大门坡道口之间的推扶，立柱在立根台与井口之间的推扶，能配合坡道拉升式动力猫道作业，对立柱和套管只扶不提。钻台面提管机械手代替了钻台面人工扶管作业，提高了作业效率及安全性[10-11]。

图2 钻台面提管机械手结构示意

2.3 液压吊卡

液压吊卡由吊卡本体、翻转机构、控制系统等组成，可实现管柱的提升和下放，吊卡的开合及翻转，如图3所示。液压吊卡采用液压驱动，实现司控房远程操作和状态监控。吊卡活门开关灵活，锁紧可靠，使用安全，可实现向前≤90°翻转；电磁阀控制箱安装在顶驱上，电磁阀采用24 V直流供电；并配置了防坠落装置及液压载荷、机械载荷保护装置。

2.4 司钻集成控制系统

控制系统由中央控制单元和伺服控制单元组成[12]，配置触摸屏工业计算机，用于控制全套自动化设备，实时动画显示设备状态信息，其操作界面如图4所示。配置视频监控摄像头，用于观察二层台机械手、液压翻转吊卡和钻台面机械手的工作状态，视频信号集成到钻机工业监控视频系统，画面可根据工况切换。系统具有参数设置、故障诊断、数据存储功能；具备二层台机械手、液压翻转吊卡、钻台面机械手的远程控制功能。

3 技术改造与安全措施

3.1 主要部件改造

1) 制作二层台扶管机械手、钻台面提管机械手、液压吊卡[13]。

2) 重新制造(或改造)二层台，与原有井架配套安装，且符合API Spec 4F 《钻井和修井井架、底座规范》的要求。

3) 对原司控房的控制系统进行升级改造。将二层台扶管机械手、液压吊卡、钻台面提管机械手集成到司控房控制，预留铁钻工、动力猫道及动力卡瓦备用的控制接口。

4) 配置视频监控设备，信号集成到钻机原有视频监控系统。

5) 对原司控房控制面板进行改造，安装自动化设备操作硬件，如图5所示。

6) 增加移动式独立操作台。操作台的支架可伸缩、旋转，使用时将操作台拉近，不用时推开，如图6所示。

3.2 安全互锁

1) 二层台机械手与绞车互锁控制。在钻机盘刹紧急制动控制气路上串联一个电磁气阀，当二层台机械手到达井口上方干涉区域内，控制器发出制动信号，电磁阀得电，盘刹工作钳和安全钳同时工作，刹住绞车；当二层台机械手离开井口上方干涉区域后，控制器复位刹车信号，大钩正常上、下工作；当游车位置在二层台之下时，禁止二层台机械手伸出猴台范围，其位置信息来源于绞车滚筒编码器。

2) 解锁。在操作台面板上安装复位硬开关解锁，同时在显示屏服务界面(通过密码进入)加入强制解锁“软开关”。

3) 液压吊卡与绞车互锁控制。用液压吊卡关门的开关信号(位置信号)控制刹住绞车。当管柱进入液压吊卡后，液压吊卡执行关门动作，活门未关闭到位时，绞车无法上提、下放游车。

4) 二层台机械手与顶驱伸缩臂互锁控制[14-15]。在顶驱操作面板的机械臂控制开关上面串联常闭互锁触点，二层台机械手到达井口上方危险区域时，中间继电器得电，机械臂输入控制开关失效，限制吊卡随顶驱伸缩液缸移动。不使用二层台机械手时，顶驱机械臂动作不受影响。

5) 二层台机械手与液压吊卡互锁控制。在起钻模式下，且仅有二层台机械手抓手检测到有管柱，将机械手完全关闭后，液压吊卡方可打开，完成管柱交接；在下钻模式下，液压吊卡内有钻具且吊卡完全关闭后，二层台机械手方可打开，完成管柱交接工作。

6) 指梁锁与二层台机械手互锁[16-17]。起钻时，机械手对准目标指梁后，只有对应指梁锁打开后，臂架才能伸展；下钻时，机械手抓住钻杆后，只有对应指梁锁打开后，臂架才能收缩。

4 技术特点

1) 与国内双人司控房idiller管柱自动化控制系统相比，司控房单司钻 “一键式”智能管柱处理系统，降低了员工劳动强度、现场作业安全风险及现场作业的可操作性，且减少了作业人员，可应用于在役钻机的自动化改造。

2) 高空智能排管机械手预设智能路径，代替井架工完成管柱二层平台指梁和井口中心往复移动，可实现无人化操作；机构优化设计，与原二层台可互换，无需对钻机再次改造；伺服控制，一键操作，实现高精确排管，一次抓、取成功；保留原人工作业模式，出现故障后不影响原有手动排管作业模式。

3) 钻台面提管机械手采用模块化设计，除满足钻杆的容量的立根盒外，方便安装、拆卸及井场搬家运输，满足井场车辆尺寸要求。

4) 钻台提管机械手整体操作以司钻房为主，实现单司钻一键智能操作；运动轨迹与在二层台运动轨迹合二为一，系统融合，智能定位；采用弧形立根盒台面，钻杆自重定位；控制系统与现有二层台控制集成，自动切换控制模型。

5 现场应用评价

1) 降低钻井施工过程中管柱处理作业风险。 钻机自动化处理系统主要设备实现了司钻一键式智能操作，避免了双司钻协同作业沟通配合不当带来的风险。系统互锁功能完善，避免了各设备之间交接配合不当带来的风险，同时整套设备使用范围广，基本满足井队施工的各种工况，避免了人工直接参与作业，降低人员操作安全风险，安全风险大幅降低，安全管理省心。

2) 省人、省力降低了人力成本。自动化钻机按设计配套齐全并投入使用正常后,在常规起下钻作业中，比同类型普通钻机节省1～2人，在接立柱等非常规作业能节省3～4人，且劳动轻度明显降低，现场2个钻井队的对比如表1所示。

表1 起下钻工况与接立柱工况用工对比 人

3) 自动化控制单元可自由选配，适合所有类型钻机所需配置。 管柱自动化系统适用于在役钻机自动化升级改造，可根据实际需求自由选择各单元设备配套使用，经现场不同类型钻机的应用实践表明，起下钻效率略低于常规钻机,接立柱效率与常规钻机持平,钻进时接立根运行效率高于常规钻机。

4) 作业模式切换便捷，确保作业连续。 管柱自动化处理系统不改变现有钻井工艺流程，在设备出现故障，无法快速排除故障时，可随时切换至人工操作模式继续作业，不影响作业时效。

6 结论

1) 在役钻机管柱自动化排放装置配套技术，立足于钻机不回厂，在现场对钻机进行改造集成，并利用原司控房对控制系统进行升级改造。

2) 该技术实现了二层台扶管机械手和钻台面提管机械手配合作业，能够自动完成抓取、移动和排放钻柱，代替了井架工和钻台内外钳工，减少了危险区域作业人数，提高了钻井效率，安全性能好，减轻了劳动强度。

3) 配套的二层台扶管机械手和模块化钻台面提管机械手，适用于在役陆地钻机的自动化改造。