海洋固定平台管柱处理系统浅析与应用

刘庆丰

（中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州434024）

1 引言

用高性能、高自动化程度的设备装备钻机提高钻井作业效率及钻机整体自动化水平，将操作人员从繁重的体力劳动中解放出来成为了当今自动化钻机的发展趋势。自动化钻机配备的管柱处理系统是一套由多种装置联合作业、模仿人工操作步骤、多工种有序衔接、规范化传输运送、一体化集中控制的智能化系统，石油钻机管柱处理系统完全实现了管柱（钻杆、油管、钻铤、套管）从堆场到钻台、直至二层台全过程自动化控制操作。国内陆地钻机已陆续开始配置管柱自动化处理系统。目前国内海洋移动平台均配备了自动化程度高的管柱处理系统，但管柱处理系统基本被国外制造商所垄断，而海洋固定式平台钻机的自动化作业的程度还很低，尤其是管柱自动化处理系统更是空白。

海洋固定平台钻修机常年矗立于钻采平台，一套钻修机不仅要具备钻井功能，还要兼顾修井功能。钻井和修井的作业工况会有所不同，另外受平台空间的限制，管柱抛接会存在多个方向，加上作业环境恶劣等因素，管柱自动化处理系统必需结合海洋固定平台钻修机的作业特点而研制。

2 主要结构组成

管柱自动化处理系统主要包括动力二层台、导向定位装置、二层台机械手、铁钻工、动力鼠洞、集成控制系统等。

2.1 动力二层台

动力二层台主要由主支撑结构、活动指梁排、指梁门闩、大门门闩、控制阀组等组成，如图1所示。

由于海洋钻井和修井时的管柱直径不一样，因此，二层台的指梁能适应规格2 3/8"油管到5 7/8"钻杆的排放，采用司钻房控制可实现指梁间距自动可调。指梁采用双指梁排结构设计，最大能排放5 7/8"规格的钻杆。指梁排按照钻杆的排放要求布置，每个指梁可以分别调节，通过指梁的调整可满足同时排放不同规格的管柱需要。指梁排中预留有管柱排放缓冲区，用来排放不满一排的管柱，保障管柱在大风恶劣天气的管柱安全。每个活动指梁上都有门闩，整个二层台配有大门门栓和钻铤门闩，均能全自动开闭，保证作业安全，减少司钻操作带来的失误风险。

图1 动力二层台

2.2 导向定位装置

导向定位装置除不具备顶驱，能提供旋转扭矩外，具备与顶驱类似的其他与自动化排管相关的全部功能。液压吊卡与导向定位装置作为自动排管系统的特殊游动部分，由导向定位装置、吊环和液压吊卡三部分组成。

导向定位装置吊装在大钩下方，由本体、导轨、放置装置、液压吊卡与导向定位装置集成控制系统四部分组成。导向定位装置通过导轨进行导向，保证液压吊卡的稳定性和实现前后摆动，同时配备放置装置。

导轨安装在井架上，为导向定位装置本体提供导向定位支撑，同时提供一定的抗旋转扭矩支撑。放置装置是导向定位装置现场安装与放置机构，具备放置导向定位装置和移动导向定位装置两种功能。导向定位装置如图2所示。

图2 导向定位装置

2.3 二层台机械手

二层台机械手主要用于管柱的抓取与排放，采用推扶式、悬挂结构，液压驱动实现机械手的回转、移动、手臂伸缩及钳头夹持，如图3所示。

图3 二层台机械手

2.4 铁钻工

铁钻工是钻修井作业时进行钻杆、油管、钻铤等上卸扣作业的自动化工具，如图4所示。

海洋钻修机通常兼顾钻井和修井作业，铁钻工必须适应油管到钻杆不同管径的管柱不同扭矩要求。铁钻工的各执行部件的液压压力采用电控压力调节阀进行自动调节，系统根据管柱类型与直径，自动调节夹紧力和冲扣与旋扣扭矩，保证管柱安全和减少对管柱的损伤。

图4铁钻工（单位：mm）

2.5 动力鼠洞

动力鼠洞是石油天然气钻修井作业进行管柱自动化处理的配套工具，如图5所示。动力鼠洞由管柱对中机构、夹紧机构、转动座三部分组成。可以夹持和定位规定范围内任意直径和长度的管柱；在配合铁钻工使用时，可以减少副司钻在铁钻工对准管柱中心时的操作次数，从而提高铁钻工接管柱的效率，增加了生产过程中的安全性，降低了劳动强度。

图5 动力鼠洞

2.6 集成控制系统

管柱处理系统由副司钻在司钻房通过控制面板上的手柄、旋钮开关、按键开关等对管柱处理系统配套的自动化设备进行控制。管柱处理系统所有自动化部件的逻辑判断与控制均由集成控制系统完成。通俗点讲，管柱处理系统负责管柱处理系统在作业中的安全，电控系统配合对提升系统的控制，保证作业安全。

管柱处理系统与电控系统之间的数据采用简单的无源节点信号通讯，即管柱处理系统给电控系统需要绞车刹车时的信号，电控系统给管柱系统绞车反馈信号。这样提高了不同控制系统之间数据通信的效率，降低了系统之间不兼容造成的故障率，同时提高了作业安全。

3 应用情况

四机公司集成配套的管柱处理系统于2020-11-13在渤海湾锦州25-1油田WHPB平台首次得到应用，截至2021-02-23，已进入第3口井的钻进，总进尺深度8 950 m，基本实现了二层台的无人化作业。经过3口井的考验，管柱处理系统整体运行情况良好。四机公司根据整个系统在实际作业过程中出现的问题和用户建议也在不断优化和改进，取得了显著的效果。

现场应用中，发现目前存在的主要问题是二层台机械手和铁钻工作业效率没有达到人工的作业效率。机械手从液压吊卡抓取管柱到旋转到二层台安全区域，游车开始下放所用平均时间为35 s。机械手从二层台抓取管柱到完全交接给液压吊卡并回到等待区域所有平均时间为63 s。人工排放管柱所用平均时间为45 s，铁钻工旋扣所有平均时间为80 s，人工采用钻杆钳旋扣所有平均时间为60 s。机械手排管和铁钻工上扣分别如图6和图7所示。

图6 机械手排管

图7 铁钻工上扣

4 结论

国内钻井装备在自动化和智能化方面得到了高速发展，取得了长足的进步，尤其是陆地钻机的管柱处理系统也逐步在完善，而适用于海上作业工况的国产化自动化设备还在起步阶段，但借鉴陆地钻机的成功经验，根据海上固定平台应用，学习国外先进技术，相信未来几年管柱处理系统在海洋钻修机上的运行会越来越成熟。同时，结合实际应用情况，建议管柱处理系统着重以下几个方面进行优化改进：①提高各自动化部件传感器的检测精度，适用海洋环境工况；②分析海洋钻修机所有作业工况，进一步完善导向定位装置的结构，满足作业需求，提高作业效率；③动力二层台指梁为非全指梁门栓，改进指梁结构避免大风作业时，钻杆滑出指梁的风险；④解决铁钻工在旋扣5 7/8"钻杆时打滑问题，旋转扭矩需达到85 kN·m；⑤进一步不仅要增加自动化程度，同时要降低系统故障率。