钻井自动化装备“一键联动”系统

成小强

（中国石油集团西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依 834009）

0 引言

近年随着国内钻井装备的高速发展，逐步从机械化、电动化向自动化、智能化转变。然而，要实现真正意义上的智能化，实现无人操作，不仅需要自动化设备、通信设备、监控设备的组合，还需要将钻井作业流程与自动化设备联系起来，实现一整套复杂动作的循环。

“一键联动”自动化装备系统的研究主要定位于套管段内的频繁起钻、下钻作业流程。系统在实际应用中，将作业流程标准化，由系统自动控制执行，对于存在风险或无法自动的环节，由司钻人工操作和人工确认。系统自动控制完成安全的保障环节，人工和自动化可以灵活切换，保障操作安全。

该项目主要着眼于在役钻机自动化装备配套技术，在现有电动钻机基础上优化人机互动系统界面、完善防碰防撞互锁，并具有自动化机具联动功能、集成远程监控及诊断等信息化系统，实现本质安全，提效率、提效益。

基于上述预期目标，该项目开展的研究内容主要包括：成套自动化机具系统升级解决方案；自动化机具流程标准化设计；多设备控制无缝对接；集成通信协议、接口兼容技术优化。“一键联动”系统实现的功能有石油钻机在施工过程中管柱（钻杆、套管）实现自动化处理，包括运输、举升、排放、抓取等一系列联合动作（表1）。

表1 钻井自动化处理系统

1 钻井作业流程

新一代钻机基本配备顶驱作业，所以本文探讨的均是带顶驱情况下的钻井作业。无论分为几开次或是否定向、水平钻井，钻井工艺基本的流程可以分为钻进、接单根、起钻、下钻、划眼、循环、下套管、固井等。最常规和最基本的，也是运用自动化装备最多的多次循环同一套动作的作业，就是起钻、下钻作业。

（1）起钻作业流程：上提钻具至二层台位置→坐好井口卡瓦→卸开钻杆立柱→将钻杆立柱坐在立根盒→打开吊卡→将立柱拉入二层台。

（2）下钻作业流程：将二层台立柱拉出→放入吊卡→上提立柱→与井口钻柱连接→打开井口卡瓦→下放钻杆。

2 钻井自动化装备动作流程

根据钻井作业基本流程，要实现“一键联动”就必须对各自动化装备的动作进行分解，充分考虑其先后顺序，避免互相干扰，完成整套作业。

2.1 起钻作业时自动化装备动作流程

打开自动化装备“一键联动”系统→选择起钻模式→绞车自动上行至二层台合适位置→自动卡瓦包住钻柱→铁钻工动作，卸开立柱→钻台机械手将立柱拉回立根盒指定位置→二层台机械手抓住立柱→打开液压吊卡→二层台机械手将立柱推入指定位置→绞车自动下行→液压吊卡自动扣合→自动卡瓦打开→绞车自动上提。完成一个起钻循环动作。

2.2 下钻作业时自动化装备动作流程

打开自动化装备“一键联动”系统→选择下钻模式→绞车自动上行至二层台合适位置→二层台机械手拉出立柱，推入液压吊卡→液压吊卡自动扣合→绞车缓慢上提→钻台机械手将立柱推至井口扶正→铁钻工完成上扣→缓慢上提绞车→打开自动卡瓦→绞车下行至井口指定位置→关闭自动卡瓦→液压吊卡自动打开→绞车自动上行。完成一个下钻循环动作。

2.3 编写“一键联动”程序

采用联网控制，按照目前使用最广泛的西门子PLC S-1200编写逻辑程序，利用模拟器进行反复模拟运行。

3 现场实验应用

经过安装调试，目前该自动化“一键联动”系统已经在克拉玛依钻井公司7000 m 自动化钻机应用，在万米起下钻试验中，提升系统最大钩速在1.0～0.8 m/s（起钻和下钻略有不同），起钻单次循环所用时间最短为180 s，下钻单次循环所用时间最短为178 s，平均起钻速度达到18.1 柱/h，平均下钻速度18.5 柱/h；单趟起钻最快速度达到20 柱/h，单趟下钻最快达到20 柱/h，速度与人工操作相当，正在进一步完善和量化推广策划（图1）。

图1 参与“一键”联动的自动化钻井装备

4 结束语

钻井装备按照机械化、电动化、自动化、智能化的发展顺序不断进步，钻井自动化装备处于大范围推广阶段，许多独立动作的自动化装备基本已经在新一代钻机上配置。目前钻井自动化装备“一键联动”技术已经成功应用，具有提速、增效、安全、减员的特点。然而要实现钻井装备智能化运行，钻井装备的研究还任重而道远。“一键联动”向智能化钻井装备迈了重要一步，后续将继续研究在特殊情况下自动化装备的应急处理操作。