廖 燕

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

近年來，我國石油鉆采設(shè)備制造商對鉆機(jī)配套的主體設(shè)備(如自動送鉆及泥漿泵等)進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了全電驅(qū)鉆機(jī)的國產(chǎn)化，鉆機(jī)的自動化程度大幅提升。相對而言，國內(nèi)對鉆機(jī)外圍配套設(shè)備的自動化研究仍處于較低的水平。

目前，國內(nèi)鉆具排放工藝仍停留在20世紀(jì)60年代的水平，僅用氣動絞車代替人力來拉鉆柱，其作業(yè)工藝并無大的提升，井架工人的勞動強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，與鉆機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平不相適應(yīng)。與國外相比，近十幾年來國外新投入使用的鉆機(jī)大多配備了包括二層臺自動排管裝置在內(nèi)的全套管子處理系統(tǒng)，管子處理系統(tǒng)的使用減少了工人的勞動強(qiáng)度，改善了工人的作業(yè)條件，并提高了作業(yè)效率。

從當(dāng)前國內(nèi)各鉆機(jī)制造廠家承接的國外訂單來看，越來越多的鉆機(jī)要求配套自動化工具乃至全部自動化工具的全自動化鉆機(jī)。因此，鉆機(jī)配套設(shè)備的自動化已成為制約全自動化鉆機(jī)發(fā)展和推廣的瓶頸。為此，加大鉆機(jī)配套設(shè)備的自動化工具研制投入，尤其是二層臺管柱自動排放裝置對我國鉆機(jī)自動化水平的發(fā)展有著重要意義。

1 國內(nèi)井場二層臺鉆具排放現(xiàn)狀

我國現(xiàn)有鉆機(jī)在鉆井過程中，起下鉆作業(yè)時，從井口將立柱排放到二層臺指梁，以及從二層臺指梁取出立柱送到井口的過程，主要以手工操作配合游車大鉤實(shí)現(xiàn)，其具體過程如下：

a. 起鉆具。首先游車將一個立柱從井口提升到鉆臺面高度，井口卡瓦卡住鉆具，液壓大鉗或鐵鉆工卸扣，游車大鉤提升立柱，鉆臺工人用鐵鉤鉤住立柱下部，慢慢將立柱下部推到立根盒內(nèi)定位，井架工靠簡單的工具和氣動小絞車將立柱上端推入二層臺指梁，完成一次排管操作。

b. 下鉆具。井架工先將立柱從指梁拉到中間位置，用鐵鉤鉤住立柱端頭往井口方向送，等游車大鉤下掛的吊卡到了立柱位置，將吊卡卡在立柱接箍處，游車起升，鉆臺面工人用鐵鉤勾著立柱底部，慢慢將立柱送到井口位置，與井口鉆柱對扣，然后液壓大鉗和鐵鉆工上扣，井口卡瓦松開，完成一次送管操作。

上述整個操作過程需要司鉆、井架工和鉆臺工配合完成，除司鉆外至少需要4～5名工人配合操作，工作效率低，工人勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，尤其對于二層臺操作工人來說，危險(xiǎn)性很大。

2 國外自動排管技術(shù)

目前，國外先進(jìn)鉆機(jī)大多配備了二層臺自動排管裝置(又名鉆柱自動排放系統(tǒng))。自動排管裝置在國外早就有研究和應(yīng)用，尤其在海洋鉆井平臺和俄羅斯市場，其鉆機(jī)全部要求配套自動化“貓道”、自動卡瓦和自動排管裝置。在挪威，挪威石油局的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：作業(yè)于挪威領(lǐng)海內(nèi)的鉆機(jī)必須配備自動鉆桿排放系統(tǒng)，且所能操作的管柱范圍必須包括鉆鋌和套管[1]。美國國民油井及加拿大CANRIG等公司都進(jìn)行了這方面的研究，并不斷地推出新產(chǎn)品。

通過查閱大量國外文獻(xiàn)和對國內(nèi)外鉆機(jī)的對比分析，按照鉆柱抓取方式分類，目前國外常用自動排管裝置主要有上持下扶式排管裝置、下持上扶排管裝置和雙/三機(jī)械抓手排管裝置3類。

2.1 上持下扶式排管裝置

上持下扶式排管裝置的主要特點(diǎn)是在鉆機(jī)二層臺上增加了一套直角坐標(biāo)系機(jī)械抓手，機(jī)械抓手完全承受一柱鉆具(3根鉆桿為一柱)的重量，一套正交滑輪組保證機(jī)械手可以將立柱放入二層臺指梁的任何位置，下方由鉆臺工輔助操作，對立柱在立根盒進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對鉆具立柱的自動排放。

該方式的優(yōu)點(diǎn)在于這種排管裝置結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施成本低，只需要對常規(guī)二層臺做改動即可實(shí)施。缺點(diǎn)是采取上持下扶的方式，鉆臺面仍需工人配合操作，只依靠上部抓手承重，一旦抓手脫落，立柱傾斜，容易發(fā)生安全事故。國外NOV公司的自動排管系統(tǒng)采用此種方式[2]，其中垂直管子處理系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 下持上扶排管裝置

下持上扶排管裝置的主要特點(diǎn)是在鉆臺面與二層臺上增加一套x-y型坐標(biāo)系機(jī)械裝置，鉆臺面下部機(jī)械手安裝在一個沿x軸運(yùn)動的小車上，由液壓馬達(dá)驅(qū)動，可以在左右兩個立根盒之間移動，機(jī)械手的y軸運(yùn)動由機(jī)械手油缸通過四邊形機(jī)構(gòu)驅(qū)動；同理，上部機(jī)械扶手的x軸運(yùn)動由馬達(dá)驅(qū)動鏈條帶動小車驅(qū)動，y軸運(yùn)動由油缸驅(qū)動。立根的重量由下部機(jī)械手承擔(dān)，上部機(jī)械手只起到扶正作用。上下部機(jī)械手可以同步動作，也可以分開動作。

這種方式可以使二層臺的井架工和鉆臺工解脫出來，而且下持上扶方式立柱重量主要由下部機(jī)械手承重，如果發(fā)生滑落，上部機(jī)械手依然可以確保立柱不會傾倒，確保人員設(shè)備安全；其缺陷在于依靠下部機(jī)械手承重的力有限，下部機(jī)械抓手的承載能力是一個設(shè)計(jì)難題。中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠與德國HVG公司合作研發(fā)的自動排管裝置如圖2所示。

圖2 中德合作研發(fā)的自動排管裝置

2.3 雙/三機(jī)械抓手排管裝置

雙/三機(jī)械抓手排管裝置的主要特點(diǎn)是依靠固定在井架上靠近鉆臺面和二層臺附近的機(jī)械臂同時抓取立柱進(jìn)行鉆柱的排放，機(jī)械臂多用于海洋鉆機(jī)和對安裝布置空間有特殊要求的鉆機(jī)，如二層臺在井架一側(cè)及不在井架的正前方的塔式井架鉆機(jī)等。

此種方式的優(yōu)點(diǎn)是處理管子能力強(qiáng)、速度快且自動化程度高；缺點(diǎn)是不易維修、成本高而且安裝復(fù)雜，不宜頻繁拆裝和運(yùn)輸，而且對液壓元件和自動化控制程度的要求也高[3]。

3 技術(shù)展望

近年來，動力“貓道”、鐵鉆工、動力卡瓦及自動吊卡等井口自動化工具在國內(nèi)各大油田推廣使用，在目前油價低迷的情況下，國內(nèi)各大石油公司都提出“減員增效”的戰(zhàn)略口號，集成各自動化工具的自動化鉆機(jī)將成為未來鉆機(jī)需求的主流。相對于動力“貓道”、頂驅(qū)及鐵鉆工等井口自動化工具，二層臺自動排管系統(tǒng)的研制和應(yīng)用在國內(nèi)還處于初期階段，因此二層臺自動排管技術(shù)已成為制約我國全集成自動化鉆機(jī)發(fā)展的瓶頸。

目前，國內(nèi)石油裝備制造廠家寶石機(jī)械、石油四機(jī)、四川宏華和三一重工都各自推出不同形式和適用范圍的二層臺自動排管裝置，寶石機(jī)械采用上持下扶排管方式，石油四機(jī)則采用下持上扶排管方式，四川宏華正在研發(fā)適應(yīng)海洋平臺的雙/三機(jī)械抓手方式，三一重工則針對修井機(jī)開發(fā)了一款上持下扶式排管裝置并在進(jìn)行型式試驗(yàn)。

上述二層臺自動排管裝置型式中，上持下扶式排管機(jī)構(gòu)由于立柱重量都由二層臺來承受，在不改變現(xiàn)有井架強(qiáng)度的前提下，更加適用于小型鉆修井機(jī)；雙/三機(jī)械抓手排管機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，適用于海洋石油鉆井平臺。石油鉆機(jī)井架作為典型的大型鋼結(jié)構(gòu)長期處于野外環(huán)境，經(jīng)受風(fēng)雨和冰凍侵蝕，在搬運(yùn)過程中也易被磕碰和擠壓變形，長期積累會造成井架主體結(jié)構(gòu)的損傷[4]；而下持上扶式排管裝置鉆柱主要由鉆臺面機(jī)械手承載，對井架強(qiáng)度沒有更高要求，不需要對井架做強(qiáng)度改造。

4 結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外自動排管技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，該裝置作為自動化鉆機(jī)的關(guān)鍵部分正向著設(shè)計(jì)人性化、技術(shù)先進(jìn)化和安全可靠性高的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡單、性能好、自動化程度高且操作簡便的井口自動化工具將顯著提高鉆井作業(yè)效率和鉆機(jī)的整體自動化水平，這也將成為自動排管裝置的發(fā)展趨勢。結(jié)合我國現(xiàn)有大型陸地鉆機(jī)的實(shí)際情況，著力研究我國鉆機(jī)配套適用的自動排管裝置，對于滿足國內(nèi)和國際市場對高端鉆機(jī)配套的要求，提高我國鉆機(jī)整機(jī)安全性和自動化水平意義重大。

[1] Jacques M E,Herst N W.Pipe Racking Systems:are They Cost Efficient？[C].(SPE/IADC 21957).SPE/IADC Drilling Conference:Amsterdam.Holland,1991:11～14.

[2] Bayard B.New Products of National Oilwell Varco[EB/OL].http://www.nov.com,2009-01-05.

[3] Kuhn M.New Products of Carig[EB/OL].http://www.canrig.com,2009-03-07.

[4] 婁燕敏,趙琪月,王玥,等.在役石油鉆機(jī)井架相似模型設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2013,40(5):608～611.