石油鉆機(jī)全套系統(tǒng)由動(dòng)力、提升、旋轉(zhuǎn)及鉆井液循環(huán)等幾大系統(tǒng)組成，通過這些系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井、測井及完井工作。因此，它是油氣鉆井工程中的核心裝備。長期以來，石油鉆機(jī)的自動(dòng)化水平不高，鉆井工人不僅體力勞動(dòng)繁重，而且作業(yè)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)高。以二層平臺(tái)排放立根作業(yè)為例，在起下鉆時(shí)，鉆工要站在二十多米高的二層平臺(tái)上，用手移動(dòng)二十多米長的立根，從井架中心處打開吊卡取出，移至立根盒排放好(起鉆時(shí)) ， 或自排放立根的立根盒中，移動(dòng)一根至井架中心處，送入吊卡中鎖緊吊卡(下鉆時(shí)) 。在此期間，鉆工不僅在高空作業(yè)很危險(xiǎn)，而且操作非常費(fèi)力，迫切要求改善，提高自動(dòng)化水平。
鉆機(jī)產(chǎn)品的革新是時(shí)代的需求
中石化建設(shè)的智能化油田試點(diǎn)是長慶油田采油二廠，自2018年4月起，已初步建立起智能油田系統(tǒng)，工作人員能夠第一時(shí)間通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)掌控相隔百公里之外的站庫、油水井組的運(yùn)行參數(shù)、管線安全及生產(chǎn)狀態(tài)。寶雞石油機(jī)械公司研制的3000米ZJ30DB20自動(dòng)智能鉆機(jī)于2019年4月在大慶油田首次開鉆。實(shí)踐表明，智能化新時(shí)代的大勢所趨，石油鉆機(jī)的自動(dòng)化智能化勢在必行，因?yàn)檫@是與時(shí)俱進(jìn)轉(zhuǎn)型升級的需要。
井口操作的智能自動(dòng)化。井口操作是指鉆機(jī)提升著鉆柱進(jìn)行起下鉆時(shí)，在井口上緊或松開管柱絲扣的作業(yè)。上緊或松開管柱絲扣時(shí)，需將管柱用很重的卡瓦卡緊在轉(zhuǎn)盤上，目前已多采用氣動(dòng)卡瓦，代替了鉆工的手提卡瓦勞動(dòng)；但上緊或松開管柱絲扣，還需要進(jìn)一步自動(dòng)化代替人力。現(xiàn)已有一些鉆機(jī)采用動(dòng)力大鉗，并配有涂油裝置(上緊絲扣前抹油) 及鉆井液盒(松開絲扣時(shí)防止鉆井液自井內(nèi)鉆柱中噴濺出來) ，自動(dòng)聯(lián)合作業(yè)，取代了井口操作的鉆工，俗稱“鐵鉆工”。圖1所示即為“鐵鉆工”的主體動(dòng)力大鉗及鉆井液盒(黃色上) 和塗油裝置(黃色下) 。但是，還需要進(jìn)一步革新，通過智能自動(dòng)化，將此三種裝置集成在一起，并互不干涉自動(dòng)獨(dú)立完成各自的功能，即所謂的一體化鐵鉆工，如圖2所示。
圖1 組成“鐵鉆工”的三種裝置 1：液壓大鉗；2：塗油裝置；3：鉆井液盒
圖2 一體化的“鐵鉆工”
排放立根操作的智能自動(dòng)化。排放立根是鉆機(jī)在起下鉆過程中將卸開的立根排放入鉆臺(tái)上的立根盒中(起鉆) 和從立根盒中取出立根送至吊卡鎖緊(下鉆)的作業(yè)。目前，國內(nèi)只有如寶雞石油機(jī)械公司研制的中深井 3000米ZJ30DB20自動(dòng)智能鉆機(jī)等少數(shù)鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了排放立根操作的智能自動(dòng)化，而深井鉆機(jī)則少見。因此，我國大部分鉆機(jī)均需要進(jìn)行革新，配備排放立根智能自動(dòng)化操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由鉆臺(tái)機(jī)械手、二層臺(tái)機(jī)械手、緩沖機(jī)械手等組成。鉆臺(tái)及二層臺(tái)機(jī)械手分別完成鉆柱的立根底端(鉆臺(tái))及頂端(二層臺(tái))的抓抱運(yùn)移等任務(wù)；緩沖機(jī)械手位于鉆臺(tái)，執(zhí)行管柱自地面輸送到鉆臺(tái)上時(shí)的自動(dòng)接管任務(wù)。
二層臺(tái)機(jī)械手作業(yè)如圖3所示，它伸出手臂抓住立根盒里的立根上端，向井架中心移送至吊卡內(nèi)，然后鎖緊；鉆臺(tái)機(jī)械手作業(yè)如圖4所示，它伸出手臂自立根盒里抓取立根下端，配合二層臺(tái)機(jī)械手，協(xié)同運(yùn)移立根。圖5為機(jī)械手本體。
圖3 二層臺(tái)機(jī)械手作業(yè) 圖4 鉆臺(tái)機(jī)械手作業(yè) 圖5 機(jī)械手本體
管柱上下鉆臺(tái)操作的智能自動(dòng)化。管柱包括鉆桿、套管等，通常運(yùn)至井場后，是擺放在鉆臺(tái)前的平地上，如圖6所示。當(dāng)需要將其送上鉆臺(tái)時(shí)，傳統(tǒng)作法是依靠人力先將管柱推送到滑道上，再借助起重機(jī)將其提拉到鉆臺(tái)上，由鉆工手動(dòng)接收，既體力勞動(dòng)繁重，又存在事故風(fēng)險(xiǎn)，極須革新，代之以智能自動(dòng)化操作的液壓動(dòng)力貓道，如圖7所示。液壓動(dòng)
圖7 液壓動(dòng)力貓道自動(dòng)送鉆桿上鉆臺(tái) 圖6 人力手動(dòng)送鉆桿上鉆臺(tái)
力貓道的結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖8所示，可在我國研制時(shí)借鑒參考。
智能自動(dòng)化的連續(xù)不停的起下鉆及循環(huán)鉆井液。起下鉆是指鉆機(jī)自井內(nèi)將鉆柱一節(jié)一節(jié)地提出(起鉆)或是將其下入(下鉆)井內(nèi)的作業(yè)。目前，國內(nèi)外傳統(tǒng)作法是每當(dāng)卸下(起鉆)一節(jié)(通常是三根鉆桿組成的一根立根) 或是接上(下鉆) 一節(jié)時(shí)，停頓一段時(shí)間，進(jìn)行井口及二層臺(tái)操作，且停泵，暫時(shí)停止鉆井液循環(huán)。顯然，這種作法既耗費(fèi)工時(shí)，又增加鉆井成本，還因停止鉆井液循環(huán)，存在卡鉆事故風(fēng)險(xiǎn)，故極須革新，提高智能自動(dòng)化水平。
借鑒國外新型鉆機(jī)產(chǎn)品
近年，挪威West公司在全球首次研制出連續(xù)運(yùn)動(dòng)鉆機(jī)CMR(Continuous Motion Rig) ，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)起下鉆及循環(huán)鉆井液。樣機(jī)在北海測試，三單根的立根起下鉆速度高達(dá)3600m/h，遠(yuǎn)較常規(guī)鉆機(jī)600~900m/h為高，可供我國借鑒。
為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)不停的起下鉆，該鉆機(jī)設(shè)置有高、低位兩個(gè)提升系統(tǒng)，高位提升系統(tǒng)具有吊卡和頂驅(qū)裝置，以提升、旋轉(zhuǎn)鉆柱及輸入鉆井液；低位提升系統(tǒng)設(shè)有動(dòng)力大鉗、氣動(dòng)卡瓦及轉(zhuǎn)盤，形成了一個(gè)小鉆臺(tái)，以自動(dòng)進(jìn)行井口操作。兩者均由井架兩側(cè)裝設(shè)的齒條，與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)上下升降。這樣，與常規(guī)鉆機(jī)相比，即可省去了鉆機(jī)的天車、游車、大鉤等起升設(shè)備。該鉆機(jī)創(chuàng)新實(shí)施連續(xù)不停起下鉆的理念是進(jìn)行“接力”，即將卡緊在低位提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤上的鉆柱提升，與下行的設(shè)有吊卡的高位提升系統(tǒng)，在空中相會(huì)，進(jìn)入吊卡鎖緊，實(shí)現(xiàn)“接力”，從而連續(xù)不停地作業(yè)。圖8以起鉆為例，給出了起鉆時(shí)卸下立根的連續(xù)作業(yè)過程。
圖9不停泵連續(xù)循環(huán)鉆井液工作原理 圖8 起鉆時(shí)卸立根的連續(xù)作業(yè)過程
如圖8所示，自左至右，左1為高、低位提升系統(tǒng)各自位于原始位置，準(zhǔn)備起鉆；左2為“交接棒”“接力”，通過齒輪與齒條嚙合驅(qū)動(dòng)，高位提升系統(tǒng)下行至井架中部與上行的低位提升系統(tǒng)相會(huì)，將起出的鉆柱交接給高位提升系統(tǒng)(“交接棒”)，用吊卡吊住(“接力”) ；左3為吊住鉆柱的高位提升系統(tǒng)將鉆柱提升到一個(gè)立根高度，與此同時(shí)，低位提升系統(tǒng)下降返回到原位；左4為井口操作立根卸扣，低位提升系統(tǒng)的氣動(dòng)卡瓦下入轉(zhuǎn)盤內(nèi)，卡緊鉆柱，“鐵鉆工”自動(dòng)卸開立根接頭絲扣；左5為二層平臺(tái)操作排放立根，二層平臺(tái)機(jī)械手在鉆臺(tái)機(jī)械手協(xié)同配合之下，將卸開扣的立根排放入立根盒；左6為重復(fù)作業(yè)再起立根，兩個(gè)提升系統(tǒng)分別上、下行，準(zhǔn)備再起立根。這就是智能自動(dòng)化連續(xù)起下鉆作業(yè)全過程。
圖9給出了低位起升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并以起鉆卸扣提升立根工況為例，自左至右，用左、中、右三個(gè)圖，說明了低位起升系統(tǒng)內(nèi)鉆井液通道的切換過程，闡述了起下鉆及送鉆時(shí)不停泵連續(xù)循環(huán)鉆井液的工作原理。圖9左圖是準(zhǔn)備起鉆卸扣。此時(shí)，低位起升系統(tǒng)的三個(gè)閘板均開啟，左側(cè)部鉆井液進(jìn)出口兩閥門均關(guān)閉，鉆井液由高提升系統(tǒng)，自頂驅(qū)的入口閥門進(jìn)入，經(jīng)懸吊的立根流入井內(nèi)鉆柱。圖9中圖為立根初始卸扣。此時(shí)，中閘板開啟，上、下閘板關(guān)閉，低提升系統(tǒng)內(nèi)形成了一個(gè)密閉腔室，待左側(cè)部鉆井液入口閥門打開，鉆井液立即進(jìn)入腔室，自卸扣接頭處注入井內(nèi)鉆柱。這時(shí)，因卸扣初始，高提升系統(tǒng)懸吊的卸下立根尚未移出腔室，故短時(shí)間內(nèi)，高提升系統(tǒng)中的鉆井液也同時(shí)流入井內(nèi)鉆柱。圖9右圖 是提升立根。此時(shí)，首先關(guān)閉低提升系統(tǒng)的中閘板，于是，自左側(cè)閥門進(jìn)入到中、下兩閘板間腔室的鉆井液，即可自卸扣接頭處注入井內(nèi)鉆柱。然后，關(guān)閉高提升系統(tǒng)的鉆井液入口閥門，卸開的立根內(nèi)剩余鉆井液及中閘板以上的鉆井液均可自打開的左側(cè)上部出口閥門流出。最后，打開上閘板，于是，卸下的立根即可向上提升，完成連續(xù)循環(huán)鉆井液的同時(shí)起一根立根的任務(wù)。 上述各項(xiàng)智能自動(dòng)化作業(yè)均匯制成網(wǎng)絡(luò)化的集成控制系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行遙控。期待產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的我國全套智能自動(dòng)化鉆機(jī)早日投產(chǎn)；期待我國現(xiàn)用全部鉆機(jī)的智能自動(dòng)化革新改造升級提質(zhì)早日實(shí)現(xiàn)。
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