0 引 言

自动化管具处理系统在钻井作业过程中具有较高的适应性、经济性和先进性。 目前全球的石油钻具制造商中，美国National Oilwell Varco(NOV)公司和Aker Kvaerner公司是钻具处理系统主要供应商，其产品最为成熟，代表了世界先进水平^[1]。

NOV公司根据钻具摆放形式设计出水平型、垂直型以及水平与垂直混合型3种管具处理系统。水平型管具处理系统实现了从简单的带式运输机到半自动化的钻杆排放吊的转变，可满足现场无人操作、远程监控的钻井作业要求；垂直型管具处理系统的控制方式为机器人半自动化操作；水平与垂直混合型管具处理系统进一步提高了钻杆装卸的安全性和工作效率，可全方位地适应管类钻具的摆放需求，提高钻井设备的使用效率和钻井作业速度。

Aker Kvaerner公司推出了GantryCrane和Pipedeck Pipehandler等系列产品。其特点为：作业机器人的远程控制技术提高了钻井作业的自动化程度；摆放臂和夹钳的结构形式实现了机械手快速定位和夹持功能。

管具处理系统有2种操作模式，一是通过钻台面上的操作箱和控制台来完成钻杆摆放作业；二是将控制部分集成到司钻控制房内，由司钻进行集中操控。 国内对自动化管具处理系统的研究才刚刚起步，钻井过程中钻杆的传送更多依靠人工协同实现，远不能满足自动化钻井作业的需求。为此，渤海装备辽河重工有限公司与中国石油长城钻探工程有限公司在自主研发的基础上，开发出区别于现有产品的GW-AH1500自动化管具处理系统，填补了我国新型陆地钻机行业在这一领域的空白。

自动化管具处理系统(见图1)在起下钻过程中承担着钻杆和钻铤等管具的提升和下放等操作，实现钻具在井口与钻杆盒之间的自动化转运、摆放和储运^[2]。通过控制区的自动化远程监控系统，可实时动态显示和记录作业工序与设备的运转状态，实现钻具的科学化与系统化管理。

图 1 自动化管具处理系统总体布局图 Fig.1 Overall layout of automatic pipe handling system 1-钻杆处理器； 2-钻杆盒； 3-底座。

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该类型自动化管具系统与井架主体是独立的2部分，系统中的移运部件具备独立的回转平台与平移机构。该系统的机械部分由钻具处理器、钻杆盒和底盘等组成，各部件都有各自的相对位置。钻具处理器采取机械手的结构形式，在监控程序的操控下能够实现自身的旋转和平移以及对不同类型钻杆的抓取和下放。钻杆盒用于存储钻井作业过程中所需的钻杆，保持钻杆竖直，便于上下机械手抓取，形状规则的钻杆盒也便于控制系统对机械手的准确定位。底盘是上述装置的安装基座，对各部件起到固定支撑的作用。钻具处理器的底部与回转机构(见图2)相连，共同被安置在大直径回转支撑轴承上，这样钻具处理器的起重臂能够旋转270°，保证夹持的钻具可在工作区域内旋转。该系统适用于陆地钻机井架结构，自动化程度高，功能完善，且机理简单易懂，设计思路清晰，易于实现^{[3, 4]}。

图 2 回转机构示意图 Fig.2 Schematic of rotary part 1-液压马达； 2-电机； 3-减速器； 4-回转轴承； 5-底座。

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钻具处理器通过底部滑轨平移到起始位置，首先夹取放置在钻杆盒里的钻杆。钻井所需剩余钻杆均放置在管场中，管场中的钻杆通过监控程序的指令由猫道进入到钻杆盒的指定位置。钻具处理器塔架上的上机械臂沿固定架移动到钻杆盒指定钻具处，上机械臂前端机械手从钻杆上部抓取钻杆，随后平移退出钻杆盒区域；下机械臂前端机械手在钻杆下部进行扶正，塔架整体旋转平移至井口位置，将钻杆对正钻台侧面鼠洞口后下机械臂前端的扶正机械手松开，上机械臂前端夹紧机械手将钻杆按程序设定的速度放置于钻台侧面鼠洞中，完成1次钻杆的抓取。钻具处理器结构如图3所示。

图 3 钻具处理器结构示意图 Fig.3 Structural schematic of pipe handling unit 1-悬臂吊； 2-工作台； 3-塔架； 4- 底座；5-下机械臂；6-上机械臂。

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在钻具处理器的上、下机械臂末端装有机械手，机械臂竖直运动与水平运动的动力来源于变频电机，变频电机对机械臂的驱动预先进行定量控制。上、下机械手可以在各自的机械臂上独立移动，均由各自变频电机驱动。通过变频电机上的编码器来确定每个机械手所到位置，从而控制机械手移动的长度，以适应不同类型的钻具。

上、下机械臂前端安装有传感器，当传感器感应到钻杆进入到机械手的夹持范围时，将指令信息传送到控制中心，控制系统会自动发出指令，控制安装在上、下机械臂前端机械手中液压缸，通过液压缸前端活塞的运动实现对钻杆的夹紧。液压缸伸出夹钳夹紧，液压缸缩回，弹簧将夹钳打开。为适应钻杆在钻杆盒内以及运送过程中的倾斜，上机械手可以摆动一定角度。在这一过程中机械手完成对钻具的夹持、提升和下放等操作，主要承受钻具在移运过程中的自重，下机械手则对钻杆起到扶正作用。机械手结构如图4所示。

图 4 机械手结构示意图 Fig.4 Structural schematic of manipulator 1-液压缸； 2-上压板； 3-下压板； 4-夹钳支架； 5-夹手。

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自动化管具处理系统以高性能S7-400H热冗余主站PLC为控制核心，通过现场总线控制技术把各数字化设备组成PROFIBUS-DP网络，实现钻具处理系统的自动、手动及遥控3种操作模式。

控制系统的操作台由简单的按钮和指示器组成。钻杆的取放可根据实际情况选择自动模式或手动模式。无论自动模式还是手动模式，都会在计算机的监控下操作完成，均不会使机械臂超出其预先设定的工作区域。当机械手到达适当位置时，会在编码器的指令控制下减慢行进速度，确保机械手在程序预先设定的特定钻具相应直径处闭合，完成钻具的抓取，避免意外事故的发生。

钻具处理器旋转、上机械手及下机械手的伸缩等执行动作均采用变频器和电机驱动相结合的控制方式，各动作轴位置反馈采用绝对值旋转编码器并通过DP总线与PLC连接，实现这些运动机构的精确定位。机械手每个自由度的运动都是点位运动，考虑到运动的平稳性，该控制系统对运动轨迹及速度均进行了相应规划^{[5, 6]}。

(1)该自动化管具处理系统采用液控为主的液、电混合驱动，能独立在鼠洞与钻杆盒间自动移运钻杆并完成钻杆的自动排放，可与在用或新型陆地液压钻机配套使用，实现高效、安全的作业模式。

(2)钻具处理器的控制系统采用独立液压站供油，系统压力21 MPa，一台22 kW防爆电机驱动排量为45 mL/r的恒功率液压泵。

(3)控制部分设置蓄能器，用于机械手的保压，防止钻杆因断电等不确定因素造成的意外脱落。上机械手升降绞车制动器由2个防爆电磁换向阀同时控制，只有同时换向制动器才能打开，可避免误动作造成上机械手松开，钻杆坠落。

(4)臂吊液压绞车和液压缸均通过液控多路阀控制，由比例减压阀通过遥控操作盒无线遥控操作。多路阀出口设置多个防爆电磁换向阀，只有这些阀打开时才允许动作，防止误操作。

渤海装备辽河重工有限公司已经试制出自动化管具处理系统，并在油田钻采区进行应用。具体应用情况如下。

2012年11月，在辽河油区锦州采油厂进行钻井辅助作业，钻井深度2 000 m。 2013年4月，在辽河油区盘锦大洼新开镇进行钻井辅助作业，钻井深度2 600 m。 2014年7月，在辽河油区沈阳采油厂进行钻井辅助作业，钻井深度3 400 m。

现场应用结果表明，自动化管具处理系统机械化和自动化程度高，可显著降低劳动力成本，钻杆输送等作业流程顺畅，抓取效率高，打破了国外的技术垄断。

(1)自动化管具处理系统可以提高钻杆移运过程的安全性，减少出错率，确保施工的连续性，从而提高工作时效，降低钻井成本。

(2)自动化管具处理系统具有较高的机械化、自动化和智能化水平，可减轻工人的劳动强度，提高施工质量。

(3)自动化管具处理系统具有良好的移运性和较强的适应能力。