0 引 言
钻柱排放是钻井过程中实现钻柱在立根区与井口间输送及排放的过程。传统石油钻机大多采用人工配合小绞车实现作业,在排放和输送钻柱作业过程中需要井架工在二层台从事高空作业,危险系数高,劳动强度大,作业效率低。因此,实现钻柱的自动排放,让工人远离危险区域,减轻工人劳动强度是实现安全、健康和高效钻井的有效途径[1]。
目前,国外钻柱自动排放技术已非常成熟,陆续出现了立柱式钻杆排放系统、二层台钻杆排放装置等结构形式的钻柱自动排放装置[2-3],并形成系列产品。美国NOV公司成功研制了多种适用于陆地及海洋钻井的钻柱排放系统,这些系统分布在北美、委内瑞拉、巴西和中东等国家和地区,使用情况良好[2]。
在国内,宝鸡石油机械有限责任公司与川庆钻探工程有限公司合作开发了TJG93/4-10自动井架工,实现了二层台钻柱的无人排放,能满足国内深井陆地钻机钻柱排放需求[4]。宏华集团与吉林大学联合研发了适用于陆地钻机的MPR-70A型自动摆排管装置,可实现钻柱排放过程的自动化操作。中石化石油机械股份有限公司第四机械厂(以下简称第四机械厂)与荆州元泽石油设备有限公司合作,为亚太石油公司开发了初级自动井架工。该装置结构轻便、操作灵活,但自动化程度较低。
为进一步提高钻柱排放系统的自动化和智能化水平,第四机械厂与德国海瑞克垂直钻井公司合作,研制了SPR-6钻柱自动排放装置。该装置实现了钻柱排放过程的自动化操作,适合各类在役或新制钻机。
1 技术分析 1.1 结构设计SPR-6钻柱自动排放装置由上部环持模块、下部夹持模块、电液比例控制模块及钻柱状态监测模块等4部分组成,如图 1所示。装置采用“上扶下持”的方式,以液压油缸和液压马达为主要动力机构,结合电液比例控制和PLC控制[5-6],实现在起下钻和立根排放等作业过程中对钻柱的夹持、提升、下放和平移等动作的自动控制,减少了二层台和钻台等危险区人工操作钻柱的频次,减轻了工人的劳动强度,提高了作业安全性。
1.2 工作原理
SPR-6钻柱自动排放装置工作流程如图 2所示。起钻时,顶驱从井口提来钻柱,下部机械手连杆机构展开,使夹持装置到达井口钻柱位置,从下部夹持钻柱,同时上部机械手伸缩臂伸出使环套装置到达井口钻柱位置,从上部环扶钻柱,完成对整个钻柱的上环下持动作(1→6),然后,上、下部机械手同步缩回(6→5),使环持的钻柱到达预定排放区域的指梁开口处(5→4),上、下机械手的滑移小车同步运动将钻柱输送到预定位置(4→3);下部机械手的连杆机构运动将钻柱平稳下放到预定的定位块上,下部机械手松开,释放钻柱,随后上部机械手的滑移小车运动将钻柱上部输送到位后环套装置松开,释放钻柱(3→3),上、下部机械手油缸缩回(3→2),滑移小车回到初始位置(2→1),完成1次钻柱的夹持、输送、排放及释放动作。如此循环,实现所有钻柱的排放。下钻时,工作流程与上述相反。
1.3 主要技术参数
适应钻柱直径:88~279 mm(3 1/2 ~11 in);最大处理钻柱质量:13.5 t;最大水平操作距离:3.7 m;HPU系统额定压力:25 MPa。
1.4 技术特点(1) 与国内外悬持式管柱自动排放装置相比,SPR-6钻柱自动排放装置采用上扶下持式结构将钻柱的质量从二层台转移到了底座上,减轻了二层台负载对井架的影响,可广泛应用于陆地和海洋新造钻机和在役钻机改造。
(2) 该装置采用正交坐标式轨迹排立根,立根倾斜摆放,稳定性好,部件结构及控制程序更简单,系统可靠性得到提高。
(3) 钻柱监测控制模块采用HNC液压控制技术,利用闭环控制系统控制高精度位移传感器和高频响应电磁比例阀组,实现上、下部机械手在高速运动下的精确和平稳定位。
(4) 在二层台上预设了人工作业模式,包括翻转式舌台和人工钻铤摆放区等,可满足紧急情况下快速切换到人工作业模式的需求。
2 主要模块技术分析 2.1 上部环持模块上部环持模块主要包括二层台、滑移导轨、滑移小车和环套装置等部分,结构如图 3所示。上部滑移小车安装在二层台滑移导轨中,由马达驱动链条实现滑移小车在导轨上左、右移动,环套装置固定在滑移小车上,由伸缩油缸驱动实现钻柱的环套及前、后输送。上部环持模块集成安装在二层台上,随井架起升。二层台上配备2处钻铤排放区(自动/人工),带液压翻转舌台,当设备出现故障时,可快速切换到人工作业模式,并配备检修平台,便于维修。
2.2 下部夹持模块
下部夹持模块主要包括下部机械手、支架和滑移小车3部分,结构如图 4所示。下部机械手通过销轴安装在支架上的滑移小车上,由抓管机械手和机械臂组成。抓管机械手固定在机械臂前端,由夹持油缸驱动夹持装置实现不同规格钻柱的夹持。机械臂为一种复合多连杆机构,通过伸缩油缸、旋转油缸和多连杆机构共同实现抓管机械手的伸缩、提升和下放。机械臂安装于滑移小车上,由马达驱动链条实现在支架轨道限位座间左、右移动。下部机械手支架通过销轴安装在立根台前部,可使下部机械手移动时的工作区域覆盖整个立根台。
2.3 电液控制模块电液控制模块包括HNC(数字液压)液压站、电液比例控制系统和仿真控制系统等3部分,其控制界面如图 5所示,由PLC及系统仿真软件来实现钻柱的排放位置、质量、存放信息以及限位互锁等实时控制和模拟。控制台集成在钻机主、副一体化司钻房中,采用司钻操作椅模式。副司钻可在工业监视系统的辅助下,操作多功能手柄、控制按钮以及触摸屏,实现对装置的远程控制,具有设定、顺序和自动3种控制模式。触摸屏中安装系统仿真软件,可模拟排管状态及二层台钻柱的存放状态,实现司钻房对排管信息的反馈及控制,达到安全、高效地排放钻柱的作业目的。
2.4 钻柱监测控制模块
在装置的各液压执行机构上安装磁滞式行程传感器、压力变送器和位移编码器等各种传感器,当测量出液压执行机构实际与计划发生偏差时,传感器输出反馈信号至控制系统,控制系统按标准来校正,使执行机构能根据作业需要准确动作。同时,在二层台上部机械手的下端安装激光检测装置,通过计算障碍物与接收点之间的距离,自行定位前方钻柱位置,实现夹持及环套装置对钻柱的精确定位,并进行识别,智能判断取管或排管的顺序和位置,减少了人工干预。
3 试验情况为了测试钻柱自动排放装置的技术指标是否达到设计要求,按照台架试验、钻机试验和可靠性试验3个阶段进行试验。
3.1 台架试验将钻柱自动排放装置安装在试验台架上,按照设定模式、顺序模式和自动模式的步骤,测试钻柱自动排放装置的部件性能及基本操作流程。在为期8 d的调试过程中,完成了机械手最大夹持能力与夹持范围、上下部机械手的抓管准确性、上下部机械手的动作同步性(空载)、带ø127 mm(5 in)钻杆起下钻动作程序、互锁保护及HNC液压站性能测试等内容。试验中,液压站、液压油缸、液压阀件、机械手机构和传感器等均达到了预期要求,各项动作均可以实现。
3.2 钻机试验将钻柱自动排放装置安装在试验钻机上,按照设定模式、顺序模式和自动模式的步骤,测试钻柱自动排放装置的部件性能及基本操作流程。在为期3周的整机联调过程中,完成了顺序和自动模式下带ø127 mm(5 in)钻杆起下钻动作测试、顺序模式下带ø229 mm(9 in)钻铤起下钻动作测试。装置完成1柱ø127 mm钻杆立根的起钻时间为40~45 s、下钻时间为46~51 s,1 h处理ø127 mm钻杆立根25~28柱,达到预期指标。ø229 mm钻铤立根起下钻动作也能顺利完成。
3.3 可靠性试验该试验是模拟在现场连续起下钻10万m钻柱过程中装置的运行情况,同时测试在断电或断液等紧急情况下,钻柱自动排放装置能否安全保持钻柱夹持状态。
试验结果表明,在连续起下钻10万m钻柱后,钻柱自动排放装置运行平稳,液压站、液压油缸、液压阀件、机械手机构和传感器等运行状况良好。在下部机械手夹持钻柱提升或平移时切断液压站电源,装置平稳停止,上、下部机械手仍保持液压站电源切断时的状态,所夹持的钻柱也一直悬停在空中,不会因为意外断电和断液而造成事故。
3.4 试验效果总结厂内试验结果表明,装置整体结构简单合理,承载能力强,机械化程度高,动作准确,操作安全,节省人力,可提高作业效率及作业安全性。
4 结束语SPR-6钻柱自动排放装置通过集中控制,实现上部机械手和下部机械手的同步联动,达到了抓取、移动和排放钻柱的目的,使钻井过程中钻柱排放作业实现自动化,让钻工远离危险区域,减轻了工人劳动强度,提高了钻柱排放的自动化水平和工作效率。伴随着国家产业升级的趋势及石油工业安全、健康和高效钻井理念的推广,相信SPR-6钻柱自动排放装置会得到推广应用。
[1] | 蔡文军, 张慧峰, 孙长征, 等. 钻柱自动化排放技术发展现状[J]. 石油机械, 2008, 36 (12) : 71–74 . |
[2] | 刘文庆, 崔学政, 张富强. 钻杆自动排放系统的发展及典型结构[J]. 石油矿场机械, 2007, 36 (11) : 74–77 . |
[3] | 沙永柏, 朱吉良, 李志东, 等. 钻杆自动化操作系统的典型结构[J]. 机械制造, 2011, 49 (6) : 60–62 . |
[4] | 白丙建, 贾涛, 高明, 等. TJG 9 3/4 -10自动井架工的研制[J]. 石油机械, 2014, 42 (11) : 46–48 . |
[5] | 侯学军, 靳秀兰, 保长俊. PLC-839在钻杆自动排放控制系统中的应用[J]. 石油机械, 2011, 39 (10) : 53–56 . |
[6] | 李智鹏, 易先中, 陶瑞东, 等. 定向滑动钻进控制新方法研究[J]. 石油钻探技术, 2014, 42 (4) : 59–63 . |