2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心
2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center
0 引言
钻机在起下钻或钻进过程中需要将立根从井口移送到二层台指梁或从二层台指梁移送到井口，即进行立根排放操作，这是一个具有高危险性、多次重复性及高劳动强度的过程[1]。目前陆地钻机的二层台立根排放作业大多数仍然采用人力作业或风动绞车辅助模式。随着钻机技术向自动化和智能化方向发展，对钻机立根排放作业提出了新的要求。采用机电液一体化控制等技术，通过远程操控机械装备来代替人工操作，立根排放系统可实现立根的机械化排放。应用该系统排放立根时，二层台不再需要人工参与，减轻了劳动强度，降低了安全风险，是实现安全、健康钻井和提高钻井效率的有效途径[2]。文献[3]显示，利用钻柱自动化排放装置，可节省起下钻时间25%，1 h可起下55根钻柱。
笔者通过对近几年新研制的立根排放系统的介绍和技术性能的分析，指出各种立根排放系统在不同钻机上的配套适应性及其关键技术，并针对立根排放系统的发展提出建议。
1 陆地钻机立根排放系统现状立根排放系统是管子处理系统的子系统，是技术含量高、附加值大的产品。早期管子处理系统主要应用于海洋平台作业，其市场主要被欧美等几家石油设备公司垄断。德国Bentec公司为挪威设计的钻井平台上应用了垂直钻杆排放机，该系统可自动完成水平和垂直钻杆的移动，移动过程受钻井控制室遥控[4]。英国Strachan and Henshaw公司生产的轻型深井海洋钻机RAD的管子处理系统可运送各种钻井用管子，如钻杆、套管、油管和无磁钻铤，并通过计算机和控制系统使管子按正确的钻井次序排放[5]。2008年瑞士威德福公司研制出适用于陆地钻机的自动井架工系统(见图 1)，其提升能力为68 kN，能排放外径为88.9~203.2 mm的立根。美国NOV公司研制的STV自动排管系统(见图 2)也可用于陆地钻机，其不提升立根载荷，仅辅助移动立根上端，其扶持立根外径为73.0~203.2 mm。
|
| 图 1 威德福公司的自动井架工系统 Fig.1 Weatherford automatic derrickman system |
|
| 图 2 NOV公司的STV自动排管系统 Fig.2 NOV STV automatic pipe handling system |
在国内，海洋石油941自升式钻井平台上就应用了管子处理系统，它利用折臂起重机、管子排放机和铁钻工等来实现钻杆的起、卸、排等机械化操作[6]。宝鸡石油机械有限责任公司(简称宝石机械)与川庆钻探工程有限公司合作，于2011年研制了TJG9 3/4-10自动井架工。该装置实现了二层台钻柱的无人排放，其操作灵活可靠，能满足国内各深井、超深井陆地钻机钻柱排放需求[7]。
目前，宝石机械已经生产了适用陆地钻机作业的悬持式、推扶式以及悬持与推扶相结合的3种形式立根排放系统，分别在川东油田、长庆油田和大庆油田使用，效果良好；烟台杰瑞石油装备技术有限公司(简称烟台杰瑞)、四川宏华集团有限公司(简称四川宏华)、中石化石油机械股份有限公司第四机械厂(简称江汉四机)和三一重型能源装备有限公司(简称三一重能)也分别研制出能力各异的立根排放系统，大多样机已产出，个别系统已在油田进行工业性试验。
2 立根排放系统技术分析立根排放系统主要包括立根移送设备、固定立根装置(二层台)、视频监控系统及操作控制系统4部分，其中立根移送设备是立根排放系统的关键设备，它决定了立根排放系统的型式和处理立根的能力。根据移送设备的不同，立根排放系统可分为悬持式、推扶式以及悬持与推扶相结合的3种形式。
2.1 悬持式立根排放系统悬持式立根排放系统的立根移送设备能将所有立根悬持并按作业要求移送到井口或指梁。各生产厂家的悬持式立根排放系统参数对比见表 1。
| 生产厂家 | 适用管径/mm | 提升载荷/kN |
| 宝石机械 | 73.0~247.7 | 100.0 |
| 四川宏华 | 73.0~168.3 | 20.0 |
| 三一重能 | 73.0 | 4.5 |
| 威德福 | 88.9~203.2 | 68.0 |
宝石机械研制的以TJG 9 3/4-10自动井架工(见图 3)和气动指梁二层台为主要设备的悬持式立根排放系统，目前正在磨溪109井作业。该自动井架工[8]采用整体悬吊式结构，安装在二层台下方，可悬持外径73.0~247.7 mm的所有立根。该立根排放系统在司钻房用多功能手柄远程操作，采用PLC程序控制，可按照预定轨迹自动运行，并利用编码器和传感器等实时进行检测，实现安全互锁和立根精确定位，确保系统安全可靠运行。
|
| 图 3 宝石机械的悬持式自动井架工 Fig.3 BOMCO suspended automatic derrickman |
四川宏华生产的立根排放机械手(见图 4)的特点是提升载荷轻，夹持管径范围小，主要适用于钻杆立根的排放。
|
| 图 4 四川宏华的机械手 Fig.4 Manipulator of Sichuan Honghua |
三一重能生产的高空自动排管机(见图 5)设计小巧，动作灵活，仅适用于外径73.0 mm的立根排放。
|
| 图 5 三一重能的高空自动排管机 Fig.5 SANY automatic pipe handling machine at height |
2.2 推扶式立根排放系统
推扶式立根排放系统的立根移送设备与悬持式不同，其完全模拟人工排放作业，在立根下端放置到立根台后，它扶持立根上端，将立根上端推、拉到井口或指梁。宝石机械和NOV公司研制的推扶式立根排放系统安装位置及参数对比见表 2。
| 生产厂家 | 宝石机械 | NOV公司 |
| 适用管径/mm | 73.0~203.2 | 88.9~203.2 |
| 安装位置 | 二层台上 | 二层台下 |
宝石机械研制的以二层台立根扶持装置为主要设备的推扶式立根排放系统(见图 6和图 7)，目前正在黑龙江大庆徐深7-平1井作业，多次起下钻排放立根作业表明系统运行可靠。二层台立根扶持装置[9]安装于钻机井架二层台上方，将立根上端推、拉到井口或指梁进行立根排放作业。该立根排放系统的机械手只扶持立根上端，设备自重轻，钻机井架所承受载荷仅为设备自重。该系统可采用液-液控制或电-液控制，可在司钻房实现远程操作。
|
| 图 6 宝石机械的二层台立根扶持装置 Fig.6 Monkey board pipe supporting device of BOMCO |
|
| 图 7 宝石机械的推扶式立根排放系统 Fig.7 Push-support pipe handling system of BOMCO |
2.3 悬持与推扶结合的立根排放系统
悬持与推扶相结合的立根排放系统的主要特点是既可悬持立根，又能扶持立根，通常情况下悬持钻杆立根，扶持钻铤立根，从而完成所有立根的排放作业。宝石机械、烟台杰瑞和江汉四机研制的悬持与推扶相结合的立根排放系统排管能力及参数对比见表 3。
| 生产厂家 | 适用管径/mm | 排管能力/kN |
| 宝石机械 | 73.0~203.2 | 悬15、扶68 |
| 烟台杰瑞 | 88.9~228.6 | 悬68、扶100 |
| 江汉四机 | 127.0~203.2 | 上扶、下悬60 |
宝石机械研制的以TJG 8-1.5自动井架工为主要设备的悬持与推扶相结合的立根排放系统(见图 8)。对钻井过程中大量使用的φ73.0~φ127.0 mm立根采用悬持方式排放；对少数使用的φ127.0~φ203.2 mm立根采用扶持方式排放, 在钻台面由人工推扶方式进行排管作业。
|
| 图 8 宝石机械的自动井架工 Fig.8 BOMCO automatic derrickman |
烟台杰瑞的高空智能排管系统[10]如图 9所示。其最大提升载荷为68 kN，最大操纵(扶持、辅助移动)重力为100 kN，能完成外径88.9~228.6 mm的立根排放作业。该排管装置的特点是旋转、升降和移动等运动相对独立，便于司钻观察操作；同时该装置配备有爬梯踏板等设备，便于检查维护。
|
| 图 9 烟台杰瑞的高空智能排管系统 Fig.9 Intelligent pipe handling system at height of Yantai Jerry |
江汉四机生产的井架排管装置如图 10所示。其在二层台下方安装有扶持机械手，在钻台面上安装有悬持机械手，采用“上扶持下悬持”组合，能提升最大载荷为60 kN，能完成外径为127.0~203.2 mm的立根排放作业。该排管装置打破了常规“上提、下扶”的排管模式，改善了井架受力情况，但是，钻台面悬持机械手外形较大，占用了钻台面大门坡道侧的通道。
|
| 图 10 江汉四机的排管装置 Fig.10 Pipe handling device of SJ Petroleum Machinery Co., Ltd. |
2.4 3种立根排放系统性能分析 2.4.1 对井架载荷的影响
悬持式立根排放系统作业时，立根移送设备将立根夹持后上提，按规定的运行轨迹将立根递送到指定的位置。在该过程中井架不仅要承受立根移送设备的自重载荷，还要承受被排放立根的重力载荷和惯性载荷。立根排放系统能力越强，井架所受附加载荷越大。要保证立根的准确定位，井架的刚度和强度都必须满足一定的要求。相对而言，扶持式立根排放系统不需承受被排放立根的重力载荷，且设备自重轻，井架所受载荷小。
2.4.2 工作效率与安全性悬持式立根排放系统高位夹持立根，可独立完成所有立根的排放，不需要钻台面人工或设备辅助，作业时，只操控立根移送设备即可直接将立根排到指定位置；而扶持式立根排放系统作业时，需先将立根下端推送到立根台，再操控立根移送设备将立根上端推入指梁，或先将立根上端送到井口交给吊卡，再将立根下端移到井口。故悬持式立根排放系统排管流程简单，工作效率高，只需操控单一设备，没有人工或别的设备辅助配合作业，安全性高。
2.4.3 钻机配套适应性悬持式立根排放系统功能相对较强，但立根移送设备自重及提升载荷较大，井架受力状况恶劣，控制精度要求较高。该系统具有夹持管柱直径范围大、提升载荷大以及作业半径大的优点，适合于新生产的深井或超深井自动化钻机配套。
推扶式立根排放系统的立根移送设备结构相对简单，自重轻，不承受立根自重载荷，井架受力小；同时该系统立根定位精度要求不高，可采用多种操控方式，故适用于在用深井和浅井钻机的升级改造。
悬持与推扶相结合的立根排放系统综合了前2种立根排放系统的优点，排放轻载立根时采用悬持模式，在提高设备自动化程度的同时，还保证了设备的稳定性，提高了设备的效率；排放重载立根时采用推扶模式，不承受立根重力载荷，改善了井架的承载受力状况，可充分发挥设备的能力。
3 关键技术陆地钻机立根排放系统受钻机井架空间小、钻台面积小以及需频繁拆卸搬家等因素的影响，研发技术难度较大。研发具有我国自主知识产权的陆地钻机立根排放系统，使其满足钻机高效、安全、可靠的立根处理作业需要，需攻克以下关键技术。
3.1 排放模式及载荷分析根据钻机的配套需求以及立根排放作业时“上提、移送、下放、存储”等流程要求，确定立根排放系统方案及单元设备功能参数；依据各设备参数能力，进行各种工况的载荷分析。分析时既要考虑立根移送过程中系统设备所承受的重力载荷及功能载荷，又要考虑因风力和立根上提、下放时所引起的动态载荷。系统设备特别是立根移送设备的整体结构既要保证承载能力，又应有效地控制结构自重及外形，关键承载构件可以采用高强度材料，使其强度和刚度提高而自重较轻。同时，该设备安装在钻机井架上，应对井架及系统设备进行综合分析，可采用有限元整体分析井架和排管系统，使其总体强度、刚度及稳定性均满足各种工况下排管作业的需求。
3.2 控制系统设计立根排放作业由一系列顺序动作相互配合完成，要求系统既具有定位精确和快速响应功能以满足各单元设备对立根精确控制的要求，又要具有安全防护功能以满足立根移运过程中锁紧、防坠、过载保护和紧急停止的要求，从而确保系统安全可靠运行。在设计时，可通过液压系统增加高精度的比例节流调速阀，电控程序算法增加补偿功能等措施，来解决立根移送设备多关节复合运动的精确控制以及立根运行轨迹的自动规划等问题，从而达到立根自动化排放的目的。
3.3 系统安全性设计由于立根排放系统高位安装在二层台附近，并且在立根移送过程中，存在与钻台面和井架等静态结构之间的碰撞，也存在与钻机其他设备(如顶驱、吊卡和铁钻工等动态设备)之间的碰撞，故各部件不但要设置锁紧和防坠等安全防护功能，整体还需设置各种运动防碰撞功能。另外系统应具有过载保护、紧急停止和故障报警等功能，使操作人员能实时监测并掌控设备运行情况。同时，电液控制系统设计应充分考虑各基础元件性能，做好冗余设计，以保证系统的安全性和完备性。
4 发展建议(1) 立根排放系统是陆地钻机向自动化和智能化方向发展的一种关键设备，陆地钻机立根排放系统必然有很大的市场需求。为了尽早使陆地钻机推广配套立根排放系统，在考虑设备故障进行人力排放立根功能的同时，必须加强提高系统可靠性和易维护性的研究。
(2) 陆地钻机立根排放系统应充分考虑井架及钻台面相对空间较小和需频繁拆卸搬家等陆地钻机特征，需要设计方便钻机配套，易于安装、拆卸和运输等工作的设备。
(3) 根据3种类型立根排放系统特点并结合我国国情和石油行业当前现状，建议加快悬持和推扶相结合的立根排放系统开发速度。该系统自动化程度高、井架附加载荷小，能充分发挥设备的能力，而且整体效率高、经济性较好，可对大量在用的陆地钻机升级改造。
| [1] | 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. |
| [2] | 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. |
| [3] | RICHARD D.The next major step in total hands-free pipe handing-no derrickman in derrick racking and unracking pipe[C]//IADC/SPE Driling Conference Held in Amsterdam, the Netherlands, 2007:20-22. |
| [4] | 胡辛禾. 德国的高度自动化海上钻机[J]. 信息交流, 1999, 55(5): 52–53. |
| [5] | ANON.Murray Dl risk mitigation technique for asvanced rig control systems[C]//APE 72329.Middle East Drilling Technique Conference, 2001:22-24. |
| [6] | 王凌寒.深水钻井平台隔水管处理系统研究[D].青岛:中国石油大学(华东), 2009:6-12. |
| [7] | 白丙建, 贾涛, 高明, 等. TJG 9 3/4自动井架工的研制[J]. 石油机械, 2014, 42(11): 46–48. |
| [8] | 白丙建, 栾苏, 杨海刚, 等.钻机自动井架工:201220275911.1[P].2013-01-16. |
| [9] | 李洪波, 曹剑, 王耀华, 等.一种二层台立根扶持装置:201320533888.6[P].2013-08-29. |
| [10] | 刘东, 胡国强, 赵卫东, 等.一种井架排管装置:201010264971.9[P].2013-12-11. |