0 引言

随着石油自动化钻机技术的不断发展与应用，我国管柱自动化设备从单元设备应用发展到现在成套系统集成，取得了可喜的成绩^[1-2]。铁钻工作为一种安全、高效的钻具上卸扣设备，广泛应用于陆地及海洋钻井平台的钻井作业。

铁钻工是建立根系统中的主要设备，对井口管柱建立根运行效率的提升及安全起到关键作用，基本实现了钻台操作机械化^[3-4]。然而，目前钻台面钻杆螺纹油的涂抹还需要人工操作，钻井液盒作为一个独立的设备，其运行到井口及退出井口也占用一定的时间。随着油田对保障井口作业安全、减少作业人员数量、减轻作业人员劳动强度提出更高的需求，国内外相关科研机构及企业对铁钻工、螺纹油涂抹装置与钻井液盒集成为一体的方案进行了相关技术研究，国外AKER MH公司和Weatherford公司研制了一体化铁钻工，并在现场进行了应用^[5-7]，其产品主要用于海洋平台，体积较为庞大；国内的宝鸡石油机械有限责任公司、四川宏华石油设备有限公司和山东科瑞石油装备有限公司等企业也进行了单元技术研究。目前，国内外还没有将铁钻工、螺纹油涂抹装置与钻井液盒集成为一体在陆地钻机应用的案例，主要是因为陆地钻机钻台面较小，一体化铁钻工的陆地应用需要更紧凑的设计。为了推进该产品的研制进程，在中石油集团公司科技计划项目的支持下，笔者对3 000 m自动化钻机一体化铁钻工的关键技术进行了研究，完成了该产品的结构设计，并进行了相关部件的厂内试验。

1 一体化铁钻工的结构设计 1.1 结构

一体化铁钻工主要由轨道式液压大钳、螺纹油涂抹装置以及钻井液盒等部件组成，其结构如图 1所示。

轨道式液压大钳安装在钻台面上，主要用于钻杆、钻铤和套管的上卸扣工作；大钳的前端左、右两侧分别安装有旋转支座，可围绕大钳前端左、右2个立柱旋转90°。左旋转支座上安装有螺纹油涂抹装置，右旋转支座上安装有钻井液盒，均可独立移动到井口，完成螺纹油涂抹或钻井液防喷工作。该一体化铁钻工3个设备共同使用1套行走导轨，节省了钻台布置空间，结构紧凑，满足钻具作业机械化的要求。

1.2 工作原理

液压大钳的轨道焊接在钻台面上，如图 2所示，其两侧的螺纹油涂抹装置及钻井液盒旋转至等待位，大钳沿轨道前后行走到井口或鼠洞位置，即可对钻杆进行上卸扣；当起钻需要使用钻井液盒工作时，大钳向后移动对正到钻井液盒井口，与钻井液盒连接为一体的右旋转座向顺时针旋转90°，将钻井液盒旋转到大钳正前方，并张开钻井液盒口，然后将钻井液盒伸缩臂伸出并抱住钻杆，完成钻井液防喷的工作，如图 3所示。当下钻或打钻时需要螺纹油涂抹装置工作时，如图 4所示，先将钻井液盒逆向运动到等待位置，让开井口位置，大钳移动到涂油装置的井口位置，与螺纹油涂抹装置相连的左旋转座逆时针旋转90°，将涂油装置转到大钳正前方，其伸缩臂伸出到钻杆上方，完成对钻杆内螺纹的清洗及涂油工作^[8-9]。

1.3 主要技术参数

液压大钳适用管柱直径范围：73.0~339.7 mm()；

涂油装置适用管柱直径范围：127.0~177.8 mm(5~7 in)；

钻井液盒适用管柱直径范围：73.0~139.7 mm()；

系统最大工作压力：21 MPa；

外形尺寸(长×宽×高)：3 394 mm×2 323mm×2 950 mm。

2 关键技术研究 2.1 系统集成设计

液压大钳、钻井液盒和涂油装置是3个各自具有独立功能的设备，共同点是对井口钻具进行机械化作业时，均需移动到井口中心作业，单个设备完成工作后，必须退出井口，为其他设备正常工作让开位置。因此3个设备共用1个去井口、退出井口的导轨或输送臂是减少钻台占地空间的最佳途径，而如何将三者集成在一起并互不干涉是该产品设计考虑的重点。

目前国内主要有伸缩臂式和轨道式2种型式的铁钻工，由于铁钻工的钳口在钳头的中心，而且其上、下方的位置被立根所占据，所以考虑将涂油装置及钻井液盒布置在钳头的左、右两侧。图 5所示为伸缩臂式一体化铁钻工，钻井液盒布置到铁钻工正前方，喷油装置布置到一侧，二者在前、后方向上不干涉。图 6就是研制的与轨道式液压大钳集成的轨道式一体化铁钻工。

2.2 涂油装置^[7]

螺纹油涂抹装置是近年来油田为了实现钻台作业无人化而提出的一个新设备，目前，国内外多家企业也在进行研究开发，作业现场对设备的要求是简单可靠、体积小、质量轻。该装置不仅要考虑螺纹油的涂抹方式，还要考虑螺纹涂抹前的清洗。

螺纹油的涂抹国内外大部分企业都采用喷射的方式，目前成熟的喷射装置基本都是对稀油喷射，由于螺纹油的黏度及稠度都比较高，所以稠油喷射机理的研究是该装置的主要难点^[10]。宝鸡石油机械有限责任公司经过项目攻关，目前已经取得了阶段性成果，实现了对稠度高的螺纹油散化并喷射，并且将喷嘴小型化，可对小钻杆内螺纹进行清洗喷油。

涂油装置工作原理如图 7所示。螺纹油桶放在钻台上，其上安装有气动抽油泵，在气泵的作用下，螺纹油被泵送到喷头的喷嘴处，同时，喷油气阀也同时打开，将喷嘴的螺纹油吹散到钻杆内壁，完成涂油动作。在涂油动作前，清洗气阀打开，高压气体从喷头的清洗喷嘴处吹向内壁，将上面附着的钻井液等杂物吹走，完成涂油前的清洗作业。提升缸的作用是在一桶螺纹油用完之后，可将泵及油桶内的吸油盘向上提升并退出油桶，可进行更换螺纹油的作业。

该设备的作业完全靠司钻集中控制，可一键式作业，完成螺纹油的自动涂抹，该设备的使用可使涂油工人离开井口作业，提高了井口作业的安全性，降低了工人的劳动强度。

2.3 轻便式钻井液盒机构设计

钻井液盒是该设备集成的另一个设备，主要是用于导流起钻或接立根时，保持钻台附件的设备及人员不受钻井液的污染。

集成于一体化铁钻工的钻井液盒，主要考虑的是质量轻、体积小，在缩回运动时，不与钻台面的其他设备及井架干涉。设计的钻井液盒在缩回至非工作状态下，采用上举升的方式并退出井口位置，该举升的优点是占据了高度上的空间，节省了平面内的占地，压缩了一体化铁钻工的整体宽度。

3 关键技术试验研究

试验研究主要是针对轨道式铁钻工、钻井液盒和自动螺纹油涂抹装置3个单元设备。轨道式铁钻工已经在宝鸡石油机械有限责任公司30DB19钻机使用，上卸扣效率高，性能稳定，满足套管及钻杆的上卸扣需求。

钻井液盒动作较为单一，只是接近钻杆后进行开合动作，从而实现抱合或松开钻杆，经过厂内对钻杆的抱合、松开试验，该钻井液盒动作自如，可实现防止钻杆中钻井液的喷溅。

自动螺纹油涂抹装置由于是全新设计产品，其主要难点主要在于：①喷嘴的设计及油气联合控制；②喷嘴不仅要有出油通道，还布置有清洗气孔及油气混合气孔，同时还要满足喷嘴在圆周方向上整体尺寸要小，可以放入钻杆中间；③喷出的油不得挂在喷嘴上，以免造成浪费；④在钻杆圆周方向上，螺纹油尽可能均匀。

喷油试验是将喷头插入模拟钻杆的内螺纹，通过喷油泵站的油气控制系统控制通向喷头油孔的油量和喷头气孔的气量，观察喷油的效果，最终实现管壁涂油均匀，定型一种合适的喷射螺纹油喷嘴。由于不同钻杆的喷射油量不同，如大钻杆油量较大，而小钻杆的喷油量较小，可通过喷油泵站的控制实现不同油量的调节。厂内喷嘴及喷油试验效果如图 8所示。该喷嘴可在6个方向上均匀向钻杆内壁喷油，其喷出的油滴颗粒较小，喷涂比较均匀且流量可控，满足设计需求。

一体化铁钻工主要是3个部件的集成，由于3个部件工作具有独立性，集成在一起主要考虑其相互干涉，根据数字化样机的仿真试验及现场动作试验，该产品各部件动作合理，满足设计使用要求。该产品目前已配置于宝鸡石油机械有限责任公司30DB20钻机，有待下一步进行工业性试验。

4 结论及建议

(1) 一体化铁钻工系统设计合理、结构新颖，属我国自主研发的具有自主知识产权的首套钻机井口自动化装备。

(2) 一体化铁钻工系统拥有螺纹油喷射专用喷嘴、自动涂油装置以及轻便钻井液盒等多项创新技术。

(3) 根据数字化样机仿真试验及关键技术试验攻关，该产品布置合理，控制功能可靠，满足设计要求，达到了预定的设计目标。

根据一体化铁钻工的现状，为了早日达到推广应用的目的，提出以下几点发展建议。

(1) 持续跟踪该产品在油田进行工业性试验的情况，根据现场的使用情况，及时优化产品，尤其关注涂油装置在大庆低温环境下的适用性。

(2) 考虑开发对钻杆进行清洗涂油的自动涂油装置，便于对涂油效果观察，同时考虑开发单独配置使用的自动涂油装置，可单独进行推广应用。

(3) 开发新型可旋转式、免更换颚板型轨道式铁钻工代替液压大钳，该铁钻工可对套管和钻杆上卸扣，同时可集成涂油装置及钻井液盒。