GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统研制

黄悦华，刘春宝，王耀华，买成华，邢广亮，王 翠，白丙建

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)



GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统研制

黄悦华1，2，刘春宝1，2，王耀华1，2，买成华1，2，邢广亮1，2，王 翠1，2，白丙建1，2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)

为提高钻井作业效率、降低操作人员劳动强度，提高操作安全性，同时为了提高钻机的自动化、智能化水平。研制了GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统，通过配置举升式动力猫道、自动井架工、液压吊卡、铁钻工等机械化设备，与顶驱装置配合实现钻杆、钻铤、套管等钻井管柱的机械化输送、机械化建立根、立根自动化排放等作业，实现高效、安全、低作业强度的管柱自动化处理作业模式。通过钻机集成双司钻智能控制平台，实现管柱处理系统的自动化远程集中控制。

钻井；管柱；自动化处理系统

常规钻机的管柱处理作业基本是由常规猫道与坡道，风动绞车、液压钻杆钳以及套管钳等机械化工具，并在多人操作及人力辅助配合下完成的。随着陆地钻机机械化、自动化、智能化需求的日益提高，依靠人力辅助简易的机械化工具已不能满足“提速、提素、提质”的需求。管柱自动化处理系统属于一种新型的钻井装备，钻机通过配套管柱自动化处理系统进行钻井作业，可大幅缩短接单根、建立根、起下钻等管柱处理作业时间，从而达到提高钻井作业效率和安全性[1]的目的。

目前，国内钻井装备制造商已陆续研制出了动力猫道[2]、二层台井架工、铁钻工、液压吊卡等管柱自动化处理系统单元设备。宝鸡石油机械有限责任公司与大庆钻探工程公司于2015-01共同研制出了国内首套适合于小型陆地钻机配套使用的GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统，该管柱自动化处理系统包括举升式动力猫道，二层台自动井架工、翻转式液压吊卡、轨道式铁钻工以及双司钻集成控制系统等设备(子系统)，可与顶驱装置配合完成钻杆、钻铤、套管等钻井管柱的机械化输送、机械化建立根、立根自动化排放等作业，实现高效、安全、低作业强度的管柱自动化处理作业模式，有效解决了目前国内小型陆地钻机普遍存在的管柱处理劳动强度大、作业危险性高、作业效率低、易发生人身安全事故的现状。

1 技术分析

1.1 系统设计介绍

GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统是充分结合常规ZJ30DB型钻机的结构形式而进行的全新设计。钻机地面管子堆场配置了举升式动力猫道(含液压排管架)、钻台面配置了铁钻工、液压吊卡，二层台配置了自动井架工，钻机司钻控制房配置了双司钻集成控制平台。各部件在钻机上的安装位置如图1所示。

1—举升式动力猫道；2—双司钻集成控制平台；3—液压吊卡；4—自动井架工；5—铁钻工。

1.2 工作原理

系统基于常规钻机管柱处理作业原理，即单根管柱在地面管子堆场区域与钻台面区域之间的双向输送作业，钻台面小鼠洞/井口建立根，井口与二层台指梁间的立根排放的基本作业流程原理。通过配置举升式动力猫道、二层台自动井架工、液压吊卡、铁钻工等机械化设备配合钻机游吊系统及顶驱装置、联合双司钻集成控制平台监视与控制，实现钻杆、钻铤、套管等钻井管柱的机械化输送、机械化建立根、立根自动化排放等作业。

1.3 主要技术参数(如表1)

表1 GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统主要技术参数

2 技术特点

2.1 机械化及自动化程度高

该管柱自动化处理系统[3]配套的单元设备(如图2～5所示)配合作业可实现管柱由地面管子堆场到钻台区之间的机械化输送，在井口或鼠洞机械化建立根以及立根在井口和二层台指梁区的自动化排放等。完全替代了传统钻井管柱处理作业过程中的依靠人力“拖、拉、拽”等繁重的、高危险、低效率的工作，全部实现机械化、自动化作业，大幅降低了作业人员的劳动强度，改善作业环境，提高了作业的效率。

图2 举升式动力猫道状态1

图3 举升式动力猫道状态2

图4 二层台自动井架工

图5 铁钻工和液压吊卡

2.2 智能化及集成化程度高

系统配套的双司钻集成控制系统[4]和远程电子双司钻智能控制平台，可实现管柱自动化处理系统单元设备的整体监控及自动化控制。通过主、副司钻一体化操控座椅实现对设备的集中操控，双司钻集成控制系统除具有常规钻井设备控制功能之外，还可完成钻杆、钻铤、套管等钻井管柱的机械化化输送、建立根、立根排放等作业的智能化集中控制[5]，形成高效、安全、低作业强度的管柱自动化处理作业控制模式，大幅提高了钻机的自动化、智能化、集成化水平。

3 关键技术

3.1 适合小型陆地钻机的管柱自动化处理系统配套技术

在常规ZJ30DB型钻机的基础上，设计集成了适合小型陆地钻机的管柱自动化处理系统。该系统配套了适合于两种钻台高度的举升式动力猫道，低位安装，可实现X-Y作业模式的二层台自动井架工排管。配备具有直线移动功能的轨道铁钻工以及具有自动翻转功能的液压吊卡等关键设备。适合小钻台的高度集成化的双司钻集成控制平台，解决了小型陆地钻机应用的多种机械化设备配套技术难题。

3.2 多设备联合高效作业技术

系统采用可编程控制技术、工业网络通讯技术、集成控制技术，通过主、副司钻一体化座椅实现管柱自动化处理系统所有设备的集中控制与监视，如图6所示。上位工控机IPC、自动化级(PLC)、数字传动级和司钻操作台通过PROFIBUS-DP网络连接，构成三级网络系统，如图7所示。最终实现多设备联合高效作业。

图6 双司钻控制平台

图7 自动控制环形网络

3.3 双司钻集中远程控制技术

双司钻集成控制系统通过采集各设备设置的位移传感器、旋转编码器等传感器的信号对系统各设备的动作运行轨迹进行精确控制、并针对设备轨迹存在重叠进行必要的安全逻辑互锁控制，确保各设备安全、高效作业，如图8～9所示。

图8 司钻集成控制界面1

图9 司钻集成控制界面2

4 厂内试验

4.1 单设备功能及型式试验

该项试验的目的是检验各设备功能及能力，试验采用了双司钻集成控制操作模式、本地应急控制台操作模式，验证了各设备是否能按设计要求实现功能要求，并且按设备的参数设计要求进行了相应的型式试验，试验结果表明各设备均能按相应指令进行工作，满足设计参数要求。

4.2 设备联合调试试验

该项试验目的是为模拟油田现场管柱处理作业流程的联动试验，主要测试项目为井口模拟接单根、鼠洞建立根以及二层台立根自动化排放等试验，所有设备及子系统均参与了此项试验，同时与常规管柱处理作业流程进行的周期对比试验，整个联动试验过程中各设备运行平稳，衔接可靠、且作业效率明显高于常规人工作业，满足设计要求。

5 结论

1) GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统采用机、电、液一体化设计理念，通过电液联合控制模式，各设备操作灵活可靠，可实现钻机地面排管区、二层台区域的无人值守以及管柱处理作业的机械化、自动化操作，可大幅降低作业人员的劳动强度，提高现场的作业安全性。

2) 该管柱自动化处理系统完成了厂内的全部型式试验及联调试验。下一步将发往油田进行整个系统的工业性试验。根据工业性试验的效果及时进行设备及系统的优化改进，以便于设计定型及量产。

3) 该项目的实施对于国内小型陆地钻机的机械化、自动化、智能化的发展具有重要意义，具有良好的社会效益和广阔的市场前景。

[1] 于兴军，孙志刚，魏培静，等.国内石油钻机自动化技术现状与建议[J].石油机械，2014，42(11)：25-29.

[2] 赵淑兰，李文彪，聂永晋，等.动力猫道技术国内外现状和发展趋势[J].石油矿场机械，2010，39(2)：13-15.

[3] 常玉连，姜开勋，樊岩松，等.钻修井作业中管柱处理系统的技术发展[J].石油机械，2012，40(1)：87-89.

[4] 张鹏飞，朱永庆，张清锋，等.石油钻机自动化、智能化技术研究和发展建议[J].石油机械，2015，43(10)：13-17.

[5] 白丙建，谭刚强，栾苏，等.陆地钻机钻杆自动处理系统方案设计[J].石油矿场机械，2014，43(2)：86-88.

Development of GC 2L4 String Automatic Processing System

HUANG Yuehua1，2，LIU Chunbao1，2，WANG Yaohua1，2，MAI Chenghua1，2，XING Guangliang1，2，WANG Cui1，2，BAI Bingjian1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

In order to improve the drilling efficient，reduce the labor intensity of workers，and improve the automatic and intelligent operation level of drilling rig，Development of GC 2L4 String automatic processing system，through the configuration of lifting Power Catwalk，automatic derrickman，flip type hydraulic elevator，rail type iron roughneck machinery equipment and so on.These equipment with the assistance of top drive devices Accomplish the drill pipe，drill collar and casing drilling string of mechanical transmission，mechanical root，establish the automatic discharge operation.High production efficient，safe，low intensity model of the pipe treatment system are realized.Through integrated driller control platform of the rig，pipe automation remote post processing system centralized control.

drilling；pip string；automatic processing system

2016-06-06

中国石油天然气集团公司科研开发项目“3000米全自动化钻机”( 2016B-4003)

黄悦华(1960-)，男，陕西临潼人，高级工程师，主要从事石油钻机设计及技术管理工作，E-mail：jszxhyh@bomco.cn。

1001-3482(2016)11-0066-04

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.015