国产全液压钻机的研制与应用.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 ． ． 钻井技术 与装备 国产全 液压钻机 的研制与应 用 朱 兴 樊岩松 韩 冰 赵京坤 聂永晋 张延忠 渤海装备研 究院海工装备 分院 摘要 全液压钻机是钻井 自动化的一个重要方向。为 了提高 国产钻机的 自动化和智能化水平 ， 研制 了具有 自主知识产权的全液压钻机。该钻机 突破 了倍程提升系统、液压控制 系统、钻具 处理 系统等关键技术，可以适应环境条件和地质构造相当恶劣以及钻井费用相 当高的地 区的钻井工作。 同时，具有更好的适应性和经济性。现场试验结果表明，钻机的功能和参数达到设计要求，试验效 果 良好。国产全液压钻机可以明显减轻工人的劳动强度 ，使操作更安全 ，施工质量也得以提高。 关键词 全液压钻机；游动系统；钻具处理； 自动控制 中图分类号 T E 9 2 2文献标识码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 5 De v e l o p m e n t a n d App l i c a t i o n o f Do me s t i c Hy dr a ul i c Dr i l l i ng Ri g Z h u X i n g F a n Y a n s o n g H a n B i n g Z h a o J i n g k u n N i e Y o n g j i n Z h a n g Y a n z h o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C N P C B o h a i P e t r o l e u m E q u ip m e n t Ma n u f a c t u r i n g C o ． ，L t d ． Abs t r ac t Hy d r a u l i c d r i l l i n g r i g i s a n i mp o r t a n t d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f a u t o ma t i c d r i l l i ng ．I n o r de r t o a d v a n c e t h e d o me s t i c r i g a u t o ma t i o n a n d i n t e l l i g e n t i z a t i 0 n l e v e l ， a h y d r a u l i c d r i l l i n g r i g i s d e v e l o p e d wi t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e y r i g h t s ． D u r i n g t h e d e v e l o p me n t o f t h e r 唔，s o m e b r e a k t h r o u g h s i n k e y t e c h n o l o g i e s h a v e b e e n ma d e l i k e t h e d up l e x s t r o k e h o i s t i n g s y s t e m ， t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m a nd t h e p i p e h a n d l i n g s y s t e m ， ma k i n g t h e r i g a d a p t e d t o h a r s h e n v i r o n me n t ，c o mp l i c a t e d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s a n d h i g h c o s t d r i l l i n g a r e a s ． T h u s ， t he n e w de v e l o p e d h y d r a u l i c d r i l l i n g r i g h a s a b e t t e r a da p t a b i l i t y a n d e c o n o my ． I n d u s t ria l t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r i g f u n c t i o n s a n d p a r a me t e r s h a v e me t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s wi t h g r e a t fie l d t e s t r e s u l t s ． Th e n e w d e v e l o p e d d o me s t i c h y d r a u l i c d r i l l i n g啦 c a n s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e l a b o r i n t e n s i t y a n d p r o v i d e a s a f e r o p e r a t i o n a n d a n a d v a n c e d o p e r a t i o n q u a l i t y ． Ke y wo r ds h y dr a u l i c d r i l l i n g r i g； t r a v e l i ng s y s t e m ；d r i l l i n g t o o l h a n d l i ng； a u t o ma t i c c o n t r o l 0 引 言 全液压钻机在国外 已经发展多年 ，已经有了成 熟的系列产品 ，主要有意大利 D r i l l me c公司生产的 HH一3 0 0液压 钻机 、挪 威 1 v r S公 司生 产 的 2 5 0 D L a n d R i g s 钻机及美 国的雪姆液压钻机等。 自动化 程度较高的钻机在 国内还处于空 白。 为 了满足市场需求 ，提高公司核心竞争力 ，追 赶世界先进钻井装备水平 ，渤海装备辽河重工有限 公司研制了全液压钻机 。与常规钻机相 比，全液压 钻机提升系统方案简单 、结构紧凑 、体积小 、质量 轻、成本低 ，技术经济指标先进 ；自动化程度高 ， 可减轻工人劳动强度 ；采 用液压驱动 ，无 工作火 花 ，钻井更安全 ，特别是钻天然气井或伴生天然气 较多的油井 ，不会发生着火事故 ，是一种很有发展 潜力的设备 。 1 技术分析 1 ． 1 全液压钻机结构特点 全液压钻机提升功率为 1 1 0 0 k W，最大钩载为 基金项 目辽宁省重点科研项 目 “ 全 自动液压钻机研制” 2 0 1 1 2 2 0 0 4 8 。 2 0 1 4年 第 4 2卷 第6期 朱兴等国产全液压钻机的研制与应用 3 1 5 0 k N，满足 5 0 0 0 m 1 l 4 ． 3 m m钻杆 井深的 勘探 和 开发 作业 需 求。钻 机采 用 3台 C A T 3 5 1 2 B 1 9 0 0 k V A ／ 6 0 0 V ／ 5 0 H z 柴油发 电机组作为主动 力 ，发 出的 6 0 0 V、5 0 H z交流 电经西 门子软启 动 控制器 ，采用一对一控制方式分别驱动主液压站 2 台 6 0 0 V、6 3 0 k W 电机 ，采用 2套 6 0 0 V、1 2 0 0 k W 西 门子 S 1 2 0系列变频调 速器 ，采用 一对一控 制方式分别驱动 2台钻井泵电机。全液压钻机三维 模型见 图 1 。 1 一 基座 ；2 一综合液压站 ；3 一辅助液压站 ；4 一 司钻 房 ； 5 一 钻 具处 理 装 置 ； 6 一 顶 驱 ； 7一 伸 缩式 井 架 。 图 1 全 液 压 钻 机 三 维模 型 Fi g ．1 Th e t h r e e di me ns i o na l mo de l o f h y dr a ul i c d r i l l i ng r i g 全液压钻机起下钻全部 由司钻完成 ，整套钻机 只需 3人即可进行操作。配备液压马达驱动转 盘 ； 井 口自动化工具满足各种作业需求 ；钻具处理系统 能够 自动完成钻杆上 、下钻 台工作。 该钻机的井架 、辅助液压站在同一拖车上 ，底 座一端和拖车相连 ，另一端用 2个伸缩支腿和基座 相连 ，通过起升拖车将底座和拖车起升到位后 ，再 起升井架 。车载钻 台，液压起升。 主液压站位于一独立拖车上 ，通过液压管线分 别驱动主起升液缸 、转盘 、顶驱以及井 口自动化工 具等 。主液压站 、发 电房 和电控房位于钻机左 侧 ， 钻井液罐位于钻机右侧 ，便于合理布局 电缆和钻井 液管线。V E D电控房 、发 电房 、钻井 液罐 、钻井 泵和井控房全部采用托撬形式 ，布置合理 ，满足快 速搬家和安装要求 J 。 电控系统逻辑控制使用西门子 S 7 4 0 0系列产 品 ，采用 双 P L C控制方 案取 代原来 系统 单 P L C， 并采用热冗余备份方式。P L C主站安装在 V F D系 统综合控制柜 内，2个分站分别安装在液压站配 电 箱内和司钻控制偏房配 电箱 内，P L C系统与发电 、 驱动、司钻和仪表等系统通过现场总线 P R O F I B U S D P组成现场级的工业网络。 1 ． 2 倍程提升系统 倍程提升系统是整个钻机 的关键 ，其原理 图见 图 2 。其主要功能是替代 常规钻机的提升系统 ，例 如绞车 、游车和大钩等部件 』 。 1 一死绳 固定器 ；2 一外层井架 ；3 --提升钢丝绳 ；4 一加 压液 缸 ； 5一 天 车 ； 6 一 内层 井 架 ； 7 一 液 压 顶 驱 ； 8 一 钻具 ； 9 一加 压 钢 丝绳 ； 1 0 一 滑轮 ； 1 1 一 主 提 升 液缸 。 图 2 倍程提升 系统原理 图 F i g ． 2 T h e s c h e ma t i c d i a g r a m o f d u p l e x s t r o k e h o i s t i n g s y s t e m 全液压钻机的提升系统 由主提升液缸推动内层 井架在外层井架内滑动来驱动液压顶驱提升钻具 ， 即以液压提升来代替传统的绞车功能。同时，通过 加压液缸和加压钢丝绳实现对液压顶驱 的下压力 ， 满足钻井时表层钻压的需求 。顶驱的运行速度为液 缸运行速度的 2倍 ，受力为液缸受力的 。 顶驱的上提及下放 由井架内的主液压缸伸缩驱 动完成 ，通过对液缸的速度及力 的控制，即可实现 手动起下钻功能。手动起下钻系统起升时共分 4挡 速度 ，每挡速度的切换都通过改变主液压缸进出油 口所对应的截面积来实现。 1 ． 3 钻具处理 系统 钻杆排放数量 8 8 ． 9 mm 3 i n 钻杆 3 4 0 根 ， 1 0 1 ． 6 m m 4 i n钻杆 3 0 6根 ， 1 1 4 ． 3 mm 4 i n 钻 杆 2 7 2根 ， 1 2 7 ． 0 m m 5 i n 钻杆 2 7 2根 ； 钻杆盒数量 1 7 ； 钻铤规格 1 6 5 ． 1 m m 6 i n 、 1 7 7 ． 8 mm 7 i n 、 2 0 3 ． 2 m m 8 i n 、 2 2 8 ． 6 9 i n ； 单根管柱最大长度 1 4 ． 6 3 m； 吊机最大承载 1 5 0 k N； 液压系统压力 2 1 MP a 。 一 2 2一 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 6期 钻具处理系统是一套能够在 鼠洞与钻杆盒间 自 动移运钻杆的 自动化系统 ，同时还 能手动处理套 管 、加重钻杆 、钻铤 以及油管等。 钻具处理器系统 的动力源有电动及液压动力 2 种。机械手上升／ 下降采用 电机驱动 ；钻具处理器 旋转为 电机／ 液压 2种驱动方式 ，电机驱动 为主 ， 液压驱动为辅 ；吊臂进出、吊钩上与下、钻杆夹持 与松开采用液压驱动。钻具处理系统有 自动操作、 手动操作及遥控操作 3种工作模式。自动操作和手 动操作在司钻 台完成 在触 摸屏 上及主令开关 均 能完成切换 ，并设置互锁 ，手动操作可在司钻 台 完成 ，也可用遥控器实现。 1 ． 4 液压控制系统 全液压钻机操作方便 ，自动化程度和安全性较 高。整套控制主要 由顶驱控制 、起下钻控制 、自动 送钻控制、液压站控制 、辅助工具控制 、井架底座 起升控制和安全互锁控制组成 I 9 J 。控制系统原理 图见 图 3 。 l顶驱速 度控制 转盘驱l U ． 壬弛起． 扫 张紧缸 卸 鳖乎 I l I 自 一 一 i l 流量 ． ． I 一 堡 j 蛱 钻 工 4 顶 驱 l 控 制 块 口 润 ’ I控 制 块 l 士 匪 f 口 hI m 一 _ 磊 { -R 主 一 I [ 具 妻 h_一 1 l 圜 蝼l 罐 电控 开关 辩 顶驱 压 力 扭矩 油缸 油缸 E _且 力 回 油压 表 扭 矩袭扭 表 卜一 二工|_ 星 ⑦ 钻 井 液 压 力 回 甲 ， J舞 罂 E 团 ．具 路 阔 压 】 匣 顶 驱 扭 矩 限 制一 上 提 拉 力 限 静 囹 控制压力 钻 杆 扭 矩 j 毕放 窗 匝 【 厂 油 缸 上 提 0 回 回 L 匣 匣 l 匣 ] 圃 匿 蝌 缸 放 『 _ 『 - ‘L啦 ] l 自 动送钻 B 顶驱 制动 ∞ 喱 I I m 一 I 回油过渡体 图 3液压控 制 系统原理 图 F i g ． 3 T h e s c h e ma t i c d i a g r a m o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m 控制方法全部采用负载传感控制 ，检测执行元 件的负载压力 ，并反馈给变量泵 ，从而控制泵的排 量 ，这样可以对执行元件进行无级速度控制，并可 以提高系统效率。控制方式主要采用液压控制。由 于系统流量较大，且要求响应速度快 ，密封性好 ， 所以主要液压元件采用二通大流量插装 阀结构形 式。为了提高系统的安全性 ，整套控制设计了很多 检测装置，通过检测和程序控制 ，避免了很多干涉 及无效动作。 1 ． 5 液压顶驱 系统 液压顶驱系统由 3个安装在重型本体上 的顶部 液压马达驱动 ，并安装在一个顶驱支架上 ，支架可 以沿井架上的导轨上 、下移动 ，液压顶驱配备了由 主控制面板操作 的气锁静态刹车 ，还配有减振装 置。顶驱通过液压 控制，可以实现液压调速 见 图 4 。 1 一鹅颈管总成 ；2 一减速器总成 ；3 一平衡上跳装 置 ； 4 一 悬 挂体 ； 5 一 扭矩 钳 总成 ； 6 一 下套 管钳 。 图 4液压 顶 驱 F i g ． 4 T h e h y d r a u l i c t o p d r i v e 1 ． 6井口自动化工具 设计了一套井 口自动化工具 ，包括铁钻工 、自 动卡瓦和小鼠洞卡盘等。考虑其在所有工况下各 自 2 0 1 4年 第4 2卷 第 6期 朱兴等国产全液压钻机的研制与应用 动化设备之间的配合 、互锁关系 ，利用 P L C完成全 部操作控制 ，由司钻远控完成，控制系统 自动记录 钻具的上扣扭矩 ，代替钻台上钳工及井架工的操作。 2钻机技术参数 1 0 ． 9 7 。 。该井钻井周期 2 4 ． 5 d ，完井周期 2 9 ． 9 4 d 。 其中非生产时间 1 2 ． 2 5 d ，占总时效 4 0 ． 9 ％。 全液压钻机 的现场试验 ，不仅验证了整个钻机 的起下钻、钻进 、下套管等全部钻井功能 ，同时又 检验了钻机处理事故的能力及设计载荷。 名义钻深范围 1 1 4 ． 3 m m钻杆 5 0 0 0 m ， 5 结论及 认识 1 2 7 ． 0 mm钻杆 4 5 0 0 m； 最大静钩载3 1 5 0 k N； 最大钩速 1 ． 3 m ／ s ； 最大管柱作业长度 1 4 ． 6 3 m； 钻台高度 7 ． 5 m； 装机功率 3 6 0 0 2 9 2 k W； 液压系统压力 3 5 M P a 。 起下钻速度不低于 4 5根／ h的处理水平 ；主机 搬家车次控制在 2 0车次之 内；占地面积约为常规 钻机的％ ，整机只需 2～3人即可操作。 3 创 新点 1 全液压钻机 优化 了井 场布局 ，减小 了占 地面积。合理布置主机和外 围设备 ，使井场面积缩 小到常规 5 0 0 0 m钻机井场面积的％ 。 2 采用井架 、辅 助液压站 和车载一体 化设 计 ；钻具处理器和拖车一体化设计等方案 ，提高钻 机的移运性 ，钻机搬到临近井位可在 2 4 h内完成 ， 油区内搬家一般不超过 3 d 。 3 通过分析整套钻机 的各种工况 ，完成液 压控制系统的设计 ，包括钻机总体控制系统、顶驱 控制系统 、手动起下钻系统和自动送钻控制系统等。 4 通过研究钻机倍 程提升机 构 ，设计 特种 液缸 ，达到用液缸代替传统绞车提升系统 的 目的， 提高钻机的安全性。 5 开发了钻具处理 系统 ，研制 了一套井 口 自动化工具 ，实现了钻具的自动化处理。 4 现场试验 全液压钻机于 2 0 1 2年 1 2月 1日在锦 2一丙 5 一 A 3 2 5井进行现场试验 。该井是二开定 向井 ，设 计井深 1 4 7 0 m，1 2月 3 1日完井。完井井深 1 4 7 2 I l l ，井身质量和固井质量合格。平均机械钻速 1 8 ． 4 m ／ h ，造斜 点 1 0 3 0 m，位 移 4 4 ． 9 m，最 大井 斜 1 全液压钻机提高了 自动化和智能化水平 ， 可以减轻工人的劳动强度 ，使操作更安全，施工质 量也得以提高。 2 我国加大 了煤层气和页岩气 的开发力度 ， 全液压钻机将在这一领域大有作为。 3 国内厂 家应该 进行全液压钻机 的设计和 研究 ，并为开发 系列 化液压钻机产 品进 行技术储 备 ，以提高国产钻机的 自动化水平。 参考文献 罗超 ．浅 论 我 国 石 油 钻 机 技 术 现 状 和 发 展 策 略 [ J ]． 石油机械，2 0 0 3 ，3 1 1 4 6 4 9 ． 尹永晶 ．车装钻机 [ M]．北京 石油工业出版社， 2 00 2． 石林，李国顺 ，郭世超 ，等 ．钻机总体方案经济技 术评价指标的设想 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 1 ，3 0 645 ． 张吴湖，白真权 ．关于我国石油钻机 的发展建议 [ J ]． 石油矿场机械，2 0 0 4，3 3 2 1 8 2 1 ． 濮 良贵 ，纪名刚 ．机械设计 [ M]．北京 高等教 育 出版社 ，2 0 0 8 ． 李继志 ，陈荣振 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