钻井自动化送/甩钻装备发展探析

张 杰，曹巍巍，姚贺杰，杨中兴，杨东升，孙绪发

（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300457；2.中国石油集团济柴动力有限公司再制造分公司，河北沧州 062658）

0 引言

近年来，随着国内外钻机配套设备自动化技术水平不断提高，相继开发出了自动铁钻工、全自动液压动力猫道、自动排管装置、二层台机械手臂、自动甩钻等高技术含量的装置。

我国钻机数量在全球的占有量相对较多，但在正在服役的钻机中传统钻机所占比例较高。在钻井过程中，传统钻机的钻杆上、下钻台需3～4 名工人配合，使用钻台与猫道上的两部气动绞车，通过钢丝绳拉、拽方式将钻杆拖入坡道、猫道完成作业。此操作效率低、工人劳动强度大、安全性差，钻杆的损坏程度高[1]。钻机配套液压动力猫道、气动甩钻装置实现自动化送、甩钻功能是钻井装备自动化技术发展水平的体现，是大势所趋。

1 液压动力猫道

国外先进钻机配备动力猫道较早，尤其是俄罗斯、美国等石油输出大国，基本上要求钻机配备。其中以加拿大CANRIG 公司的技术最为领先，国内不少厂家也在进行这方面研究。本文以CANRIG 公司液压猫道原理为例进行阐析。

该装置集机械、电气、液压于一体远程无线遥控，将钻杆在地面与钻台之间进行送上或运下。其结构主体有平跑道、斜跑道、运移杆三部分，不需要另外配备坡道和猫道，斜跑道可折叠到平跑道上整体运输，到井场后斜跑道与钻台连接固定即可（图1）。

图1 全自动液压动力猫道结构

（1）送钻过程。摇臂将钻杆从管排架上钩住后缓慢升起，依靠钻杆的重力经平跑道滚入运移架中的V 形槽内，此动作前运移架上的一侧挡舌会升起防止冲出V 形槽，完成此动作另一侧挡舌升起。钢丝绳拉动运移架在平跑道中行走，到达平跑道行程终点后运移架前端的滚轮开始在斜跑道的轨道中起升，直至把运移架的前端送上钻台到达限位处。小车推动钻杆沿运移架前端V 形滚轮前移，顶驱提环前伸吊卡锁紧钻杆后提升。

（2）甩钻过程。顶驱将钻杆下落，手动推入落到小车上拖动后移，运移架落回平跑道起点位置，运移架一侧挡舌落下，V 形槽内的拨翻将钻杆拨出滚落到摇臂上再下落到地面。

挡舌、拨翻、摇臂由液压齿轮泵控制液压缸实现升降，柱塞泵为绞车提供动力实现运移架的起升及钻杆的进退。PLC 控制电气、液压系统实现与机械系统的联动，单人无线遥控操作完成送、甩钻。液压动力猫道的优点是动作平稳、安全性高、承载力大、可运送钻杆、套管、油管、钻铤等钻具，缺点是：①运送能力有限，每次只能运送1 根，运送单根钻具的能力为3 min 左右，耗时长；②液压系统额定工作压力16 MPa，长期使用密封件易造成渗油，污染环境；③需要顶驱的配合才更能体现其先进性，国内7000 m 以下钻机配置顶驱较少。

2 气动甩钻装置

国内钻井速度较快，缩短甩钻时间可以大幅提升钻井队的效益。国内在用的传统钻机相对较多，自动气动甩钻装置的诞生替换原猫道不更改坡道，就能很好地解决甩钻时间长的问题，最多一次可以同时甩3 根钻杆。以4000 m 钻机为例，配备的钻杆约400 根，比传统甩钻可以节约2/3 时间。该装置结构分成两截方便叠加运输，到达井场后将坡道落到该装置上固定即可（图2）。

图2 全自动气动甩钻装置现场使用

为了适应快速的钻井作业，钻井队通常需要提前将每3 个单根钻杆接成1 个立根排放到二层平台上，以4000 m 钻机计约130 根立根，接立根的过程还需要传统方式送钻，在甩钻过程中使用全自动气动甩钻装置提高效率。

钻井队完成钻井作业拆除井架前需将立根钻杆拆分成单根钻杆运送下钻台，使用气动甩钻装置的流程是：①井架游车将立根吊起，第1 根钻杆放入鼠洞内卸扣分离；②游车将另两根钻杆吊起，钻台上的气动绞车将鼠洞内的钻杆吊出放到坡道V 形槽内；③在此过程中游车将第2根钻杆放入鼠洞卸扣分离后依次与第1 根钻杆并排摆放到坡道V 形槽内；④甩钻装置的翻板将3 根钻杆拨到小车上，小车的卡爪扣住钻杆端部一起拖动到指定位置后，卡爪抬起小车脱离钻杆，猫道上的翻板将3 根钻杆一起倾斜抬出猫道。从甩钻装置抬板将钻杆拨到小车计时起至钻杆滚出猫道约1 min，大幅提升了甩钻效率（图3）。

图3 甩钻装置各工作环节情况

翻板、卡爪、抬板均由气动系统控制气缸实现。PLC 控制电气、气控系统实现与机械系统的联动，单人无线遥控操作完成甩钻。气动甩钻装置的优点是动作迅速耗时少、一次3 根效率高、电耗低（整机约5 kW）、使用井场气源即可工作方便无污染。缺点是承载能力低，钻铤、套管等偏重偏大的钻具不能运送；考虑到安全因素暂不能实现送钻功能。

3 结束语

上文介绍了液压动力猫道和气动甩钻装置，两种装备均可以实现单人远程操作、手动和遥控双控制、PLC 控制驱动，能够实现自动联锁，安全性高。液压动力猫道的制作成本高、承载力大、运送速度慢，比较适合于国外钻井要求，而气动甩钻装置制作成本低、效率高、故障率低、无污染，比较适用国内的快速钻井。结合国内陆地钻机的实际情况，提高钻井自动化送/甩钻装备的安全性和智能化是未来的发展方向，能够起到“立竿见影”的效果，具有深远的现实意义。