在役钻机管柱处理自动化改造技术和经济可行性研究

钻机管柱处理自动化技术是通过为钻机配套管柱自动化处理系统,实现钻井过程中管柱输送、接立柱、钻进、起下钻和甩立柱作业过程的自动化,最大程度避免人与管柱的直接接触,减轻工人劳动强度,降低操作安全风险,是钻机技术发展的重要方向之一。本文在分析钻机管柱自动化技术与装备应用现状的基础上,制定了胜利工程公司陆地在役ZJ50电动钻机管柱处理自动化改造实施方案,通过可行性分析,得出胜利工程公司可对陆地在役ZJ50电动钻机进行管柱处理自动化改造的结论。     

GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统研制

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。     

钻修井作业中管柱处理系统的技术发展

钻修井管柱处理系统是钻修井作业的一个重要环节,要想实现钻修井井口操作的机械化自动化,就必须要解决管柱排放自动化问题。介绍了国外管柱处理系统的发展历程及几种典型的管柱处理系统(动力猫道移送型、大臂旋转移送型、平行连杆机构移送型、井架机械手移送型和管柱垂直移送型),阐述了我国钻修井管柱处理系统的发展概况及要掌握的关键技术。最后为我国钻修井作业管柱处理系统技术发展提出几点建议。     

ZJ30/1800DB自动化钻机的研制

为了提高钻机自动化、智能化操作水平,提高操作安全性,改善作业环境,研制了ZJ30/1800DB自动化钻机。该钻机通过配置动力猫道、轨道式铁钻工、二层台自动井架工和液压吊卡等管柱自动化处理设备,并采用钻机集成控制系统和双司钻智能控制平台,实现钻杆、钻铤和套管等钻井管柱的输送、建立根以及管柱排放的自动化作业,形成了自动化、安全、低作业强度的钻具处理模式。试验结果表明:该钻机输送系统和建立根系统可完成最大φ340 mm的管柱处理要求,立根排放系统可完成最大φ203 mm钻铤及钻杆的排放要求。该钻机的研制成功可为国内自动化钻机的设计研发和现用钻机的自动化改造提供思路。     

大位移井钻井管柱作业极限实时预测方法

大位移井长裸眼段钻进过程中,井眼约束因素复杂多变,如何准确预测管柱作业极限对于安全高效作业至关重要。为此,考虑测量数据的时效性,建立了分段摩阻系数实时反演方法,实现了钻进过程中井眼条件的实时监测;将管柱作业极限预测模型与摩阻系数实时反演方法结合,建立了管柱作业极限实时预测方法;最后,引入管柱作业安全系数的概念,建立了基于管柱作业极限的管柱作业风险实时评估方法。案例分析结果表明,该理论方法可实时预测大位移井钻进过程中的管柱作业极限,识别异常井段,实现管柱作业风险水平的定量评估,并实时识别约束管柱作业极限的主要因素,可为钻井过程中的风险识别与优化措施提供技术支撑。     

钻分级箍管柱防反转工具设计与应用

在钻分级箍时,现有防管柱反转方法的作业效率低、作业成本高,存在安全风险。设计了一种操作简单的管柱防反转工具,对该工具夹紧装置的钳牙部分进行了优化设计,并开展了防反转工具的现场应用。结果表明,防反转工具安全有效,可提高钻分级箍的工作效率,提高机械钻速5.25倍,缩短了施工周期,不损伤钳牙和井口管柱,解决了钻分级箍时管柱反转问题。     

自动管具举升系统的研制及应用

为有效解决钻井现场管具上钻台和甩钻作业中存在的工人劳动强度大、危险系数高以及作业效率低等问题,研发了自动管具举升系统。该系统通过采用调节式钻井管具排放架、倾斜机构、管具推出机构、四连杆滑块机构和推送小车等,实现了钻井管具在地面与钻台面之间的自动、安全、高效举升与甩钻自动化智能操作。采用遥控技术及PLC逻辑控制技术,以PLC为核心,主控制器辅以软件程序的数字控制系统,操作模式分为无线遥控和有线控制2种,作业时,操作人员在离猫道有一定安全距离的地方操控整个系统,避免了管具举升过程中由于管具意外滑落伤人事故的发生,满足钻井设备HSE的要求。现场应用结果表明,该系统技术先进、结构合理、自动化程度及工作效率高;可显著减轻现场工人的劳动强度,实现管具处理的无人化作业,安全性好。该系统的研制为钻井现场提供了一种自动化程度高且安全高效的作业设备。     

深水钻井送入管柱技术及其发展趋势

为解决深水钻井送入管柱设计及选型设计的问题,对深水表层钻井中送入管柱的负载力学特性及其在作业中遇到的问题进行了研究,建立了送入管柱设计计算力学模型,并结合实钻井进行了模型应用分析.实例计算结果表明,相对于其他设计方法,用推荐的卡瓦挤毁修正模型计算的φ168.2 mm和φ149.2 mm送入管柱的最大拉伸载荷分别为3 234和3 136 kN,与最大许用拉伸载荷最为接近,反之说明用该方法设计出的送入管柱更加安全;用建立的极限拉伸载荷模型计算出在处理导管下沉时φ168.2 mm和φ149.2 mm送入管柱的安全系数分别是1.37和1.26,均满足最小安全系数1.10的要求,且送入管柱尺寸越大,安全余量和安全系数越高;而普通钻杆无法满足安全作业要求.研究结果表明,深水送入管柱设计必须综合考虑卡瓦挤毁和导管下沉复杂情况处理过程中管柱承受极限拉伸载荷两方面的因素,确保送入管柱在作业过程中的安全性.      

8 000 m四单根立柱自动化钻机研制

目前,石油钻机多采用三单根立柱进行钻井作业,管柱处理多以手动操作为主。为了提高钻井效率、降低钻井成本、改善工人作业环境、提高钻井作业安全性,研制了8 000 m四单根立柱自动化钻机。从钻机总体方案、关键系统方案、关键技术及试验等方面对该钻机进行技术分析。通过试验证明,8 000 m四单根立柱自动化钻机适应能力强、自动化程度高、作业效率高、作业安全。该钻机为石油勘探开发提质增效提供了有力的装备保障,具有良好的推广价值。     

自动化管具处理系统的研究与应用

国内对自动化管具处理系统的研究才刚起步,钻井作业中钻杆的传送更多依靠人工协同实现,远不能满足自动化钻井作业的需求。为此,研制了GW-AH1500自动化管具处理系统。该系统采用液控为主的液、电混合驱动,能够独立在鼠洞与钻杆盒间自动移运钻杆并完成钻杆的自动排放,可与在用或新型陆地液压钻机配套使用,实现高效、安全的作业模式。现场应用结果表明,自动化管具处理系统机械化和自动化程度高,可显著降低劳动力成本,钻杆输送等作业流程顺畅,抓取效率高,打破了国外技术的垄断。     

深水钻井作业管柱纵向振动载荷分析

深水钻井作业过程中,管柱在平台升沉振动的作用下产生纵向振动载荷,影响管柱的强度安全。以深水下表层套管作业管柱为例,建立了具有复杂结构的深水作业管柱纵向振动力学模型,并利用振动力学理论分析了管柱的纵向自由振动特性及纵向受迫振动载荷。分析结果表明,在平台升沉振动的作用下,作业管柱的纵向振动以第1阶振型为主;管柱顶端截面上的纵向振动载荷最大,是作业管柱上的危险截面;当钻井平台的升沉振动周期接近作业管柱的固有周期时,将产生极大的纵向振动载荷;当表层套管下入深度较大时,采用壁厚大的钻杆作为送入管柱能有效降低管柱纵向振动所产生的轴向应力。该项研究结果可为深水钻柱和送入管柱的设计提供依据。     

在役钻机管柱自动化排放装置配套技术研究与应用

在石油钻井作业过程中,起下钻和单根钻进扶管等工作需要井架工在二层台高空作业,内外钳工在钻台面配合作业,实现立根在井口与二层台及立根盒之间移动、排放。为提升钻井效率,降低钻井工人的劳动强度,研究了一种适用于在役钻机的管柱自动化排放装置。该装置利用电动二层台扶管机械手、液压吊卡和钻台面机械手配合作业,可实现立根的自动移送、排放,取得了良好的应用效果。     

立柱式排管机回转角度高精度测量与自动化控制研究

自动化管柱处理装备的规模应用已成为石油钻井装备的发展趋势。回转运动是立柱式排管机、钻台机械手、二层台机械手、自动井架工等自动化管柱处理装置的重要运动形式。目前,立柱式排管机回转角度的测量主要依赖人工控制,精度低,自动化程度很低。基于高精度测量传感器、液压摆线马达、液压伺服比例系统、PLC控制系统等建立了回转角度高精度测量与控制系统。系统所采集的角度信号传输给控制器后,按既定算法,控制比例伺服阀动作,完成精确的定位与控制。该系统可精确地自动控制立柱式排管机的旋转。蓄能器的应用提高了能量的利用效率,降低了成本。采用立柱式排管机回转角度高精度测量与控制技术,提高了自动化程度、作业安全和作业效率,对钻井施工有重要意义。     

7000m连续起下钻及连续循环智能钻机技术研究

针对常规深井钻机在钻井作业过程中,普遍存在的总起下钻时间长,井下复杂情况多,自动化程度低,劳动强度大,以及钻井成本高等诸多问题,提出了一种连续起下钻及连续循环智能钻机方案,并对该钻机的总体方案、连续循环、起下钻、管柱处理及集成控制等关键技术进行了详细描述。该连续起下钻及连续循环智能钻机可用于陆地、海洋半潜式和浮式平台等多种环境,其主要优点是提高钻井效率和作业安全性,大幅降低钻井成本,具有很高的适应性、经济性和先进性。     

深水钻井送入管柱卡瓦挤毁载荷模型研究

针对深水钻井中容易发生卡瓦挤毁送入管柱的问题,详细分析了管柱-卡瓦之间相互作用的机理,利用厚壁圆筒理论等相关力学理论建立了计算卡瓦挤毁载荷的新模型,并进行了模型验证和实例计算,结果表明本文建立的新模型可作为深水钻井送入管柱设计校核的依据,所计算出的送入管柱的作业窗口可以为现场应急事故处理提供指导,从而保障深水钻井作业的安全。     

水平井修井扭矩式万向节研制与应用

随着目前油田水平井、侧钻水平井钻井数量的增多,后期的水平井修井也与日俱增,同常规修井技术相比,水平井修井作业时存在的管柱下入困难、钻压难以传送及扭矩偏大问题,一直是困绕该类井修井的技术难题。为此,研制了扭矩式万向节水平井修井专用辅助工具。该工具主要由球形上接头、钢球、球形锁紧套、球形下接头等组成,可以在轴向上产生±5°的弯曲,既有利于降低修井管柱的刚性,又对管柱有一定的导向作用,从而能有效解决水平井修井时存在的主要技术难题。现场应用表明,该工具可以合理安装在修井作业管柱上,操作简单,使用方便,降低了侧钻井、水平井修井作业的施工难度。     

井下振动减摩技术研究进展

在大位移井、水平井中,无论是常规管柱还是连续管作业时,由于管柱与井壁接触面大、管柱不旋转等因素,管柱与井壁之间摩阻都很大。井下振动减摩技术利用流体能量通过一定方式使管柱产生振动,从而减小管柱与井壁之间的摩擦力,增加钻头的有效钻压,提高机械钻速,延伸管柱入井位移,可有效降低油田开发成本。介绍了连续管减摩器、声波流动脉冲方法和装置、轴向振荡发生器、降摩阻短节、井下振动减摩器以及水力振动减摩加压器等国内外各种井下振动减摩技术和装置,包括原理、结构设计、特性研究以及现场应用等方面。随着我国复杂结构井的钻井和后续作业陆续出现管柱与井壁摩阻大的问题,对减摩技术的需求也越来越多,井下振动减摩技术发展前景广阔。     

钻井人的自动化“DREAM”

胜利钻井院自主研发的"DREAM"系列钻井管柱自动化处理系统,让钻井作业更加高效、安全。春节前,由中国石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院(以下简称胜利钻井院)自主研发的"DREAM"钻井管柱自动化系统已在中原石油工程公司4个井队完成配套。其中,首秀70357钻井队已顺利进行4口井施工,累计进尺达11000多米,产品使用可靠稳定,得到了甲方的高度赞扬。     

修井用钻台机械手设计与仿真

修井作业过程中,需要对管柱进行大量的起下、排放作业,劳动强度大、安全风险高。钻台机械手能够实现管柱在操作平台与排放架之间的移送操作,可有效提高作业效率,降低劳动强度,提升修井作业自动化水平,为此研制了一种专门用于修井作业的钻台机械手,并对钻台机械手的结构、主要技术参数、技术特点进行了阐述。采用静力学分析方法对臂架各构件进行受力分析,验证臂架满足强度理论要求;运用ADAMS软件对臂架伸展推扶管柱过程进行运动仿真,为钻台机械手臂架轨迹控制及变幅油缸计算选型提供依据,验证了钻台机械手水平推力及推扶半径满足技术参数要求。修井用钻台机械手的成功研制及推广应用,促进了大修自动化管柱处理系统的发展。     

DM13.7/4.5型动力猫道研制与应用

在整个钻井过程中,管柱输送效率严重制约石油钻井效率及成本,尤其在超深井更为明显。依据陆地石油钻机向超深井、自动化、智能化发展实际需求,研制了9 000 m超深井石油钻机用DM13.7/4.5型动力猫道。该装置采用电控液技术方案,主要由基座、支撑臂、运移臂、坡道等组成,通过检测系统、速度控制系统、安全保护系统实现了管柱从井场的管子堆场与钻台之间一键式自动输送作业。通过现场试验,该装置输送139.7 mm(51/2英寸)管柱循环周期为80～100 s,可承运4.5 t的钻铤及609.6 mm(24英寸)套管,运行平稳,降低了人工作业强度,提高了管柱输送效率,提高了作业安全性,有效提升了钻井作业的自动化、智能化水平。