中国海上固定平台模块钻机自动化技术现状及展望

通过提高海上钻井装置自动化配置水平,可有效提高钻井作业时效和作业安全性,对海上油气田开发具有重要意义。回顾了中国海上移动式钻机和固定式钻机发展历程,通过两种海上钻井装置的自动化技术应用情况对比,分析了海上固定平台模块钻机自动化技术发展现状,重点对模块钻机的集成操作控制系统、管具自动化处理系统和钻井液混配处理系统进行了研究。通过研究分析,指出了模块钻机在上述3个自动化应用领域存在较大差距,最后展望了中国海上固定平台模块钻机自动化技术的发展方向。     

钻机自动化管具处理系统研究

传统的钻机管具处理方式耗费时间长、安全风险高、劳动强度大。鉴于此,针对管具处理系统的模块化和自动化等方面展开研究,开发了一种由管具处理机械手、自动化钻杆盒和电液控制系统等组成的钻机自动化管具处理系统。该系统由PLC按设定的程序进行顺序控制,自动完成排管、抓管和送管等一系列操作,与顶驱、动力大钳和自动卡瓦配合基本实现由1名操作人员通过计算机控制管具处理的全过程。现场应用结果表明,自动化管具处理系统可以显著减轻工人的劳动强度,施工由4~5人减少至1~2人,实现了管具处理的井架无人化和井口无人化作业,操作灵活,性能优越可靠,具有广阔的应用前景。     

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。     

崖城13-1PFA小撬块组合式模块钻机结构设计

崖城13-1PFA模块钻机是"小撬块、组合式"海洋模块钻机,其各功能模块由许多小撬块组成,各小模块之间通过销轴或螺栓连接。对崖城模块钻机的DES模块、PM模块和DSM模块进行有限元分析,重点对该钻机与常规模块钻机进行对比,总结了小撬块、组合式钻机的结构型式与特点。该模块钻机每个撬块可以利用平台上新增的吊机进行海上安装,极大地降低了海上施工费用,避免了对大型浮吊的依赖。     

海上模块钻机T型导轨结构分析

海上模块钻机是我国海上油气田开发过程中重要的钻完井机具。对海上模块钻机T型导轨的结构进行了研究和优化设计,指出了T型导轨增加纵向斜筋板方案能更好地满足模块钻机在丛式井口区滑移的需求。     

海洋模块钻机钻井仪表和电控系统集成优化技术研究

随着海上油气开采的不断深入,模块钻机自动化程度越来越高,开展钻井仪表和电控系统集成优化研究具有重要意义。介绍了海洋模块钻机控制技术现状,并在此基础上进行深入研究,提出了一套以PLC控制技术为基础,将钻井仪表系统、泥浆泵控制系统、绞车电控系统及顶驱电控系统集成为一体化电控系统的优化方案,可为同类海洋模块钻机的设计提供借鉴。     

海上模块钻机新型管子处理机器人的研制

海上模块钻机对管子的处理效率直接影响钻完井作业时效,但现有管子处理装置安装尺寸大、扫掠面积大,严重制约了其在海上模块钻机的应用。以机械臂式管子处理装置为基础,研制了一种海上模块钻机新型管子处理机器人,该机器人共包含7个自由度,主要由主臂基座、主臂、翻转座、内臂、外臂和管子抓放总成等6个部分组成,通过主臂与副臂协调运动确定管子抓放总成位置,由管子抓放总成对管子进行抓取,翻转座可以带动副臂穿过主臂内部空间直接抓取和举升管子。利用ANSYS模拟计算优选了新型管子处理机器人关键结构的材料,按照1∶50的比例制作了原理样机,样机试验分析表明采用本文研制的管子处理机器人进行起下钻作业安全稳定,管子处理速度可达到520 m/h以上,能够极大提高钻完井作业时效,可满足模块钻机海上作业要求,具有较好的应用价值。     

4000 m轮轨+滑轨丛式移运低温钻机的研制

为满足俄罗斯北极圈附近极地低温地区的油气勘探开发需要,研制了4 000 m轮轨+滑轨丛式移运低温钻机。钻机主要运用了低温结构件技术、双模式轨道同时移动的丛式井移运技术、加热及保温等技术,满足极地低温地区丛式井钻井工艺要求。钻机由2移运模块组成,井架、底座和绞车等钻台区部件组成的主机模块整体采用滑动摩擦的滑轨方式移动;钻井液处理、钻井泵、电控和气源等部件组成的配套辅助模块采用滚动摩擦轮轨方式移动,2模块共用钻机机具液压站液压动力同时移动,满足丛式钻井及过井口设备的工艺要求。钻机配套2节套装伸缩式井架,利用液压油缸起升,井架可整体利用半挂车拖挂运输。另外钻机具有钻井液吹扫和棘爪自锁等多项自动化操作功能。钻机在常规试验和联调试验中,各项性能指标均达到了设计要求。该低温钻机性能先进,工作效率和搬家的适用性高,具有广阔的市场推广前景。     

陆地钻机用二层台管具排放系统设计

根据目前钻井施工对管具排放作业安全性和作业效率的要求,结合当今管具排放技术领域的发展趋势,提出了一种紧凑型管具排放自动化系统的设计方案。该系统由机械臂总成、机械手总成、滑车总成、纵向传动系统总成、走台总成等子系统组成,可直接安装在现有陆地钻机的二层台上。系统采用全液压驱动方式,具有轻便、结构紧凑、作业效率高、现场施工安全性好、安装与拆卸方便、维护成本低以及与现有钻机适应性好等特点,可满足钻机起下钻作业时管具的夹持、提升和排放等作业需要。     

番禺30-1气田钻机DES模块吊装强度分析

7000m海洋模块钻机是番禺30-1气田开发工程的关键装备,文章介绍了该模块钻机海上吊装工程概况,针对现场实际情况,对原定的吊装方案进行了改进。为了合理评估吊点结构的安全性,应用ANSYS软件对吊点结构进行了有限元分析。结果表明,吊点结构能满足起重船吊装作业的安全要求,为DES模块海上吊装方案的确定提供了可靠的依据。对海洋模块钻机的海上吊装提出了建议。     

海洋平台连续起下钻钻机及关键设备研究

针对当前常规海洋自升式钻井平台钻井作业采用间歇起下钻方式存在的起下钻作业时间长、井下复杂情况多等缺点，提出了一种全新概念海洋自升式钻井平台的连续起下钻钻机，完成了连续起下钻作业流程确定、立根长度确定、连续起下钻系统、排管机、集成控制系统等关键技术和设备设计。该钻机配套常规顶驱，通过采用新增连续起下钻系统设备，改进排管机和集成控制系统的方式实现连续起下钻作业，实现在高位进行钻柱提放、管具上卸扣、钻井液收集等功能，最大起下钻速度可达2 160 m/h，与现有钻机相比，能够大幅提高钻井作业效率，降低井下压力波动，技术跨度相对较小，具有较好的可应用实施性。     

自动化管子处理装置在海洋钻井作业中的应用

在现代海洋钻井过程中,管子处理作业占的比例大。安全快速、稳定高效、作业连贯的管材钻具处理系统是保证钻井平台（钻井船）整体安全稳定的前提条件,同时也是提高海上钻井作业效率、降低钻井成本的重要措施。在论述海洋钻井作业要求及管子处理装置的研究发展过程及其应用的基础上,以美国国民油井公司管子处理装置为例,详细阐述了海洋钻井作业中管子处理系统的各个作业流程及装置结构特点。     

下沉式钻台机械手研制与应用

随着钻机自动化水平的不断提高,当前钻井过程中钻台面管柱的处理方式和设备已经不能满足钻井作业自动化需求。研制了一种新型下沉式钻台机械手。对钻台机械手的结构、原理、技术特点、技术参数等进行了阐述,并对钻台机械手的伸缩、回转、升降等动作进行了动态特性研究,为执行机构的选型计算提供依据。经油田批量化使用,验证了该设备的功能,使用效果良好。     

钻井液处理剂自动添加与混合技术

国外综合自控钻井液系统的应用实践证明了钻井液制备工艺自动化技术的应用可大幅改善HSE、提高钻井液配置及维护的效率、改善钻井液的质量。阐述了钻井液自动加料及混合技术的起源、发展、到现有成熟产品的工艺布局的变化。分析了国内外钻井液制备工艺自动化的技术现状及特点。结合我国目前油田现场的钻井液制备技术现状,提出了我国今后钻井液制备工艺自动化的发展建议,以期为我国钻井液制备工艺的自动化发展提供借鉴和帮助。     

海底钻机及其研究进展

为节省钻井成本及避免海洋环境和恶劣天气对钻井作业的干扰,提出了海底钻机的概念。阐述了海底钻机的原理,介绍了国外2种海底钻机的结构、运作程序以及钻机关键设备的功能,对比分析了海底钻机与常规浮式钻井装备预期的经济效益。最后针对海底钻机国产化提出建议:国内应加强对海底钻机材料及自动化程度的跟踪研究;在石油工程相关领域的技术研发和装备制造过程中可以借鉴海底钻机模块化设计技术、加工制造技术、水下安装技术、智能作业技术以及远程控制技术等;国内可以从用于深水海底自动取样、浅钻设备入手,开始关键设备的研发试验。     

陆地钻机钻杆自动排放系统设计

钻杆自动排放系统主要用于海洋钻井,陆地钻井应用较少。为了减少陆地钻机起下钻作业时间,降低工人劳动强度,增加 钻井安全性能,提高钻井效率,针对陆地钻井常用井架,初步设计研究出一种结构简单、操作方便、能全程实现自动控制的三坐标钻 杆排放装置系统。该系统主要由主夹钳及平移系统、辅助夹钳及平移系统、竖直（Z向）滑道系统、以PCL-839和IPC为主的控制系统4 部分组成,安装在钻井平台和二层台之间,主要适用于陆上钻井常用的任意A型、K（或Π）型井架的钻井系统,能实现在起下钻和接 单根等作业流程中钻杆的自动夹持、提升、下放、平移等轨迹全程无人数字自动控制,是目前比较先进的钻杆自动排放系统     

深水钻井防喷器选配关键因素分析

深水钻井防喷器组是保证海洋深水钻井安全的最关键设备。介绍了深水钻井防喷器组的基本配置方法,分析了防喷器组配置的关键因素,重点研究了闸板数量和类型、防喷器高度和压力等级、节流压井管线、蓄能器能力与辅助控制系统等。最后指出,应确保所有剪切闸板具有剪切特定钻杆及套管的能力,测试闸板和管子闸板不可混用,万能防喷器可考虑只采用1个;应确保ROV动作满足规范规定的响应时间要求,不推荐声纳辅助控制系统,应对新增辅助控制系统进行风险分析,以确保设计能兼容并能实现相应的功能;合适的防喷器配置有助于保证深水钻井安全,应该针对具体情况,制定统一的深水防喷器闸板和辅助控制系统配置标准规范。     

基于西门子3项控制技术的海洋钻机控制系统

概述了HZ19—2/3海洋钻机模块的结构及其与陆地ZJ70D系列钻机的区别。介绍了西门子(SIEMENS)人机界面(HMI)、可编程序控制器(PLC)、PROFIBUS-DP现场总线技术在海洋7000m直流电驱动钻机控制系统中的应用;电控系统的设计特点及网络控制系统软件、硬件的构成;监控系统的功能,控制系统的优点。HZ19—2/3海洋钻机通过了美国船级社的认证,2套钻机控制系统运行半年多来,性能优良,易于操作,对确保海洋钻井平台钻井安全、经济地运行起到了良好作用,标志着国产海洋钻机技术水平和开发能力有了新的提高。     

海洋钻井多参数仪系统设计研究

海洋钻井多参数仪是为海洋各类钻(修)机配套设计生产的多参数监测仪表系统,可测量显示钻(修)机作业过程中的大钩悬重和钻压、转盘扭矩、立管压力、吊钳动力钳或套管钳扭矩、转盘转速、泵冲速、泥浆罐体积、游车高度、井深、钻头位置等47个参数的变化情况,帮助司钻掌握钻机、泥浆泵和防喷器的工作状态以及H2S和可燃气体浓度。通过对钻井过程的实时监控,对预测预报工程事故、提高工作效率、安全生产、降低作业成本、有效保护油气层等起重要作用,为渤海地区油田设备远程数据监控提供了较好的范例。     

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。