自动化钻机研发理论

自动化钻机研发理论

摘要：钻机行业竞争日益激烈，钻机作业环境也日趋复杂，针对效率高、性能可靠、安全风险小的自动化钻机研发已迫在眉睫。本文从研发角度介绍了自动化钻机研发的思路和方法，以及自动化钻机研发过程中应该注意的问题和解决办法。

关键词：自动化钻机一体化拆分和整合常规钻机

国内钻机经过半个世纪的发展，钻机的类型和级别日益增加，从当年的大庆II型钻机到现在的9000米、12000米钻机，从探井到修井，从陆地到海洋，从平地到沙漠、大山、森林和沼泽，从纯机械传动钻机到现在的直流、交流、交流变频、混和动力和液压钻机，钻机结构类型更是数不胜数，门类繁多。尽管如此，国内钻机与国外钻机还是有一定的差距，主要原因是钻机在自动化研发、应用方面，重视和投入程度不够，导致钻机总体结构设计缺乏创新，钻机关键部件没有竞争优势，尤其对高投入高回报的海洋钻井钻机，自动化程度太低，操作工人劳动强度大，人机安全系数低。在此条件下，常规钻机利润下降，国内钻机竞争日趋激烈。所以研发自动化钻机，实现钻机关键零部件国产化，将是今后整个钻机行业发展的主题。

根据不同的使用环境，自动化钻机需要不同的总体结构设计，而决定自动化钻机总体结构的主要因素是钻机的关键零部件和整个钻井工艺。钻机关键零部件的设计取决于钻机上下游产业的技术支持力

度；钻井工艺需要对整个钻井工艺进行综合分析和优化。结合目前国内钻机行业发展基础，自动化钻机设计应该从以下几点着手开展。

1自动化钻机总体概念设计

自动化钻机总体概念设计，排除市场和生产的干扰，作为研发和储备技术的一种手段，这个设计过程牵涉到几个学科和专业，需要在钻机设计行业或者在钻机使用方面经验丰富、大机械和自动化控制专业性强的团队。自动化钻机研发核心内容包括钻机安装，设备操作和控制，钻机井口工具及钻具排放，钻机泥浆循环和净化系统，钻机动力源系统，井控和固控系统、钻机动力驱动和控制以及各个系统、设备、工具、环境检测等部分。自动化钻机总体概念设计主要有以下几点：首先依据钻井工艺提出常规钻机从开钻到完井所有的工序、步骤、人力、工具、设备结构和环境地质参数等，然后列出整个钻井到完井所用到的钻井设备、工具、各个系统等。根据所有钻井设备、工具、各个系统使用性能统一或者分类设备动力源以及控制，其次优化钻井工艺和整合各个钻井设备，进行一体化设计，模拟、建模数个自动化钻机方案，最后对每个方案，从自动化钻机的自身性能、自动化程度、模块化和标准化等几个方面进行裁量，取舍和优化。

具体考虑以下几点：

1.1自动化钻机总体结构设计

自动化钻机总体结构要与钻机设备融到一起设计，从钻机总体考

虑集成结构和设备，结构和设备的安装、设备的动力和控制统一考虑。自动化钻机应把常规钻机的绞车，井架，天车，游车，顶驱，转盘，大小鼠洞，各种操作钳，钻杆排放装置，动力源及驱动、各个管汇阀门以及这些设备的控制、检测、维护等等，整体一体化设计而言，一定要把钻机提升系统、旋转系统、固定部分三者结合在一块来设计，使设备融合到结构中，打破常规钻机设备和工具面貌，来实现钻机设备和工具操作控制的自动化。

1.2自动化钻机设备驱动方式

自动化钻机设备驱动方式有电驱动和液压驱动，根据使用环境和驱动方式选择使用哪种动力驱动，然后再选择哪种动力传递方式。

1.3自动化钻机总体控制设计

自动化钻机总体控制包括工作状态和非工作状态设计，自动化钻机所有控制设计应集成设计，按照自动化钻机安装工艺和钻井工艺，对钻机所有控制点进行程序号化设计，使用可视和参数修改的计算机处理界面，使钻机控制和操作方便容易，钻机工作安全可靠。

1.4自动化钻机总体检测设计

自动化钻机总体检测包括设备自身性能检测、钻机工作时各模块连接参数检测、整个钻机工作环境气体检测、钻机泥浆配比和容量损失检测、井下钻井及环境参数检测等，检测与控制同步，检测与安全

维护和预防同步。

2自动化钻机关键零部件的研发

钻机关键零部件除了绞车、泥浆泵、转盘外，还包括顶驱和柴油发电机，这五个设备国内已有了系列化的设计和生产。但是自动化钻机需要的绞车、泥浆泵、转盘、顶驱和柴油发电机也决非现在的尺寸和样子，因此需要尺寸小功率大以及防暴等级、使用性能好的电机、马达和柴油发电机，这就要求钻机生产厂家与这些设备的外购厂家合作，共同研发出适合自动化钻机使用的电机、马达和柴油发电机。这里要强调的是自动钻机不仅仅是为了方便快捷，以为的要求钻机尺寸小，而是要求钻机自动化程度越来越高、性能越来越可靠，效率和安全程度越来越高，而作业强度和风险越来越小。

3自动化钻机井口操作工具的研发

自动化钻机井口操作工具要求把常规钻机支撑钻柱用的补心和卡瓦、钻柱上卸扣用的各种操作钳、提放单（立）根的吊卡和吊环、排放单（立）根的钻杆排放装置按照使用方式集成在一起，打包分块设计。在设计转盘时就考虑把补心和卡瓦合在一起设计，尽量使补心和卡瓦整合在一起再放到转盘内，并且与转盘使用相同的驱动方式和控制。对于井口各种操作钳尽可能做到一钳多用，实现自动操作和控制。吊卡、吊环与顶驱整合在一起设计，也尽可能使用相同的驱动方式和控制。钻杆排放装置与井架整合在一起设计，使井架内设备与井

架结构相融合。打包分块设计是在满足钻井工艺和工具相互协调工作的前提下进行的，不是简单的相互叠加。整合是为了增加各个部分的功能，实现集中控制和驱动，最大化减少设备和工具数量。

4自动化钻机泥浆循环和净化系统、井控和固控设备设计

自动化钻机泥浆循环和净化系统、井控和固控设备也是先整体设计后，再按系统工艺和地质环境要求打包分块设计，把设备、管汇、控制、检测、安装与结构融合在一起，与整个自动化钻机结构相协调。

5自动化钻机其它辅助设备的研发

自动化钻机辅助设备包括自动化钻机工作前后的一些准备设备以及外用接口，这些部分设备是按位置及使用时间可以挂接在自动化钻机上还是集成设计到自动化钻机各分包内，取决于自动化钻机的总体设计。

6自动化钻机标准和规范

自动化钻机的标准和规范除了钻机性能参数外，钻机设备通用性、电气液设备和控制级别与性能、管汇、自动化程度等与常规钻机标准和规范相比，要求更高，也更复杂，因为现在距自动化钻机的系列化、通用化、标准化还有很长的路要走，所以自动化钻机标准和规范的制订需要不断摸索和积累，它将伴随着自动化钻机发展而不断完善。有了自动化钻机才会有智能化钻机，所以从务实的态度来推进钻