钻井在国民经济的众多领域里发挥着重要作用

钻井在国民经济的众多领域里发挥着重要作用，其中尤以在石油天然气开采中的应

用最多作用最大。石油天然气形成条件特殊，具有其它能源所没有的特性，这就决定了 其开采方式的独特性。从发现至今，绝大多数的石油均是通过钻井开采取得的。由古代 的手工开凿到现代的机械钻进，钻井工具和钻井方式发生了根本性的变化。随着科学技 术的发展，钻井技术也将发生更大的改变。

自动化钻井是国外在20世纪90年代发展起来的一项前沿钻井技术，是21世纪钻井技术的主要发展方向。自动化钻井主要包括井下闭环钻井技术，地面钻机的自动化，钻井液、泥浆等液体和固体的装卸、配制和泵送自动化，钻井专家系统四个方面。地面钻机的自动化，即钻井地面作业的自动化操作，其关键部分是管子处理系统。

钻杆自动传送系统是管子处理系统的重要组成部分，是伴随着钻井自动化技术的发 展而产生的。管子处理系统主要经历了四个关键阶段:机械化、远距离控制、半自动化 和自动化。机械化减轻了钻井工人的体力劳动，传统的提升卡瓦和人工钻杆处理装置已 经改变，有力地扩大了钻井工人的安全工作范围，使他们由劳动者变为操作者。半自动 化系统利用信息技术和智能控制系统改变现有的管子处理系统，在新的系统中可减少操 作者的数量。随着海洋深水钻井的开展，现在作业水深已达到7000至10000ft，影响钻 井时间增加的内在因素不仅仅是起下钻作业，钻杆、套管和隔水管的搬运和排放也严重 影响着钻井计划。在钻井的同时离线接立根、自动传送和排放钻杆等操作将会大大节省 钻井时间。管子处理系统正在成为深水钻井设备设计的工业标准[l]。

国内研究现状

国内对钻杆自动传送系统的研究和应用较少，只有兰州石油机械研究所、宝鸡石油 机械厂、大港油田集团有限责任公司等一些单位做过一些设计和研究。钻杆的上钻台方 式，国内多年来一直采用电动或气动小绞车吊上，而钻杆的下钻台则一直采用钢丝绳甩 下。

上世纪九十年代，在中原引进的Z000m液压钻机上使用液压钻杆举升装置，其分为 两部分:一部分为钻杆抓取机构，两套由单液压缸和双活动钳组成的装置分别安装于举 升平台的前后端;第二部分为举升装置，双液压缸推动箱型举升平台旋转，送钻杆上钻 台。与其它液压钻杆举送装置相比，其钻杆抓紧装置可180。旋转为其最大的特点。由于 举送装置其绕一点旋转上台，限制了实用的钻台面的高度，其配套钻机的钻台面高 大港油田集团责任有限公司设计了一种钻柱输送装置，用于石油钻井中输送钻柱上

下钻台。该装置由管架、输送槽和钻台坡道构成，管架布置在正对钻台斜坡的平面上， 其特征在于管架的平坡道设有输送槽，在输送槽远离坡道一端的底部有摆臂，输送槽的 另一端有滚轮。利用液压动力，把管架上的管柱，通过输送槽输送到钻台的小鼠洞附近， 同样也可以将钻台上的管柱送回管架上。

宝鸡石油机械厂设计一种钻具自动输送装置，它中间为一长槽的中间管架，四足可 调排管架一端由铰链与中间管架两侧对称连接，另一端各装一液压千斤顶，传送机械手 装在中间排管架中间的长槽中部。宝鸡石油机械厂的GW一MI000钻机配备了液压控制钻 杆盒、钻杆自动排放系统、井口机械化工具等钻杆自动处理工具。

宝鸡石油机械有限责任公司与挪威 Aker Kvaemer MH公司组建北京宝石一MH海洋石油工程技术有限责任公司，该公司致力于海洋钻井平台、钻井模块和钻井设备的系统工程设计，海洋钻井平台设备的零部件生产制造，提供海洋钻井平台、钻井模块和设备的技术服务及咨询。该公司的钻机管子处理系统处于世界领先地位。在大连船舶重工为中海油服建造的海洋石油941自升式钻井平台上，钻井自动化工具得到了成功应用，它利用了折臂起重机、排管机、铁钻工等来实现钻杆的起、卸、排等机械化操作。

国外研究现状

早在上个世纪40年代 Humble011和 ByronJackson公司就联合研制了半自动钻杆处理系统，它必须由司钻和井架工共同操作。

1956年，首套卧式钻杆排放系统安装于CUSS一1钻井船上，其上的钻杆传送装置由钻杆移运臂和水平传动链组成。

从20世纪60年代以来，钻井工业界一直在通过开发新工具、新系统来尝试着改进钻井程序。

20世纪80年代末，德国超深孔钻进股份有限公司的高度自动化的UTB一1型钻机问世，UTB一1型钻机最具有创新和最不同寻常的部分是其移摆管系统，该系统由卷扬、滑轮回收系统、拧管机、双提升器升降系统、移摆管器、送管臂、钻杆传送器/液动钳和控制台组成。移摆管系统的高度自动化确立了一种将来发展趋势。

1990年，一种新的将钻杆在排放架于钻台之间传送的钻杆传送系统被应用在自升式平台上，这个系统能将直径达20in的钻杆从钻杆排放架传送到井架V形门处，然后由起升和下放系统(PLS)将V形门处水平放置的钻杆传送到井口或鼠洞内。

1993年，另一种新型的自动化系统出现在Gianthe和Guardian自升式平台上，这个系统除了传送和提升、下放钻杆外，还在排放架上远距离处理钻杆，这个过程就是所谓的钻杆自动传送。基于固定方式的钻杆传送系统，用关节悬臂式机械手将钻杆传送至传送带，然后将钻杆传送至V形门应用PLS将钻杆提起，使其处于竖直状态。动态方式应用相同的原理，但通常应用大型慢速高架移动起重机(龙门起重机)处理钻杆甲板排放架上的钻杆。这种在甲板钻杆排放架和钻台之间传送钻杆方式已经在世界海洋钻井中较好地得到了应用，这些系统的增加最初是由挪威法规推动的，然而这种功能现在已经变成任何一个新建海洋钻井设备的预期特征。在这个时期，机械化操作变得更加自动化，钻台不再像过去那样用人工操作。新的钻机和操作需要进一步分析来说明在哪里这些设备能够充分利用，进一步提高其作业性能。

1996年，一种集钻机顶部驱动回转钻井、绞车升降、钻具自动排放、遥控操作泥浆泵、防喷器、节流压井管汇的钻机以及由宽大、舒适、以透明玻璃罩与井场设备隔开的控制室组成的全自动控制钻机，在美国Pool公司所属的新奥尔良的试验基地出现。该钻机仅有两人坐在玻璃罩内控制室的转椅上进行控制操作，一人负责整套钻机钻井操作，另一人负责钻具排放操作。同年，模块化钻杆处理系统开始应用于北海自升式平台SantaFeMonareh上。

1999年德国Bentec公司为挪威设计的平台上应用了垂直钻杆排放机，该系统可自动完成水平和垂直的钻杆移运，移动过程受密闭钻井控制室遥控。钻杆移动工序用可编程逻辑控制器编程，由控制室发出指令便可执行。高、低压隔水管和套管的移放也由控制室遥控，只是套管接头用自动胶带输送到钻台上面。重型工具、短节、井下马达和钻头等用提升工具和铁钻工移动，无需手工操作。

跨洋sedco&Forex公司设计的第五代海上半潜式钻机sedco&ExPress，推行现代机械化管材移放作业，这不仅加快了钻井速度，保障了人员安全，而且总建井时间至少减少25%，成本减少30%。模块化的甲板构件和机械化管材移放系统提高了移放速度，比普通钻机快得多，如移放4根各为9.92m长的钻杆快25%，移放3根各为12.49m长套管快3倍，移放2根各为20.巧m隔水管快4倍。一旦隔水管和套管放在钻台上，隔水管龙门吊车、管材提升机、管材传送系统和三

作用(Tri一Act)塔式井架便可工作，不再用人工。该钻机近59m高的塔式井架具有运动特性和最大的钻杆移放效率，配有整体外置的立根盒，承载能力为

2.5x104KN。两台独立的管子垂直移运排放机和管子上扣台可减少管材移放时间50%以上。钻台面上不需在井架前面设置V形大门，只在井架两边各留一块供水平移送系统下套管用的空地，在每个舷外钻台上设有套管钳和铁钻工，供管子上扣用。

轻型自动化钻井系统(LADS)，由英国石油公司与 PhonexAlaskaTechnology公司共同研制，采用自动化管理，这个系统仅需一名操作工便可通过计算机控制站完成所有钻进、起下钻和钻杆排放等作业。LADS的管材处理系统堪称一套集成硬件系统。系统中的每个工作单元都必须能够处理长度8.5一13.7m、直径73.0一339.7mm的管材，而且能同相邻的工作单元密切配合，尽可能高效地完成每个作业周期的管材处理任务。该系统由六套主要设备组成，包括管材自动装卸装置、管材传送装置、管材吊臂、铁钻工、带有自动吊卡的顶驱系统和自动卡瓦等。 目前，在钻杆传送系统方面技术比较先进的公司主要有美国Varco公司和挪威Ake Kvaerner MH公司。美国Varco公司研制了一系列的钻杆传送系统，包括PLS3/5、PTC等，可以用来传送钻杆·钻挺和套管单根及立根，传送管子的直径范围为31/Zin一20in。另外，Varco公司还研制了适用于绝大多数现有钻机的钻杆排放系统Varco compactRacker(vCR)。挪威 Aker Kvaerner MH公司的管子传送和处理装置主要有龙门起重机、折臂起重机、管子输送机、桥式起重系统和钻台操纵臂等装置。