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中國地質大學長城學院
本科畢業(yè)設計文獻綜述
系 別: 工程技術系
專 業(yè): 機械設計制造及其自動
姓 名: 羅金華
學 號: 05208323
2012 年 2 月 18 日
用發(fā)展的眼光,創(chuàng)造新鉆機
摘 要
由于世界石油資源緊張,油氣勘探開發(fā)掀起高潮,交通樞紐的建設,各種自然災害的搶救等,帶動鉆機裝備迅速發(fā)展。以科技創(chuàng)新為核心,不斷擴展鉆機的優(yōu)越性能,以自動化、智能化鉆機構筑平臺,以高可靠性、安全性和先進性創(chuàng)造國際名牌鉆機,滿足國內鉆機新技術的要求,提高鉆機的國際市場競爭力。通過調查和查閱文獻,深感我國的的鉆機在很多的方面都需要進行改進。
關鍵字:鉆機發(fā)展 頂驅 智能化鉆機 機器人技術
前言
鉆機是石油鉆井用的成套重型機械設備,是油田上各種機械設備中最大、最重并具有不可或缺重大作用的裝備??梢院敛豢鋸埖卣f,鉆機是油氣田的設備之王。隨著石油工業(yè)的發(fā)展,鉆機也在不斷發(fā)展,鉆井能力越來越強,功率越來越大,傳動越來越先進,機械化、自動化程度越來越高。為了適應淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā),美國、德國、法國、加拿大、意大利、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)可各種類型的石油鉆機。其中美國的鉆機技術和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位,所以與國際技術接軌,實際上是與以美國為代表的鉆機技術及API規(guī)范接軌。
1獨立自主發(fā)展超大型鉆機
1.1世界陸地和海洋油氣勘探向超深井發(fā)展
國外公司紛紛制造超大型鉆機以搶先占領國際市場,我國也有同樣的需要,是否需要自主研發(fā)超大型鉆機有2種意見:一是肯定要,二是有些鉆井承包商認為,這種鉆機充其量只需要1-2臺,自己造比引進成本高,應該引進。這種觀念早年較多,如今顯然不合時宜。為解決我國油氣資源嚴重不足,必須擴展勘探領域和深度,提高石油自給率,以滿足國內日益增長的市場需求,保證國家石油戰(zhàn)略儲備的安全,必須提高我國超大型鉆機的設計制造水平,打破大國的技術壟斷,獨立自主研發(fā)超大型鉆機,主要是2000-15000m井深的交流變頻電動鉆機,以獨創(chuàng)技術進軍世界鉆機制造先進行列。
1.2國內外超大型鉆機發(fā)展現(xiàn)狀
美國最大的NOV公司生產的4000-VOBE型直流電動鉆機(12000m井深),2940kW(4000 hp)多速絞車和電磁剎車,現(xiàn)仍在生產供應。近年以制造交流變頻電動鉆機為主,絞車額定功率2940-5220kW(4000-7100hp),齒輪傳動單軸絞車, 有單速和雙速2種,主輔剎車采用主電機能耗制動, 副剎車采用液壓盤式剎車,配9800kN游車大鉤和水龍頭,TDS-1000型頂驅1102kW(1500hp),提升能力907t,工作扭矩97.82kN/m,轉速0-270 r/min。WIRTH公司生產的交流變頻電動鉆機,絞車功率為2205kW(雙速)~4410kW(單速),另外還生產4410kW多速絞車,用14繩能提升11900kN,鉤速17m/s,也生產2205kW(3000hp)的高壓鉆井泵。我國蘭石國民油井石油工程有限公司(簡稱蘭石公司)2004年生產了9000m直流電動鉆機,寶雞石油機械有限責任公司(簡稱寶石公司)2005年生產了9000m交流變頻電動鉆機,二者絞車都是2940kW(4000hp),2007年寶石公司研發(fā)了12000m鉆機。
1.3我國在鉆機設計制造方面與國際相比存在差距
創(chuàng)新觀念不強,自主知識產權不多。
部分基礎件及電控系統(tǒng)尚需引進。
鉆機質量和可靠性較低。
交流變頻電動鉆機性能尚未充分發(fā)揮,機械化自動化水平不高。
HSE及生態(tài)理念尚不到位。
2自動送鉆系統(tǒng)成為鉆機的常備裝置
自動送鉆的發(fā)展石油鉆機的自動送鉆裝置已發(fā)展多年,早在20世紀50年代,美國EMSCO、NASCO公司就有氣控轉差摩擦式送鉆裝置問世,前蘇聯(lián)有絞車下放驅動柱塞泵節(jié)流式送鉆裝置。在國內,1988年,蘭石廠研制出ADE-1型全自動送鉆裝置。1986年以后,絞車用液壓盤式剎車取代了帶剎車,擺脫了司鉆全天候扶剎把送鉆的繁重體力勞動,司鉆坐在控制室內握手柄手動送鉆,因手柄無手感,只靠指重表,比扶剎把更難控制,迫切要求改善這種困境。90年代末期出現(xiàn)了以液壓盤剎車為執(zhí)行機構的自動送鉆裝置,我國北石所2003年研制的CED-I型電子司鉆,其中包含自動送鉆功能。美國VARCO公司推出以ETN剎車為執(zhí)行機構的電子司鉆,美國BEN-TEC公司、德國WIRTH公司相繼推出以獨立送鉆小電機——能耗制動為依托的自動送鉆裝置。以上3種裝置適用于在機械驅動鉆機和直流電動鉆機上配置。交流變頻電動鉆機適用的自動送鉆裝置除了獨立送鉆電機的一種外,還有送鉆電機加絞車主電機能耗制動聯(lián)合送鉆和美國TDC公司推出的單獨以絞車主電機能耗制動送鉆3種方式。據報道,絞車主電機送鉆最高鉆速能達到80M/H,最低送鉆速度沒有透露。
3頂驅成為鉆機的常備裝置
3.1頂驅的發(fā)展
頂部驅動鉆井裝置(簡稱頂驅)以其對復雜井處理事故能力強、鉆井時效高,從1983年上市即打破了百年傳統(tǒng)的轉盤鉆井方法,成為20世紀鉆井裝備三大革新的佼佼者。美國VARCO公司自1981年研制試驗樣機TDS-1型,1983年正式生產出第1臺TDS-3型直流電驅動頂驅(500T、1000HP),1993年生產出TDS-7S型交流變頻電驅動雙電機整體式頂驅,1994年到1997年生產出系列TDS-8SA、9SA、10SA型便攜式交流變頻電動頂驅、11SA,高度和自重大為降低。至今,VARCO公司頂驅已生產出約1200臺/套,占全世界頂驅總數的80%。全世界共有8個國家11個公司生產頂驅,主要的還有加拿大的TESCO和CANRLG公司,液壓頂驅則以挪威的MHCO公司生產臺數最多(約120臺/套)。我國1997年由北石所設計,寶石廠生產出第1臺DQ60D型直流電動頂驅,此后,又研制出系列交流變頻電動頂驅,其質量、性能能與VARCO產品媲美,暢銷國內外(包括美國),供不應求,成為科研成果產業(yè)化、產品走向世界的先進典型,其1000T級DQL20BSC型頂驅也于2008-04出廠。我國盤錦遼河油田天意公司已研制出系列交流變頻電動頂驅32臺/套,已成功投入應用。
3.2結構完善過程
頂驅經過25年的發(fā)展,其結構和功能日益完善。由動力水龍頭發(fā)展成頂驅;由直流雙速驅動到交流變頻單速驅動;從水龍頭與電機減速箱分體式結構到整體式;從氣胎摩擦式剎車到液壓盤剎;從另設低速大扭矩液壓行星輪減速沖扣器到主電機上、卸扣;從環(huán)形背鉗到側掛對開式背鉗,目前結構已臻非常完美,形成由8大部件合一的集成體。
3.3頂驅成為鉆機的常備裝置
全世界所有海洋平臺鉆機全部裝備頂驅,并且全部更新或改裝成交流變頻驅動的,對于陸地鉆機,APR規(guī)定凡鉆非直井的鉆機都必須配備頂驅,所以頂驅已成為大型頂驅成為鉆機的常備裝置鉆機的常備裝置。動力水龍頭(液壓水龍頭)也是從管柱頂部驅動鉆井和修井的,從廣義上講也屬于頂驅的范疇,只是不配備管子處理裝置,結構簡潔輕便,適合在ZJLO、ZJL5、ZJ20型三級鉆機上配備,在XJ90、XJLLO、XJL35型修井機上也適用。ZJ30、ZJ40鉆機名義鉆深2500-3200171,是我國鉆井的主力機型,占鉆機總數的45%,占鉆井總數的75%,為它們配備輕便的DQ30Y、DQ40Y型液壓頂驅,取代轉盤、方鉆桿和水龍頭,實為優(yōu)秀方案。
4沒有機械化妄談智能化
4.1鉆機的機械化自動化和智能化
當前,國外自動化鉆機發(fā)展的水平已經達到鉆臺和二層臺無人化,一人室內操縱作業(yè),一人場地維修,最大提升能力4540KN(7000M井深),如美國A10—32、AID40型自動鉆機,意大利DRILLMECHH系列全液壓自動鉆機等。直到目前,還沒有一臺智能化鉆機問世,市場上的智能鉆機、智能修井機、智能抽油機、智能儀表等都出自制造商的美好愿望,其實際性能遠遠達不到智能化水平,對鉆機更不能隨意貫以“智能化”的虛名,實現(xiàn)智能化必須首先實現(xiàn)全機械化和全自動化。目前我國制造的鉆機還處于半機械化、半自動化的水平,鉆臺和二層臺還需要4-5人從事重體力勞動,機械化裝備僅限于動力鉆桿鉗和套管鉗、液壓貓頭和小絞車、方鉆桿旋扣器和吊卡、卡瓦等,自動化裝備僅是部分鉆機配備了盤式剎車自動送鉆系統(tǒng),交流變頻電動鉆機能耗制動送鉆系統(tǒng)尚未達到全自動化水平。
目前,我國已有108.5KN/M的2種輕便型鐵鉆工樣機在試用(榮盛公司、南陽二機公司各一),氣動卡瓦也在試用,但立根排放系統(tǒng)尚屬空白,落后國外30年。究其原因:一是難度大;二是成本高,沒有投資;三是鉆井勞動力充足,沒有緊迫感。但從貫徹HSE要求層面來看,實在是最大的缺口,最大的差距。
4.2智能機械
由于電力電子技術、微電子控制技術、機器人技術、總線網絡技術、計算機和軟件工程技術的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代機械裝備正朝著自動化、智能化方向發(fā)展,產品制造正朝著自動化、智能化制造流水線邁進。
4.3智能機械的特點
具有類似人的智能,即感知功能、思維功能和行為功能。感知功能指有視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等工能;思維功能指有分析、計算、綜合、歸納、推理、判斷和決策等功能;行為功能有說、寫、畫、做等表達行動的能力及自學習、自診斷、記憶、創(chuàng)造等功能。
智能機械的核心是智能計算機系統(tǒng),具有高級人機接口,可接受語言、手稿、圖表、曲線和圖象資料。能綜合運用人工智能技術,模仿和延伸、擴展人的智能,處理和解決復雜的問題。人工智能技術重要分支之一就是人工智能專家系統(tǒng)ANES,ANES與計算機軟件有本質的區(qū)別,它沒有算法解,只將專家的經驗和知識表示為計算機能接受和處理的符號形式,在不確定、不精確的信息基礎上,采用專家的推理方法和控制策略,達到專家級解決問題的水平。但是人類積累的經驗和知識難以用規(guī)劃和邏輯的方法來描述,ANES較多地采用神經網絡模型ANN來處理。
4.4機器人技術
機器人技術是20世紀10大技術革命學科之一,第1臺工業(yè)機器人在美國20世紀60年代中期問世,但是從發(fā)展速度和經濟效益層面來看,還要首推日本,它擁有世界機器人總量的70%,企業(yè)機器人普及率達到55%,在機械制造業(yè)中普及率達到98%,全日本機器人制造業(yè)有250家。當今機器人的功能和應用領域發(fā)展迅速,工業(yè)機器人在各種作業(yè)中從事繁重的重復性的裝卸搬運操作,節(jié)約了工人的體力勞動80%-100%,并且它不會產生自然人的“厭煩”、“疲倦”心理和生理的障礙及操作失誤,因此,機器人的耐苦性、持續(xù)性、穩(wěn)定性、高速性和精密性都遠勝于自然人,能大幅度地提高勞動生產率。進一步擴大應用領域,即從事危險性、危害性工作,諸如SIMS制造系統(tǒng)、汽車生產線、核電站反應堆維修、高幅射環(huán)境、高壓(如海底探礦),高溫、低溫、噪聲、粉塵、有毒(噴漆、電鍍)、劇毒(H.S氣等)、掃雪、運炸藥、排險等工作。對于這些危險、危害性工作,機器人具有“免疫功能”。 我國在石油工業(yè)中機器人的應用比較落后,僅有海洋鉆機的鐵鉆工和臥一豎排管系統(tǒng),油井搶險滅火機器人(水力切割井口、換裝BOP等),各鉆采機械制造廠、柴油機廠、鋼管廠的SIMS中的機器人和機械手,庫房搬運機器人等。今后,在深海、極地勘探和維修、大漠腹地和邊遠地區(qū)的油氣開采中,機器人和遙控智能機器人將大有用武之地。
總 結
當前,國際石油鉆井技術發(fā)展的總趨勢是以信息化、智能化、自動化為特點,向自動化鉆井階段發(fā)展。國際鉆境界字20世紀80年代以來,在隨鉆測量和隨鉆底層評價技術,實時鉆井數據采集,處理與應用技術,復雜解構井的產業(yè)化技術,閉環(huán)旋轉導向鉆井技術以及自動化鉆機的研制,海洋鉆井技術等方面不斷取得突破性發(fā)展。我們應該堅持有所為有所不為,選準內容制定規(guī)定,并按3個層次發(fā)展鉆井技術,即成熟計劃產業(yè)化,在艷技術成熟化和高興創(chuàng)新技術自動化,把自主創(chuàng)新放在重要位置。在21世紀,重點發(fā)展與自動化鉆井有關的主要技術,即復雜結構井的產業(yè)化技術,鉆井信息技術,新型綠化無污染鉆井液,隨鉆測量和隨鉆底層評價技術,井下動態(tài)數據的采集、處理與應用系統(tǒng),信息流閉環(huán)系統(tǒng)及旋轉導向閉環(huán)鉆井技術,現(xiàn)在平衡鉆井技術和柔管技術等,繼續(xù)解決深井、超深井鉆井技術難題,進一步完善和推廣油氣層保護技術和小井眼產業(yè)化技術,加強鉆井理論研究。
21世紀是科學技術特別是工程科學技術一步高速發(fā)展的世紀?,F(xiàn)在石油鉆井技術的總體發(fā)展趨勢是從科學化鉆井的成熟階段向實現(xiàn)自動化鉆井階段邁進。通過不懈的努力,相信在不久的將來,我國的石油鉆井制造業(yè)將使用石油鉆井機朝著機電液一體化方向邁進一大步,為建造具有獨立知識產權的新型石油鉆機,加快我國石油鉆機機械化、智能化步伐,提高石油鉆井隊勞動生產率,以及鉆井隊出國打井提供具有競爭力的鉆機而做出新的貢獻。
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