2.2.9 鉆桿自動處理系統

自1895年世界上第一臺旋轉鉆機用于石油開采以來，人們就開始尋找新的途徑來減輕工作強度和提高工作效率，直到1949年，Humble oil和Byron Jackson公司推出了3臂鉆桿排放系統的原型機。

1956年，CUSS-1號鉆井平臺安裝了一套水平鉆桿排放系統，這是鉆桿自動處理系統第一次得到了實際運用。排放系統將鉆桿立根水平擺放在甲板上，通過一個機械化坡道實現鉆桿從甲板到井口的傳送。與此同時，垂直鉆桿排放系統也取得了較快的發展。

1968年，Discoverer號鉆井船為了解決因船體在海水中晃動而造成的鉆桿操作困難的問題，安裝了一套垂直鉆桿排放系統，該系統的運用獲得成功，并在業內產生了較大影響，很多鉆井船只開始效仿。

從20世紀60年代初到70年代末，鉆桿自動處理系統獲得了較快發展，先后有348套鉆桿自動處理系統被應用。

1973年，用于挪威北海地區作業的Smedvig West Venture號半潛式鉆井平臺上安裝了全機械化鉆桿排放系統，這是鉆桿排放系統首次安裝在半潛式鉆井平臺上，同樣獲得了巨大成功。據統計，該鉆井平臺利用機械化鉆桿排放系統1年節省了28天時間，平均一趟鉆節省1h。鉆桿排放系統在Smedvig West Venture平臺的成功應用，使在北海地區作業的其他鉆井平臺也開始安裝這類鉆桿排放系統。1974年，Sedco445號鉆井船安裝了水平鉆桿排放系統。

20世紀80年代，由于一些國家相關法規的制訂和實施，促進了鉆桿自動排放技術的快速發展，各種不同結構特點的鉆桿自動處理系統相繼研制成功，新建海洋石油鉆井平臺上全部配備了鉆桿自動處理系統。從20世紀80年代中后期開始，隨著計算機技術、信息技術和控制技術的發展，鉆桿自動排放技術開始向自動化和智能化方向發展。一些先進的鉆桿自動處理系統可以與鉆機的其他操作系統集成在一起，一個人即可完成鉆臺的所有操作，系統完全按照設定的程序工作，可以自動判斷工作狀態，一旦出現誤操作，系統可以自動停止，真正實現了安全、自動、高效作業。

20世紀90年代以后，鉆桿自動處理系統由最初的專為特定鉆井船設計發展為模塊化、系列化設計，鉆桿自動排放技術的應用也由海洋鉆井平臺走向陸地鉆機，逐步實現了模塊化和系列化?，F已可以根據鉆機的類型選擇不同的鉆桿自動處理系統。

1990年，一種在甲板與鉆臺之間進行鉆桿傳送的新型鉆桿處理設備被應用于Smedvig公司的Maersk gallant號、West Epsilon號自升式鉆井平臺上。該鉆桿處理設備即為后來的鉆桿傳送系統。

1997年，位于英國北海Brent油田作業的Charlie號鉆井平臺，為滿足新的工作需求進行了升級改造，采用了甲板鉆桿起重機、帶式鉆桿輸送機、星形鉆桿排放系統等鉆桿操作設備。雖然在試用初期由于工作人員的操作錯誤等問題導致該船的作業效率一度下降，但經過幾個月的使用后，Charlie號鉆井平臺鉆桿排放作業的效率明顯提高，甚至超過了原先的1倍。

1999年，挪威的Oseberg Sor平臺上安裝了鉆桿自動處理系統。

2006年，Weather ford公司對StabMaster鉆桿自動處理系統的使用情況進行了調查，該系統主要用于升級和改造傳統鉆井平臺，可代替二層臺的井架工進行鉆桿排放作業。調研結果證明，該系統不僅提高了工作的安全性，也明顯地降低了鉆桿排放作業時間。

2008年1月，韓國船廠為Stena Drilling公司制造的第六代鉆井船Stena Drill-Max交付使用。該鉆井船上安裝的自動化鉆桿處理系統包括鉆桿排放系統、氫化裂解器、龍門軌道吊、貓道機及隔水管處理系統。

2009年，Maersk公司的第六代深水半潛式鉆井平臺Maersk developer在墨西哥灣下水作業。該鉆井平臺上安裝了一整套全自動化鉆桿處理設備，主要包括鉆桿排放V形門、氫化裂解器、鉆桿排放系統上導臂等。與以往不同，新型全自動化鉆桿處理系統的各個設備，不再作為獨立的系統由工作人員分別對其進行控制，而是作為一個整體系統，由MMC（Microsoft Management Console）系統統一協調控制，以實現鉆桿排放過程的全部自動化。MMC系統自動檢測和控制各操作設備，協調運作，避免出現碰撞。

截至目前，國外在鉆桿自動處理系統方面取得了較為顯著的成果，已經形成了一系列完善的設備。其中，具有世界領先水平的是美國NOV公司和挪威的Aker Kvaerner MH公司。

美國NOV公司是世界上最早研究開發鉆桿自動排放技術的廠家之一。目前，該公司的鉆桿自動處理系統已實現系列化、模塊化，可以滿足海洋和陸地不同類型鉆機的需要。其主要產品包括：鉆臺多功能機械手、鉆桿輸送裝置、水平鉆桿擺放裝置、水平/垂直管柱操作裝置、二層臺鉆柱排放系統和鉆桿自動排放系統等。

美國NOV公司的各種管柱操作裝置全部實現了自動化操作和智能集成控制。所有操作裝置的控制與鉆機其他設備的控制集成在同一個控制平臺上，這樣不僅可以對各系統進行操作控制，還可以對設備進行檢測和診斷。所有設備按照設定的程序工作，且具有糾錯和防干擾功能，如果發生誤操作或設備工作過程中受到干擾，系統會停止工作，保證安全。

挪威Aker Kvaerner公司從1980年開始為海洋石油鉆機提供鉆桿自動排放和處理裝置，其產品由最初的比較簡單的鉆臺操作機械手、二層臺液壓操作裝置等發展為目前多種類型的鉆桿排放系統，且技術水平先進，自動化程度高，一人即可完成鉆臺所有工作，效率高、操作安全。而且，這些鉆桿處理系統都是模塊化設計的，可以根據用戶的鉆機類型和需要配置不同的裝置。

挪威Aker Kvaerner公司的鉆桿自動處理系統采用機器人運動控制技術，精確計算和控制鉆桿自動處理系統的運動。其具體實現方法為：在液壓缸和液壓馬達上安裝位置傳感器，控制系統利用位置傳感器實現精確的位置控制，可以控制操作對象的6個自由度，其中3個位移自由度決定對象的位置，3個轉動自由度決定對象的方位。

國外對鉆桿自動處理系統的研究和應用較早，與國外相比，國內對這種系統的研究和設計工作才剛剛起步。

20世紀90年代，中原鉆探公司引進的2000m液壓鉆機中使用了液壓鉆桿舉升裝置。2001年，蘭州石油化工機器廠研制成功的6000m電驅動沙漠鉆機采用了鉆桿排放系統。

2004年，中國石油物資裝備公司引進的SR250E型鉆桿自動排放系統，可為石油鉆井及維修作業提供職業的安全保護，適用于陸上鉆機、固定平臺以及自升式鉆井平臺。

2006年9月下水作業的海洋石油941配備了美國NOV公司的HR鉆桿排放系統、折臂起重機、鉆桿輸送機及鐵鉆工等。該鉆桿自動處理系統能夠實現鉆桿的一系列操作，明顯地提高了工作安全性以及降低了工作人員的勞動強度。

2007年9月，南陽二機石油裝備有限公司生產的液壓動力貓道在加拿大北部地區進行作業。該設備能實現低位排放鉆桿、將鉆桿送入鉆臺及引回鉆桿（即甩鉆）等功能，液壓動力貓道如圖2-4所示。

2008年，上海三高石油設備有限公司針對陸地鉆機，提出了一種輕型桅桿式鉆桿排放裝置，并于2008年4月前完成了機械結構設計和液壓驅動裝置設計。同年，中油遼河寶石石油裝備有限公司設計了一種適用于陸地鉆機的自動化貓道，并就此申請了國家專利。

2011年，我國自主設計、建造的第六代3000m深水半潛式鉆井平臺海洋石油981，如圖2-5所示，代表了當今世界海洋石油鉆井技術的最高水平，其上配備了HR柱形鉆桿排放系統以及一系列鉆桿傳送裝置。

2011年，中國石油大學（華東）牛文杰研制出一種陸地鉆具自動運移裝置，可以實現鉆具在擺放架和鉆井平臺間的自動運移。同年，蘭州理工大學張洪生設計出一種陸地鉆機桅桿式鉆桿自動排放系統，該系統可以實現鉆桿在擺放架和井口之間的運移，能夠和其他裝置配合完成鉆桿的連接操作。

此外，四川宏華石油設備有限公司、寶雞石油機械有限責任公司、江蘇如石機械有限公司等石油機械制造廠商以及一部分科研單位也陸續投入到了鉆桿操作設備的研究和設計工作中，并取得了一定的成果。中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心也曾和中船重工716所在2011年承擔了國家海洋局“自升式鉆井平臺鉆具自動處理系統研制”項目，并實現了國產化應用。