水平_垂直钻杆自动操作系统及设计方案.pdf

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1、2 0 1 1 年第4 0 卷第3 期第2 3 页石油矿场机械O I LF I E L DE Q U l P M E N T2 0 11 4 0 f 3)：2 3 2 7文章编号：1 0 0 1 3 4 8 2(2 0 1 1)0 3 一0 0 2 3 0 5水平垂直钻杆自动操作系统及设计方案张艳敏，崔学政，杜永彬(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东东营2 5 7 0 6 1)摘要：介绍了国外典型水平垂直钻杆自动操作系统，对其钻杆单根上下钻台及单根接立根操作过程进行了分析，并提出了适用于钻井平台的2 种水平垂直钻杆自动操作系统的设计方案。关键词：水平垂直；钻杆；自动操作；设计方案中图分类号

2、：T E 9 2 8文献标识码：AA u t o m a t i cH o r i z o n t a l V e r t i c a lP i p eH a n d i n gS y s t e ma n dD e s i g nP r o c e d u r eZ H A N GY a n m i n，C U IX u z h e n g，D UY o n g-b i n(c D z z e g PD，M c n 行i c 口口7 z dE z P f f，0 规站E 起g i 蹿P P 一起g，C i 挖n【知i t 肥，百i yD，P P f，_ D 跆“m，D D 理g y i 粗g

3、2 5 7 0 6 1，(冼i 7 z 口)A b s t r a c t：r h ee x t e r n a la u t o m a t i ch o r i z o n t a l v e r t i c a lp i p eh a n d i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d，a n dt h eh a n d i n gp r o c e d u r ei sa n a l y z e d，w h i c hp i p es i n g l e sareu p l o a d e do rr e t u r n e dt ot h ed r

4、i l lf l o o ra n d斗-+一+-+-+-卜卜-卜-卜-+-+-+-+-*+-+-卜-+-+-+一-+-+-+-卜-+-+-+-+-+-卜-h 卜-+-卜-+-+应用 J 石油矿场机械，2 0 l o，3 9(3)：7 1 7 3 3结语 4 蔡正敏，张军，申朝廷，等顶驱钻井装置倾斜液压机经过现场工业应用试验验证，顶驱下套管装置构临界载荷计算分析 J 石油矿场机械，2 0 1 0，3 9 3)：在作业过程中套管旋扣过程平稳，上扣扭矩控制精 5 ；嘉；，李鹏，张福，等顶驱中心管接头螺纹连接确，作业过程安全高效，得到了甲方和乙方的一致认性能分析 J 石油矿场机械，2 0 0 9，3

5、 8(8)：2 4 2 9 可u 1。利用顶驱下套管装置及其配套装备进行下 6 李传华，刘鹏，刘百红浅述国外顶部驱动装置的性套管作业将有力促进中国石油下套管作业技术与装能与应用 J 石油矿场机械。2 0 0 8，3 7(z)：3 0 一3 3 备的机械化和自动化，为复杂井安全高效下人套管 7 张国田，邹连阳，黄衍福，等顶驱下套管装置的研制提供了技术和装备保证。J 石油机械，2 0 0 8，3 6(9)：8 2 8 4 8 张宏英，邹联阳，黄衍福。等一种钻机用管柱运移和扶正装置：中国，2 0 1 0 1 0 1 1 7 6 0 5 o P 2 0 1 0 0 4 2 4 参考文献：9 钻井手册(

6、甲方)编委会钻井手册(甲方)上册 M 北 1 宋路江，蔡正敏张贵德，等顶驱内防喷器在井控中的京：石油工业出版社，1 9 9 0 应用及维护 J 石油矿场机械，2 0 1 0，3 9(9)：8 9 9 1 1 0 张国田，张宏英，李兴杰，等一种用顶驱驱动钻井装 2 蔡正敏，张军，申朝廷，等顶驱钻井装置倾斜液压机置下套管作业的方法：中国，2 0 0 9 l 0 0 7 8 5 6 5 o P 构临界载荷的精确解 J 石油矿场机械，2 0 1 0，3 9(6)：2 0 0 9 一0 7 2 2 4 9 5 1 1 1 张国田北京石油机械厂顶驱下套管装置成功应用 3 侯强，董阳阳T D 5 0 0 1

7、 0 0 0 型顶驱在海洋钻井中的 N 中国石油报，2 0 l o 0 6 一0 2(2)收稿日期：2 0 1 0 一1 0 一1 2基金项目：国家高技术研究发展计划(8 6 3 计划)“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术”部分成果(2 0 0 6 A A 0 9 A 1 0 4)作者简介：张艳敏(1 9 8 4 一)，女，山东德州人，硕士研究生，主要从事海洋钻井平台的钻杆自动排放系统设计研究，E-m a i l：z h a n g y a n m i n 0 5 2 4 1 6 3 c o m。万方数据2 4-6rm#2 )l】￥3 月m a d eu ps l a n d sT 叫y p

8、fd e s l g“p。o c e d u fa u t t I ch o n t a l v c r t l c“p eh a n d m gs y st w h l c hw b e8 p p l，e dt ot hd n l l gp I a t f a r ep u tb r dK 竹w o s 山o r i z o m a】代r t l c a l，p 8；a u t o m a t”h a n d I n g l d e s l 卵s c h 水平垂直钻杆(包括钻杆、钻铤等管具-以下简称钻杆)自动操作系统安装在钻台人口V 形门处，该系统能将钻台下水平放置的钻杆提起到钻台并转换至垂

9、直状态，或者进行反向操作即将钻台上处于垂直状态的钻杆转换至水平位置并下放到钻杆传送设备上。水平垂直钻杆操作系统可配台铁钻工等设备完成离线拆接铺轩立根的操作，并且整个操作过程由密闭钻井控制章遥控自动进行保证抓取、下放和接立根操作能在高速状态下进行而无设备碰撞危险。替代r 传统的用钢丝绳提吊钻杆到钻台和从钻台甩下钻杆的高危险高强度操作。l 国外设计方案分析2 0 世纪4 0 年代末H u m b ko 和B y J a c ks o n 公司联台研制了第1 台三臂立式钻杆排放系统必须由司钻和井架工共同操作。1。1 9 5 6 年，首套卧式钻杆排放系统安装在c u s s】钻井船上，该系统由钻杆移运

10、臂和水平传动链组成”3。从2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期，们开始逐渐将计算机技术应用于机械化排放系统，新型的计算机技术对钻杆自动排放系统的发展产生了重要的影响。1 9 7 3 年，全自动化钻杆排放系统首次安装到挪威s m e d”镕w e s tv e n t u r e 半潜式钻井平台”。1 9 9 3年，在挪威相戈j 击规的推动下，另一种新型的自动化系统应用在(m n t 和G u ar d I a n 自升式平台上，这个系统除了传送和提升，下放钻杆外还可在排放架对钻杆进行自动处理1“。截茎日前国外在钻杆自动排放方面取得了较为显著的成粜，其水平垂直钻杆自动操作系统有多种产品

11、问世与应用。目前，比较典型的水平垂直钻杆自动操作系统有v a r c 0 公司的v D o o rM a c h l n e、H p e【j y d o w ns y s t e m、s t a n dH a n dI I；M H 公司的E a g l e E 8 E l cL】g h t；E D M 公司的vD o o rM a c h m e 等。各种设备的结构形式不同但基本功能都是作为水平钻杆操作系统与垂直钻杆操作系统的衔接装置使用。水平垂直钻杆自动操作系统如安装在钻台v形门处(绝太多散安装在此)，也可称为v 形门钻杆操作系统。1 1v D 帅r M 舵h i n ev D M(v-rM

12、 a c“n e)如图1 所示安装在钻台井架的v 形门处，其最大举升行程可达2 7T n 最大举升载荷可选1 0 0k N。该系统与两动力鼠洞和钻杆传迸设备尾部的引导机构配合，即可完成单根接立根操作，而不需要垂直钻杆排放系统的涉及”一钻杆的举升靠系统上面的绞车和钢丝绳。绞车主要有1 个A c 变频马达和1 个具有自动故障保护功能的盘式制动器构成这些设备可以实现提升速度和提月位置的最优控制。除此之外系统还有l台起保护作用的等张力绞车当主绞车出现故障的时候等张力绞车町以使举升继续进行，避免提升装置突然塾落的事故发生。已Q lI。1 2P 呻L 矗y d o 蚰S 蝉e mP L s(P l p e

13、L a y d o w ns y s t e m)如图2 所示，为钻杆自动夹取、堆放装置在自动化钻井平台上应用较多，有P L 争3、P I 5 等类型。该系统独寺安装在钻台上，高度行程仅为1 lm t 提升臂可旋转9 0。，与猫道、动力辅助鼠涡、井口位于一条直线。主要功能是把钻杆单根从猫遭机位置转变为垂直状态，并移迸到鼠渭上方，协助垂直钻杆排放系统进行离线单棍接立J 挺操作，而不影响钻进过程，显著地提高了钻台的安全性和效率。_ 蔷r f 删酬一万方数据I 3E o g I“E 4 9 l el i g h tE a 窖l e e a g l e I h t 安装在v 形门外侧，其2 种系统均采

14、用机器人运动控制原理提高系统的自动化程度，利用排放臂和夹钳的特殊结构实现其快速定位和夹持功能，属于全自动化处理设备。其中E”g I e 系统最大外伸出范围可达1 1m，传进管柱最长为145m 并且具有接立根的功能如图3 所示。该系统可配合猫道机或者钻杆坡道传送钻杆，也可直接从钻井平台甲板传送到井口，或者放人鼠洞，反之亦然。秉且较式功当的a 十 垤自#b 女A t目6P 1 R 础1 雄M 日c h l n e2 钻杆单报接立根系统设计方案分析海上钻井平台通常采用顶部驱动钻机，采用立根钻井-因此需将钻杆单根接成立根，而移井位时可能需要将立根拆戚钻杆单根放回甲板。无论是钻杆单根接成立根还是立根拆成

15、单根，通常与水平垂直钻杆操作系统有莱下面对钻杆拆接立根方式与所涉及到的设备进行分析讨论。姒一一旺芏嵩黧罴E圈一燃鍪万方数据2 6 1 彳油矿场机械2 0 1 1 年3 月2 1“v D M+单鼠洞+夹管器+铁钻工”方式V D M 系统配合猫道机尾部导向机构抓取第1单根放入动力鼠洞，与铁钻工配合将抓取的第2 单根与鼠洞内单根进行上扣操作；然后V【)M 提起2节单根送专用夹管器将其夹住，V D M 抓取第3 单根放入鼠洞，V D M 再取夹管器2 节单根后与铁钻工配合与鼠洞内单根进行上扣操作，完成1 个立根上扣。该方案不需垂直钻杆排放系统参与，操作简单，但V D M 铅垂方向尺寸占用空间大。2 2

16、“V D M+双鼠洞+铁钻工”方式V D M 系统配合猫道机尾部导向机构将第1 单根放入第1 鼠洞，与铁钻工配合将第2 单根与鼠洞单根进行上扣操作；然后V D M 提起2 节单根送入第2 鼠洞，V D M 抓取第3 单根放入第l 鼠洞，V D M抓取第2 鼠洞2 节单根后与铁钻工配合在第1 鼠洞内单根进行上扣操作，完成1 个立根上扣。该方案与3 1 所述方案特性类似，但不需专用夹管器，却需要2 个动力鼠洞。2 3“P L S+单鼠洞+P R S+铁钻工”方式P L S 系统抓取猫道机送入的第1 单根放入动力鼠洞，抓取第2 单根递给P R S(立柱式垂直钻杆排放系统)，P R S 与铁钻工配合进

17、行上扣操作；然后P R s 提起2 节单根，P L S 抓取第3 单根放入鼠洞，P R S 与铁钻工配合将鼠洞内单根与前2 节单根进行上扣操作，完成1 个立根上扣。该方案需垂直钻杆排放系统参与工作，较为复杂，但P L S 铅垂方向尺寸小，占用空间小。2 4“E a g l e+单鼠洞+P R S+铁钻工”方式E a g l e 系统单根接立根操作与P L S 方案类似，但该系统可以不需猫道机的配合，由E a 9 1 e 系统直接外伸抓取单根，且E a g l e 系统在铅垂方向占用空间大。2 5“P R M+单鼠洞+铁钻工”方式P R M 由于具有2 种工作模式，同时兼备水平垂直钻杆操作系统及

18、垂直钻杆操作系统的功能，因此可在猫道机、铁钻工、单动力鼠洞配合下进行离线单根接立根操作，省去了V 形门钻杆操作系统。2 6“O H SH T Va r m+单鼠洞+S t a n d b u i I d+铁钻工”方式0 H SH T Va r m 系统不需要猫道机的送入，直接抓取猫道机上的第1 单根放入鼠洞，S t a n d b u i l d抓取此单根上升收缩，0 H SH T Va r m 抓取第2 单根放入鼠洞，S t a n d b u i l d 下降将第1 单根与鼠洞内第2 单根对接，配合铁钻工进行上扣操作；然后S t a n d b u i l d 提起2 单根上升收缩，0 H

19、 SH T Va r m抓取第3 单根放人鼠洞，S t a n d b u i l d 下降将前2 单根与鼠洞内第3 单根进行上扣操作，完成1 个立根上扣。该方案不需垂直钻杆排放系统参与工作，操作简单，用时最少，但0 H sH T Va r m 与S t a n d b u i l d两系统占用空间较大。3钻杆自动排放V 形门操作系统设计方案钻杆自动排放系统在国外虽然有较长的研究和应用历史，在国内对该系统的研究却非常少。据调查，目前国内尚无一家制造企业正式推出面向市场的具有完整意义的钻杆自动排放系统。本文通过借鉴国外钻杆自动排放系统的设计特点，提出2 个适用于海洋石油钻井平台的V 形门钻杆自动

20、操作系统设计方案。3 1 旋转式V 形门钻杆操作系统旋转式V 形门操作系统安装在V 形门里面，由升降架、提升臂、夹具手、3 个液压缸、顶部夹管器、导轨等组成，如图7 所示。系统采用液压绞车驱动升降架完成钻杆的升降(未画出)，该系统中提升臂在提升液缸作用下可纵向旋转，旋转范围可达9 0。，在伸缩液缸作用下可前后伸缩，在旋转液缸作用下可横向旋转。该系统与猫道、动力鼠洞、井口位于一条中心线上，主要功能是抓取钻杆单根从猫道机位置转变为垂直状态，并移送到动力鼠洞进行单根接立根操作或直接移至井口。猫道机等传送机构将钻杆传送至钻台后，旋转式V 形门操作系统将其抓取上提，提升臂在提升液缸作用下旋转，使钻杆变为

21、垂直状态后放入动力鼠洞，同理抓取第2 单根与鼠洞内单根进行上扣，然后将接好的2 节单根上提，提升臂在旋转液缸作用下旋转一定角度将钻杆交与顶部夹管器，同理抓取第3 单根放入动力鼠洞，升降架上升取回接好的2 节单根，与鼠洞内第3 单根上扣便可完成单根接立根操作，拆卸立根过程与此相反。万方数据8 一*R*t；9*t】o#目7M#Ev 镕#*作#3 2 嚣动式v 形门钻杆操作系统移动式v 形门钻杆操作系统主要由升降架、移动小车、提升臂、3 个液压缸、夹具手、导轨等组成如图8 所不。升降系统、纵向旋转及前后伸缩功能与旋转式v 形几钻杆操作系统相同该系统中平移灌缸可使移动小车带动提升臂左右移动移动小车与升

22、降架间为耀轮接触。该系统安装在井架v 形门中间信右，配合与其平行的两鼠洞完成单根接立根操作。由圈8 可以看出-井口、猫道成一直线均在v形门中问，两动力鼠嗣偏右不与井口在一条直线上，提升臂夹具手抓取猫道机传迸的钻杆，提升钻杆并旋转使钻杆处于垂直状态，在平移藏缸作用下移动小车带动提升臂爰钻杆向右移动。系统将抓取的第1 单根放人动力鼠洞1 4，同样抓取第2 单根放人动力鼠瀹1 5，接着将抓取的第3 单根在铁钻工配合下在鼠洞1 5 内与第2 单根进行上扣操作然后将接好的2 节单根上提与第1 单根钻杆在鼠洞l 内上扣完成接立根操作。铁钻工与两动力鼠洞在一直线上，并且可来回移动。旋转式和移动式v 形门钻杆

23、操作系统各有特色其完成的功能与达到的目的是相同的，旋转式使用1 个动力鼠澍钻台构造简化，但需在井架上部安装夹管器I 移动式需在钻台安装2 个动力鼠洞，但井集内无需安装夹臂器，井架构造简化。从实现夹具手所夹持钻杆左右运动形式来看移动式的升降桨内需安装左右平移藏缸及滚轮组件，因此升降集构造略显复朵。1 一镕自l2 一镕杆，3 一#m m；4 _ 一#v*1，5 目#，5#自*，7#*E；8*4*9*蕞h；1 0 一*|1 卜*镕&h，1 2 一女#1 3#口，1 4、1 5 一自m H 月m8#Ev*1#*怍统4 结语水平垂直钻杆自动操作系统是自动化钻井平台的重要组成部分取代了钻井人员与钻杆直接接

24、触的重复性工作，提高了钻井J、员的安全性，减小丁劳动强度，可选择完全自动化或半自动化操作，可编程逻辑控制器(P L c)绾程控制。整个过程由计算机监控钻杆的移动和操作t 能精确控箭钻杆运移过程从而实现钻杆全程自动捧放操作。目前我国发展钻杆自动排放操作系统的基本条件和时机B 经成熟在开展技术研究工作中，充分了解国外成熟的设计及鹰用经验对我们的研究和设计工作有很大的帮助。!t：口 m“，R“，f，e fa fT hD e w b co fD r l B F R 跏l k l A D c s P ED n l l 吣c 叽一k 1 9 9 8 钉，i 十女女*$慧镕杆自自*i&*”女案 刀i m r

25、*n*2 0。9 3 8(7)：4 2 6 3 6 I u c hD P u m n t A n E 刊u o n m D 儿i 眶1 h h 一加h g 虻盯D 训1 n 勘1 9 8 6，2 4 3 0 4 w 山A m 利JB，肪r yc m e nc h 嵋1 吨“W a yw e D n n 口 O l m e R z 0 0 5 1 7 n)，4 z-4 9 5 痊牟自女橱#*自动n 管 n 日&t*#镕*作业十月 J i r 机檀，枷口，3 8(2)，6 7 7 2 6 M 平 政董i 镕井平台钻杆捧方女A其自袖化操作系缠口 中目海洋平台2 0】o 2 5(1)：5 l 5 6万

26、方数据水平/垂直钻杆自动操作系统及设计方案水平/垂直钻杆自动操作系统及设计方案作者：张艳敏，崔学政，杜永彬，ZHANG Yan-min，CUI Xue-zheng，DU Yong-bin作者单位：中国石油大学(华东)机电工程学院,山东,东营,257061刊名：石油矿场机械英文刊名：OIL FIELD EQUIPMENT年，卷(期)：2011,40(3)参考文献(6条)参考文献(6条)1.刘平全;崔学政;董磊 钻井平台的钻杆排放方式及其自动化操作系统期刊论文-中国海洋平台 2010(01)2.王凌寒;肖文生;杨轶普 自动化管子处理装置在海洋钻井作业中的应用期刊论文-石油矿场机械 2009(02)3.Walt Aldred J B;Barry Crockett Changing the Way We Drill外文期刊 2005(01)4.Gluch D P Automation:An Evolution in Drilling Technology 19865.尹晓丽;牛文杰;张忠慧 钻杆自动传送系统及设计方案期刊论文-石油矿场机械 2009(07)6.David Reid;Varcointernational Th Development of Drilling Rigs 1998 本文链接：http:/