王龍庭，于美華，徐興平，張 棣，張 辛

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁滑移方案探究

王龍庭，于美華，徐興平，張 棣，張 辛

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

介紹了傳統(tǒng)型懸臂梁鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成、滑移系統(tǒng)組成和縱向滑移方式，分析了各滑移方式的技術(shù)要求和動(dòng)作特點(diǎn)。其中，棘爪滑移和銷軸滑移雖應(yīng)用比較廣泛，但只能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式滑移；齒輪齒條滑移方式目前應(yīng)用不多，但可以很好地實(shí)現(xiàn)懸臂梁連續(xù)平穩(wěn)滑移。結(jié)合實(shí)際比較了3種懸臂梁的應(yīng)用可行性，并給出懸臂梁滑移方式選擇的方向。

自升式鉆井平臺(tái)；懸臂梁；滑移方式

1 懸臂梁鉆井平臺(tái)

海洋平臺(tái)是目前海洋石油勘探開(kāi)發(fā)的主要裝備［1］。槽式和懸臂梁式構(gòu)成了自升式鉆井及修井平臺(tái)的2種主要型式。槽式平臺(tái)是在平臺(tái)的甲板上開(kāi)有槽口，鉆井模塊坐于槽口之上，在槽口內(nèi)實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)；懸臂梁式平臺(tái)是整個(gè)鉆井模塊通過(guò)2個(gè)可移動(dòng)的鋼梁實(shí)現(xiàn)鉆井模塊的整體外移，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。因此，懸臂梁式平臺(tái)不僅可以進(jìn)行勘探作業(yè)，還可以通過(guò)懸臂梁整體外伸到導(dǎo)管架平臺(tái)上（skid-off），實(shí)現(xiàn)鉆生產(chǎn)井及修井作業(yè)。懸臂梁系統(tǒng)為鉆臺(tái)、井架和絞車提供了支撐結(jié)構(gòu)和移動(dòng)動(dòng)力。因此，配備懸臂梁系統(tǒng)的平臺(tái)具有更大的作業(yè)范圍和作業(yè)靈活性，提高了平臺(tái)的作業(yè)效率和作業(yè)范圍，使懸臂梁式鉆、修井平臺(tái)成為主流。目前，全球采用的懸臂梁結(jié)構(gòu)形式主要有傳統(tǒng)型懸臂梁（如圖1）、XY型懸臂梁（如圖2）和旋轉(zhuǎn)型懸臂梁（如圖3）3種。

圖1 傳統(tǒng)型懸臂梁

圖2 XY型懸臂梁

圖3 旋轉(zhuǎn)型懸臂梁

傳統(tǒng)型懸臂梁的懸臂梁部分與鉆臺(tái)底座部分是分開(kāi)的，懸臂梁伸出船艉可以鉆縱向叢式井，懸臂梁不動(dòng)，鉆臺(tái)底座在懸臂梁上作水平移動(dòng)，可以鉆水平叢式井，因此，懸臂梁只是作縱向的移動(dòng)；XY型懸臂梁把鉆臺(tái)和懸臂梁連成一個(gè)整體，由懸臂梁相對(duì)于船體的縱向和橫向移動(dòng)來(lái)帶動(dòng)鉆臺(tái)移動(dòng)，滿足不同的鉆井需求，增加了鉆井覆蓋區(qū)域；旋轉(zhuǎn)型懸臂梁可以實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)和橫向旋轉(zhuǎn)，在增加鉆井覆蓋區(qū)域的同時(shí)還能減小懸臂梁尺寸，加大甲板的可操作區(qū)域［2］。

2 懸臂梁滑移方式

2.1 傳統(tǒng)懸臂梁滑移方式

傳統(tǒng)型懸臂梁滑移基座固定焊接在平臺(tái)的主甲板上，懸臂梁安裝在基座上可以沿平臺(tái)縱向移動(dòng)，橫向軌道在懸臂梁上焊接固定，鉆臺(tái)安裝在橫向軌道上并能在其上滑移［3］。懸臂梁的縱移和鉆臺(tái)的橫移使平臺(tái)能夠在同一地點(diǎn)鉆多口井。常規(guī)懸臂梁滑移系統(tǒng)即為縱向滑移系統(tǒng)，目前自升式平臺(tái)上采用最廣泛的懸臂梁滑移方式有棘爪推移方式、油缸銷軸推移方式和齒輪齒條滑移方式［4］。

2.1.1 棘爪推移方式

懸臂梁系統(tǒng)組成如圖4，在懸臂梁的外側(cè)布置有棘爪系統(tǒng)。

圖4 棘爪滑移方式系統(tǒng)組成

當(dāng)使懸臂梁向平臺(tái)外移動(dòng)時(shí)，需將導(dǎo)向手柄扳到右邊，此時(shí)油缸伸長(zhǎng)，棘爪從移動(dòng)底座邊板上矩形孔內(nèi)自動(dòng)松開(kāi)，滑塊被推動(dòng)著向右移動(dòng)1個(gè)節(jié)距，然后油缸縮回，同時(shí)棘爪自動(dòng)卡進(jìn)相應(yīng)矩形孔鎖緊，從而拖動(dòng)懸臂梁向平臺(tái)外移動(dòng)1個(gè)節(jié)距。重復(fù)以上操作即可使懸臂梁不斷向外移動(dòng)。若要使懸臂梁向平臺(tái)內(nèi)縮回，將導(dǎo)向手柄扳到左邊，實(shí)行上述類似循環(huán)操作即可。

該系統(tǒng)利用了棘爪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，操作過(guò)程簡(jiǎn)單易行，動(dòng)作可靠。設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮棘爪的彎曲強(qiáng)度及擠壓應(yīng)力，避免出現(xiàn)折斷變形；滑塊的受力應(yīng)合理，防止傾翻；導(dǎo)向手柄要配重合理，以便易于搬動(dòng)。

2.1.2 油缸銷軸推移方式

懸臂梁油缸銷軸推移系統(tǒng)主要由2組油缸基座、推進(jìn)油缸及滑移銷軸等組成，如圖5所示。懸臂梁導(dǎo)軌板上間隔一定距離開(kāi)一些圓形銷孔，當(dāng)懸臂梁向右移動(dòng)時(shí)，搬動(dòng)換向手柄到右方，左右油缸同時(shí)工作，分別伸出和縮回，帶動(dòng)銷軸向左運(yùn)動(dòng)。銷軸向左運(yùn)動(dòng)1個(gè)節(jié)距后由彈簧自動(dòng)打入相應(yīng)的銷孔中鎖緊，然后左右油缸分別縮回和伸出，銷軸由于被鎖緊便能推動(dòng)懸臂梁向右運(yùn)動(dòng)1個(gè)節(jié)距。重復(fù)以上操作可實(shí)現(xiàn)懸臂梁不斷向右移動(dòng)。當(dāng)使油缸向左移動(dòng)時(shí)，將換向手柄搬到左方，反向重復(fù)以上操作即可。

圖5 油缸銷軸推移系統(tǒng)

油缸銷軸推移方式與棘爪滑移方式相似，都可以實(shí)現(xiàn)懸臂梁的步進(jìn)式移動(dòng)，動(dòng)作可靠，操作簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)上應(yīng)注意考慮銷軸、銷孔、推板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等。

2.1.3 齒輪齒條滑移方式

齒輪齒條滑移系統(tǒng)是在懸臂梁的主梁上設(shè)置齒條，每根齒條上對(duì)應(yīng)有幾個(gè)小齒輪。樁邊馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速箱，將動(dòng)力傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動(dòng)懸臂梁滑移，如圖6。

圖6 齒輪齒條滑移系統(tǒng)

該滑移方式克服了液壓推移方式的不連續(xù)性，可以使懸臂梁連續(xù)平穩(wěn)地滑移，而且操作更靈活、操作性能良好，只要加大裝置動(dòng)力就可獲得較高的滑移速度。技術(shù)上要考慮齒輪齒條嚙合強(qiáng)度、各小齒輪的同步性等。

2.2 XY型懸臂梁滑動(dòng)模塊

常規(guī)懸臂梁只需要縱向滑移機(jī)構(gòu)，而XY懸臂梁則需要縱橫雙向滑移機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)箱（其中安裝有液壓推動(dòng)滾筒，以減少滑動(dòng)箱和軌道之間的摩擦力）和2只液壓油缸由軛連接在一起組成滑動(dòng)模塊，軛上有銷軸將滑動(dòng)軌道上的一系列孔串接起來(lái)，通過(guò)液壓裝置推動(dòng)。1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓源提供滑移動(dòng)力，該液壓源還有另外2臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)各驅(qū)動(dòng)1臺(tái)液壓泵，以提高可靠性。如果1臺(tái)電機(jī)或液壓泵失效，懸臂梁仍可以繼續(xù)移位，但移動(dòng)速度會(huì)減半?；瓶刂剖前胱詣?dòng)的，由可編程邏輯控制器（PLC）控制，只需選定移動(dòng)方向，后續(xù)的步驟可以自動(dòng)完成［5-6］。

2.3 旋轉(zhuǎn)型懸臂梁改進(jìn)滑移系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)式懸臂梁（如圖3）具有旋轉(zhuǎn)基座，該基座固定于甲板上，懸臂梁通過(guò)縱向油缸推動(dòng)縱向滑移，通過(guò)懸臂梁基座設(shè)置的油缸推動(dòng)懸臂梁的旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，傳統(tǒng)型懸臂梁在實(shí)際應(yīng)用中使用較多，其結(jié)構(gòu)形式成熟可靠，造價(jià)也相對(duì)較低；XY型懸臂梁滑移結(jié)構(gòu)受專利保護(hù)，造價(jià)較高，應(yīng)用較少；旋轉(zhuǎn)型懸臂梁滑移機(jī)構(gòu)制造技術(shù)要求高，在實(shí)際中很少應(yīng)用。就懸臂梁的縱移方式來(lái)說(shuō)，大多采用液壓移位，技術(shù)上相對(duì)成熟可靠，可以實(shí)現(xiàn)懸臂梁步進(jìn)式的滑移；但液壓油缸的液壓站容易漏油，液壓元件也需要經(jīng)常更換，維護(hù)起來(lái)較困難；液壓油缸驅(qū)動(dòng)式懸臂梁的滑移系統(tǒng)制作、安裝精度高，生產(chǎn)制作困難。齒輪齒條方式應(yīng)用相對(duì)不多，但能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)滑移，并且可根據(jù)需要調(diào)整滑移速度。研究開(kāi)發(fā)移動(dòng)迅速、便捷，制作方便的齒輪齒條式懸臂梁系統(tǒng)可以提高海洋鉆井、修井平臺(tái)的工作效率，應(yīng)該受到重視。

［1］ 陳宏，李春祥.自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展綜述［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2007，22（6）：1-6.

［2］ 孫承猛，呂宏偉，戴克文，等.自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁載荷圖譜編制方法研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（11）：20-23.

［3］ 樊敦秋.自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁遷航狀態(tài)滑移分析研究［J］.船舶，2013，24（1）：73-74.

［4］ 王龍庭，梁會(huì)高，徐興平，等.國(guó)外自升式懸臂梁鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［J］.海洋石油，2009，29（4）：89-93.

［5］ 錢亞林，薄玉寶.自升式懸臂梁鉆井平臺(tái)初探［J］.上海造船，2009，9（1）：15-18.

［6］ 任憲剛，白勇，賈魯生.自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁研究［J］.船舶力學(xué)，2011，15（4）：402-407.

Exploration of Cantilever Beams Sliding Modes in the Jack-Up Drilling Platform

WANG Long-ting，YU Mei-hua，XU Xing-ping，ZHANG Di，ZHANG Xin
（College of Mechanical and Electical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Traditional cantilever beams structure，skidding system composition and longitudinal skidding modes：pawl skidding mode，hinge pin skidding mode of hydraulic displacement，gear rack skidding mode are described in detail.The technical requirements of the skidding modes and operating characteristics are analyzed.Among them，pawl skidding mode and hinge pin skidding mode，although used more widely than gear rack skidding mode，they can only achieve stepping skidding.Gear rack skidding mode can achieve a continuous and smooth skidding of cantilever beams well although the current application is not much.In the end，the application feasibility of the three kinds of cantilever beams are compared according to realities，and selected direction of their skidding modes is given.

jack-up drilling platform；cantilever；skidding modes

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.004

1001-3482（2014）0-0013-03

2014-01-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助“自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁底座關(guān)鍵技術(shù)研究”（14CX02078A）

王龍庭（1983-），男，江西吉安人，碩士，主要從事石油機(jī)械及海洋工程科研與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，E-mail：wanglt198403＠aliyun.com。