陸 輝,趙世剛,張 建,張彥秋

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院青島分院,山東青島 266000)

海洋鉆井平臺貓道機的典型結(jié)構(gòu)及分析*

陸 輝,趙世剛,張 建,張彥秋

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院青島分院,山東青島 266000)

貓道機的主要功能是井場管具的自動運移,經(jīng)歷了從人工操作到自動化的演變過程,目前國內(nèi)外鉆采公司制造的自動貓道的主要類型有舉升式貓道、機械臂管子處理系統(tǒng)和平移式貓道三種。舉升式貓道運行平穩(wěn)可靠,安全性好,占地面積小,但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。機械臂管子處理系統(tǒng)處理管子的速度快,工作效率高,缺點是,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求高,制造與維護成本昂貴等。平移式貓道是目前應(yīng)用范圍最廣的貓道機,結(jié)構(gòu)簡單并且易拆卸和安裝,易維護,并且可將鉆臺設(shè)備運送到鉆臺內(nèi)。目前平移式貓道主要有兩種結(jié)構(gòu),并且對這兩種結(jié)構(gòu)的貓道機進行了對比分析。

鉆井平臺;自動化;自動排管系統(tǒng);貓道機

0 引 言

為了減少鉆井作業(yè)時間、費用和提高作業(yè)的安全性,自動管具處理系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的人工管具操作。自動管具處理系統(tǒng)減少了操作者的人員數(shù)量并提高了鉆井的效率,在鉆井的同時進行離線接單根、自動輸送和排放鉆桿等操作將會大幅降低鉆井時間。自動化管具操作系統(tǒng)操作過程是指采用自動化管具處理系統(tǒng)代替人工來完成的管具操作過程。自動化管具處理系統(tǒng)由水平管具操作系統(tǒng)、水平/垂直管具轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和垂直管具操作系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成,貓道機是自動化管具處理系統(tǒng)配套設(shè)備之一,屬于水平管具操作系統(tǒng),它的主要功能是實現(xiàn)井場管具自動運移。頂驅(qū)的液壓吊卡或機械手與貓道機相互配合使用,可以實現(xiàn)鉆桿、鉆鋌和套管等的自動操作。

1 貓道機發(fā)展歷史

鉆井作業(yè)經(jīng)過人工向自動化的轉(zhuǎn)變,貓道也由原先人工操作的簡易貓道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃窨蛇h程控制的自動貓道,人工向自動化的轉(zhuǎn)變提高了作業(yè)效率和工人的安全。

1.1 簡易貓道

簡易貓道是連接鉆臺面與甲板面的坡道,通過鉆臺面的氣動絞車和甲板吊將放置在甲板面的管具拖拽到鉆臺面。這種操作的缺點顯而易見,自動化,智能化程度偏低,上下鉆臺都需要至少4名工人配合完成而造成操作效率不高,同時工人勞動強度大,安全卻得不到保證,而且鉆具在互動過程中極易造成不同程度的損壞而影響使用壽命,如圖1所示。

圖1 簡易貓道

1.2 帶式鉆桿傳送機

為了克服人工作業(yè)的缺點,研發(fā)出帶式鉆桿輸送機,在鉆臺和甲板間可,通過帶式鉆桿輸送機傳送鉆桿,鉆桿放置在傳輸機的多層橡膠帶上傳輸鉆桿,多層橡膠帶通過安裝在頭部和尾部的驅(qū)動滾筒和張緊滾筒。通過液壓馬達帶動驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動傳送帶運行。輸送機的尾部安裝了扶正導向機構(gòu)將鉆桿傾斜一定角度,以便鉆桿的抓取。但是帶式傳輸機傳輸鉆桿不穩(wěn)定,鉆桿容易從傳送帶上脫落。為了克服以上缺點,研發(fā)出貓道機替代了帶式鉆桿傳送機[1],如圖2所示。

1.3 貓道機

貓道機通過安裝在貓道中的V型槽作為鉆具的運輸軌道,靠V型槽中的推車推動鉆具沿著貓道的V型槽滑動,安裝在尾部舉升機構(gòu)升起配合機械手,實現(xiàn)鉆桿在貓道和鉆臺之間的相互傳遞,它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單,易于實現(xiàn)自動控制,傳送過程快速、安全、平穩(wěn)[2],如圖3所示。

圖2 帶式鉆桿傳送機

圖3 貓道機

2 國內(nèi)外海上貓道機發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)貓道機的鉆具承載平臺、坡道與貓道地面平臺三者之間的相對位置關(guān)系,以及傳送鉆桿的方式,國外常見的海上貓道機有舉升式貓道、機械臂管子處理系統(tǒng)和平移式貓道3種類型[3]。

2.1 舉升式貓道機

舉升式貓道主要特點是貓道機與鉆臺面不在同一水平面,鉆具承載平臺中的V型槽可以根據(jù)需要舉升到一定的高度。因此,舉升式貓道機可以與不同高度范圍的鉆井平臺相互匹配。舉升式屬于液壓驅(qū)動的貓道機,能夠迅速地將鉆桿或者套管從鉆桿架上運移到鉆臺上,然后通過小車將V型槽中的鉆桿推向鉆臺面。兩側(cè)安裝的排管架與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可以將鉆桿移出V型槽,尾部安裝有折臂吊可將鉆桿放入到V型槽中,舉升式貓道的優(yōu)點是運行平穩(wěn)可靠,安全性好,占地面積小,但是運動形式較復(fù)雜,如圖4。

2.2 機械臂管子處理系統(tǒng)

與傳統(tǒng)貓道機相比,機械臂管子處理系統(tǒng)沒有貓道地面平臺、鉆具承載平臺與坡道,可直接實現(xiàn)管子在地面與平臺之間的運移,并且具有接立根的功能。其均采用機器人運動控制原理提高系統(tǒng)的自動化程度,利用排放臂和夾鉗的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其快速定位和夾持功能,屬于全自動化處理設(shè)備。機械臂管子處理系統(tǒng)處理管子的速度快,可以使用無線遠程控制,工作效率高,缺點是液壓元件的制造精度與安裝精度高,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求極高,制造與維護成本昂貴,運移與拆裝繁瑣,如圖5所示。

圖4 舉升式貓道機

圖5 機械臂管子處理系統(tǒng)

2.3 平移式貓道機

平移式貓道機是廣泛應(yīng)用于海洋鉆井平臺的一種鉆具運移裝置。這種貓道機的特點貓道機分為兩大部分,貓道機支架與貓道機滑車,支架的高度與鉆臺面的高度相同,折臂吊將鉆具放置在貓道機滑車中,貓道機滑車從貓道機支架水平移動到鉆臺面上,當貓道機滑車移動到鉆臺面的一定位置,設(shè)置于貓道機滑車V型槽中的鉆具推送裝置將鉆具推送到井口的預(yù)定位置。排管機械手將鉆具取出。平移式貓道相對于其他類型的貓道機最大的特點是可以將一些鉆臺設(shè)備從甲板運送到鉆臺面上。平移式貓道機主要分為兩種結(jié)構(gòu),分別為CAMERON公司和NOV公司生產(chǎn)。目前絕大多數(shù)鉆井平臺使用的貓道機為平移式貓道機。

CAMERON公司生產(chǎn)海上貓道機的排管架與貓道機本體為一體式,鉆桿排放在貓道機滑車上,體積較大,重量較重。后端裝有推車,可以向前推送管具,側(cè)面裝有分離機構(gòu)向V型滑道推送鉆桿,前端安裝有抬升機構(gòu),將鉆桿端部抬起。貓道機可以將鉆具和其他設(shè)備高效和安全地在鉆臺面和甲板之間傳送。貓道機可以同時運送4根6-5/8鉆桿。CAMERON公司的貓道機通過折臂吊來裝卸管具。貓道機通過安裝在鉆臺面和甲板面的導軌前后移動。貓道機配有扶正機構(gòu),可以配合水平垂直轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將鉆桿放入井眼中[4],如圖6、7所示。

圖6 CAMERON公司貓道機

圖7 NOV公司貓道機

NOV公司生產(chǎn)貓道機將排管架與貓道機滑車分離,貓道本體用來推送鉆桿,鉆桿儲存在排放架上,體積較小,重量較輕。后端裝有小車,可以向前推送管具,V型槽裝有翻轉(zhuǎn)機構(gòu)向排管架推送鉆桿,前端安裝有舉升機構(gòu)和扶正機構(gòu),配合水平垂直轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將鉆桿放入井眼中[5],如圖7所示。

3 平移式貓道機的主要結(jié)構(gòu)分析

目前,由于平移式貓道機結(jié)構(gòu)簡單,工作效率高,所以大部分海上平臺安裝的是平移式貓道機。平移式貓道機主要有CAMERON公司和NOV公司這兩種,通過對這兩種貓道機的對比分析,改進現(xiàn)有平移式貓道機的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

3.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)對比分析

CAMERON公司貓道機翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由推桿和翻轉(zhuǎn)塊完成翻轉(zhuǎn)管具的過程,NOV公司貓道機由傾斜塊和翻轉(zhuǎn)塊完成翻轉(zhuǎn)管具的過程。NOV公司貓道機的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)相較于CAMERON公司貓道機結(jié)構(gòu)更加簡潔,在翻轉(zhuǎn)管具的過程中翻轉(zhuǎn)液壓缸的伸縮相同的距離便可以將排管架上的不同尺寸的管具翻轉(zhuǎn)到V型槽中,而CAMERON公司貓道機在翻轉(zhuǎn)管具的過程中需要控制推桿液壓缸的不同的伸縮距離將不同尺寸管具推送到V型槽中,所以NOV公司貓道機翻轉(zhuǎn)管具的過程更容易操作,如圖8～11所示。

圖8 CAMERON公司貓道機翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖9 CAMERON貓道機翻轉(zhuǎn)管具過程

圖10 NOV公司貓道機翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖11 NOV公司貓道機翻轉(zhuǎn)管具過程

3.2 貓道機小車傳動機構(gòu)對比

NOV公司貓道機和排管架與CAMERON公司貓道機均采用液壓馬達驅(qū)動鏈條帶動小車在V型槽中前后移動。CAMERON公司貓道機采用了雙側(cè)的鏈傳動,NOV公司貓道機因為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)與本體的連接安裝在本體一側(cè),所以采用了單側(cè)鏈傳動。小車的雙側(cè)鏈傳動比小車的單側(cè)鏈傳動運行穩(wěn)定,但單側(cè)鏈傳動比雙側(cè)鏈傳動結(jié)構(gòu)簡單,如圖12、13所示。

圖12 CAMERON貓道機小車傳動系統(tǒng)

圖13 NOV公司貓道機小車傳動系統(tǒng)

3.3 貓道機本體運行機構(gòu)對比

如圖14、15分別為CAMERON和NOV公司貓道機傳動系統(tǒng)。

圖14 CAMERON公司貓道機傳動系統(tǒng)

圖15 NOV公司貓道機傳動系統(tǒng)

NOV公司貓道機通過齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)對貓道機本體的前后移動,齒輪通過安裝在貓道機本體底部的液壓馬達驅(qū)動,齒條安裝在貓道機支架上。CAMERON公司貓道機通過安裝在底部的液壓缸伸縮來實現(xiàn)貓道機本體的前后移動,并且通過液壓缸可以將本體傾斜一定角度,配合機械手抓取鉆桿。通過兩種結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn),液壓缸驅(qū)動要比齒輪齒條式驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單,運行平穩(wěn),但是成本要比齒輪齒條式的高。

5 結(jié) 語

海上貓道機是自動排管系統(tǒng)的重要組成部分,通過自動化的運送鉆桿代替人工與鉆桿的直接接觸,提高了鉆井人員的安全性和鉆井效率。海上貓道機在國外經(jīng)過長期的研究和應(yīng)用,其技術(shù)和產(chǎn)品相對成熟,其設(shè)計經(jīng)驗也值得我們借鑒,所以,充分了解國外各種海上貓道機操作系統(tǒng)的特點、基本類型等,并且通過對比分析貓道機的結(jié)構(gòu)對研究和改進貓道機有很大幫助。

[1] 高建強.全液壓自動貓道提升系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學, 2014.

[2] 沙永柏,朱吉良,李志東,等.鉆桿自動化操作系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)[J].機械制造,2011,49(562):60-62.

[3] 趙淑蘭,李文彪,聶永晉.動力貓道技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油礦產(chǎn)機械,2010,39(2):13-15.

[4] 張富強.鉆井平臺鉆桿自動傳送系統(tǒng)設(shè)計研究[D].青島:中國石油大學,2010.

[5] 劉平全.鉆井平臺鉆桿自動操作系統(tǒng)設(shè)計研究[D].青島:中國石油大學,2010.

Typical Structure and Analysis of Catwalk Machine in Marine Drilling Platform

LU Hui,ZHAO Shi-gang,ZHANG Jian,ZHANG Yan-qiu
(Qingdao Branch of Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute,Qingdao Shandong 266000,China)

The main function of catwalk machine is to automatically transport the well site pipes,and the catwalk machine has experienced the evolution process of manual to intelligent.At present,there are three kinds of catwalk which are produced by companies at home and abroad:lifting catwalk,mechanical arm processing system and translational catwalk.Lifting catwalk operates smoothly and reliably,and it is security and small land occupation,but complicated structure.Mechanical arm processing system is fast in processing speed,it is high efficiency but the control system needs stability and its manufacturing cost is expensive.Translational catwalk is the most widely used at present,which is simple structured and easy to be maintained,and it could carry equipments into the drilling platform.Now the translational catwalk has two constructions,which would be contrastively analyzed in this paper.

drilling platform;automation;automatic exhaust pipe system;automatic catwalk

TE951

A

1007-4414(2015)05-0032-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.011

2015-07-28

陸 輝(1986-),男,山東青島人,碩士,助理工程師,主要從事鉆機機械設(shè)計方面的工作。