馬清明，劉 濤，江正清，伊偉鍇

（1.勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營 257060；2.勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257061）

深海鉆井立根排放裝置模型樣機設(shè)計

馬清明1，劉 濤1，江正清1，伊偉鍇2

（1.勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營 257060；2.勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257061）

通過對國內(nèi)外鉆桿排放裝置的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，設(shè)計了一種海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置，完成了機械系統(tǒng)的總體方案和各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

鉆井技術(shù)；立根排放；模型樣機；自動控制

1 概述

鉆井過程是一個重復(fù)性高、勞動強度大、危險系數(shù)高的過程，尤其在海上鉆井作業(yè)，常遇到風(fēng)浪等惡劣等情況，安全問題尤為突出。據(jù)2005年國際鉆井承包商協(xié)會統(tǒng)計，30%～52%的傷亡事故發(fā)生在起下鉆過程中，并因此耽誤了大量的鉆井時間［1］。利用鉆柱自動化排放裝置，可節(jié)省起下鉆時間25%，1h可以起下55根鉆柱［2-3］。同時，海上鉆井成本很高，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得尤為重要，因此鉆桿自動化排放系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用［4］。

自動化鉆桿操作系統(tǒng)根據(jù)其所處理管具的空間位置可分為：水平型鉆桿自動排放系統(tǒng)、水平/垂直混合型鉆桿自動排放系統(tǒng)和垂直型鉆桿自動排放系統(tǒng)［5-6］。其中，水平鉆桿操作系統(tǒng)主要作用是在鉆臺和甲板之間進行鉆桿和其他管具的傳送。水平/垂直混合型鉆桿自動排放系統(tǒng)主要作用是將在其下方水平放置的鉆桿提起并轉(zhuǎn)換至垂直狀態(tài)，或?qū)@臺上處于垂直狀態(tài)的鉆桿轉(zhuǎn)換至水平位置并下放到鉆桿傳送設(shè)備上。目前比較典型的水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有Varco公司的V-Door Machine、Stand Hand II、Pipe Laydown System以及MH公司的Eagle/Eagle Light等［7］。垂直鉆桿操作系統(tǒng)功能是在井口與立根盒之間移送鉆桿立根、鉆桿單根連接成立根等操作。

2 海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)實際功能并運用相似原理，設(shè)計了1∶5的二層臺立根排放裝置模型樣機，包括上夾持機構(gòu)系統(tǒng)和下夾持機構(gòu)系統(tǒng)兩部分，其中上夾持機構(gòu)系統(tǒng)由上部移動梭車、上部機械臂和上夾持機構(gòu)組成，下夾持機構(gòu)系統(tǒng)由下部移動梭車、下部機械臂和下夾持機構(gòu)組成。

圖1 海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)

上夾持機構(gòu)安裝在上部機械臂下部，用于夾緊鉆桿立根，上部機械臂固定在移動梭車上，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和上夾持機構(gòu)的升降運動，下夾持機構(gòu)安裝在下部機械臂上部，用于夾持桿立根，下部機械臂固定在移動梭車上，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和下夾持機構(gòu)的伸展運動，移動梭車安裝在移動導(dǎo)軌上，可沿導(dǎo)軌產(chǎn)生縱向移動。

3 海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置的各機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

立根排放試驗裝置上夾持機構(gòu)系統(tǒng)由上部移動梭車、上部機械臂和上夾持機構(gòu)組成，下夾持機構(gòu)系統(tǒng)由下部移動梭車、下部機械臂和下夾持機構(gòu)組成。

上部移動梭車主要用于實現(xiàn)上夾持機構(gòu)系統(tǒng)的縱向移動和橫向移動，并與上部機械臂組合使用，實現(xiàn)上部機械手的旋轉(zhuǎn)運動，其主要由縱梁、縱向?qū)к?、縱向齒條、橫梁、橫向?qū)к?、橫向齒條、上部連接架、移動梭車、回轉(zhuǎn)支撐軸承、齒輪、伺服電機和減速器等組成，如圖2所示

圖2 上部移動梭車結(jié)構(gòu)圖

上部機械臂主要用于在抓取或釋放鉆桿立根后提升或下落上夾持機構(gòu)，并在工作過程中由回轉(zhuǎn)支撐軸承帶動，實現(xiàn)上夾持機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動，其主要由內(nèi)機械臂、外機械臂、無油潤滑軸承塊和提升電動缸等組成。上夾持機構(gòu)主要用于夾緊鉆桿立根，從而帶動鉆桿立根運移，其主要由安裝座、連接板、耳板、夾板、橡膠塊和夾緊電動缸等組成。

下部移動梭車主要用于實現(xiàn)下夾持機構(gòu)系統(tǒng)的縱向移動并與下部機械臂組合使用，實現(xiàn)下部機械手的旋轉(zhuǎn)運動，其主要由下部縱梁、下部縱向?qū)к?、下部縱向齒條、下部移動梭車、回轉(zhuǎn)支撐軸承、齒輪、伺服電機和減速器等組成，如圖3所示。

下部機械臂主要用于擴展或縮小下夾持機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)半徑，并維持下夾持機構(gòu)在工作過程中一直處于水平狀態(tài)，除此之外，在工作過程中由回轉(zhuǎn)支撐軸承帶動，實現(xiàn)下夾持機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動，其主要由機械臂、伸展電動缸、水平電動缸、耳座和法蘭盤等組成。

下夾持機構(gòu)主要用于約束鉆桿立根在工作過程中運動軌跡，以保證鉆桿立根在工作過程中一直處于豎直狀態(tài)，其主要由安裝座、連接板、耳板、夾板和電動推桿等組成。

圖3 下部移動梭車結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)外鉆桿排放裝置的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行研究，設(shè)計了一種海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置。根據(jù)實際工作要求和任務(wù)要求，選取電力驅(qū)動并控制鉆柱自動化排放的整個過程，對海洋平臺二層臺立根排放試驗裝置進行了機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計。

通過理論計算，對機械元件進行選型，完成機械系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，并完成了自動排管裝置上部機械手、上部梭車、下部機械手和下部鎖梭車的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

［1］ Richard D.The next major step in total hands-free pipe handling-No derrickman in the derrick racking and unracking pipe［J］.IADC/SPE Drilling Conference，2007（2）：405-408.

［2］ Reid D.Development of automated drilling rigs［J］.IADC/SPE Drilling Conference，1998：695-710.

［3］ 敖沛.國外石油鉆機新技術(shù)［J］.石油機械，2004，32（4）：50-51.

［4］ 劉文慶，崔學(xué)政，張富強.鉆桿自動排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)［J］.石油礦場機械，2007，36（11）：74-77.

［5］ 姜鳴，曹言悌，周聲強.陸地鉆機鉆桿自動排放系統(tǒng)的設(shè)計方案［J］.石油機械，2008，36（8）：95-98.

［6］ 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.

［7］ 張艷敏，崔學(xué)政，杜永彬.水平_垂直鉆桿自動操作系統(tǒng)及設(shè)計方案［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：23-27.

Prototype Design of Deep-Sea Drilling Roots Emission Device

Ma Qing-ming，Liu Tao，Jiang Zheng-qing，Yi Wei-kai

Through to the domestic and foreign pipe handing device structure and key technology research，a new type offshore platform Monkey-Board Pipe Handing test device was designed.The structure design of the overall scheme of mechanical system and components were accomplished.

drilling technology；pipe handing；model prototype；automatic control

U674.38

B

1003-6490（2016）07-0095-02

2016-07-16

山東省自然科學(xué)基金“海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償系統(tǒng)升沉與鉆壓耦合控制研究”（ZR2015EL049）資助項目。

馬清明（1966—），男，山東臨朐人，高級工程師，主要從事鉆井機械研發(fā)、科研管理等工作。