(中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津 300459)

0 引 言

在海上平臺(tái)鉆修井作業(yè)期間，二層臺(tái)完全依靠井架工推拉處理油管、鉆桿，井架工勞動(dòng)強(qiáng)度大、高空作業(yè)危險(xiǎn)性高、逃生難度大，海上作業(yè)環(huán)境惡劣，井架工經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑、風(fēng)吹日曬。目前，NOV、Weatherford等國內(nèi)外石油裝備公司的鉆桿自動(dòng)排放技術(shù)得到了成熟的發(fā)展，該技術(shù)在半潛式鉆井平臺(tái)和陸地鉆機(jī)上得到了較好的應(yīng)用，但考慮海洋修井機(jī)及模塊鉆機(jī)的空間結(jié)構(gòu)、設(shè)備維護(hù)便捷性、使用安全性，以及鉆井工況與修井工況差別等因素，需設(shè)計(jì)適用于海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)的新型自動(dòng)排送管系統(tǒng)，解決二層臺(tái)人工作業(yè)存在的難題。

1 系統(tǒng)配置及工作原理

海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)由二層臺(tái)(含指梁鎖等部件)、機(jī)械手、集成控制系統(tǒng)、液壓吊卡和氣動(dòng)卡瓦組成。其中，機(jī)械手采用上置方式安裝于二層臺(tái)，便于開展預(yù)防性維護(hù)工作。依據(jù)HSE管理要求，二層臺(tái)、機(jī)械手的各連接部件均設(shè)有安全防墜落設(shè)施，有效降低高空墜落風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)械手僅扶持管柱運(yùn)動(dòng)，不將管柱提起，配合鉆臺(tái)面扶管機(jī)械手或鉆工操作，將管柱從井口放入二層臺(tái)指梁內(nèi)，或從指梁內(nèi)取出送至井口[1-2]，指梁鎖的配置可有效防止管柱從指梁內(nèi)倒出。通過選擇不同的控制和工作模式，可自動(dòng)或手動(dòng)完成不同規(guī)格管柱的排管或送管操作。待命期間可避讓于猴道最后端，在猴道蓋板、兩側(cè)欄桿和前端翻轉(zhuǎn)平臺(tái)安裝完畢后即可恢復(fù)人工作業(yè)。

2 油水井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取渤海海域多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行油水井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，確定油水井油管、鉆桿和鉆鋌的規(guī)格，確定油水井完井井深，為二層臺(tái)和機(jī)械手抓手的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，保證最佳應(yīng)用效果。油水井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

(1) 油管規(guī)格 2-7/8英寸(1英寸=0.025 4 m)、3-1/2英寸、4-1/2英寸，其中2-7/8英寸、3-1/2英寸的油管占比高達(dá)80%；

(2) 鉆桿規(guī)格 2-7/8英寸、3-1/2英寸、4-1/2英寸；

(3) 鉆鋌規(guī)格 4-6/8英寸、6-1/2英寸、8-1/2英寸；

(4) 完井井深 1 377.97～4 578.00 m。

3 基本設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)概念

(1) 機(jī)械手臂架自動(dòng)折疊、待命期間無需拆卸。

(2) 采用全電驅(qū)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、路徑預(yù)設(shè)、一鍵操控、程序記憶。

(3) 集成設(shè)計(jì)司鉆操作控制系統(tǒng)。

(4) 設(shè)置多重自鎖、互鎖保護(hù)，功能安全可靠。

(5) 故障自診斷與報(bào)警提示，全程可視監(jiān)控。

(6) 對(duì)外接口支持工業(yè)以太網(wǎng)通信連接[3]。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

(1) 工作環(huán)境溫度：-30～+50 ℃。

(2) 工作環(huán)境相對(duì)濕度：0～95% RH、不凝露。

(3) 防爆及防護(hù)等級(jí)：不低于ExdIIBT4、IP56。

(4) 工作風(fēng)速：0～17.1 m/s。

(5) 驅(qū)動(dòng)方式：伺服驅(qū)動(dòng)。

(6) 系統(tǒng)供電：應(yīng)急AC 380(1±5%) V、50～60 Hz。

(7) 管徑抓取范圍：2-7/8～8-1/2英寸。

(8) 二層臺(tái)立根容量：不低于Q/HS2007.1-2013井架二層臺(tái)容量的80%[4]。

(9) 機(jī)械手最大操作力：>750 N。

(10) 機(jī)械手運(yùn)行速度：≥0.2 m/s。

(11) 回轉(zhuǎn)角度：±90°。

(12) 位置精度：±3 mm。

(13) 回轉(zhuǎn)精度：≤0.2°。

(14) 臂架操作半徑：≥2 000 mm。

3.3 二層臺(tái)設(shè)計(jì)

二層臺(tái)與井架主結(jié)構(gòu)采用插銷耳板方式進(jìn)行連接，便于安裝，當(dāng)二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)應(yīng)用于在役海洋鉆修機(jī)時(shí)，無需改造井架結(jié)構(gòu)，只需整體更換現(xiàn)有二層臺(tái)。在二層臺(tái)猴道設(shè)計(jì)供機(jī)械手滑移的平移滑軌，二層臺(tái)單邊預(yù)留單排可排放8-1/2英寸鉆鋌的固定式指梁格，其余指梁設(shè)計(jì)為常規(guī)固定不可翻轉(zhuǎn)式，指梁間隙適用于2-7/8～4-1/2英寸管柱；在二層臺(tái)指梁上安裝彈簧鎖片，指梁最前端安裝指梁鎖，其控制電機(jī)安裝在指梁內(nèi)，有效固定管柱位置，指梁上有保險(xiǎn)鏈掛耳，安裝保險(xiǎn)鏈，防止指梁墜落；安裝防爆高清攝像儀，全程實(shí)時(shí)影像監(jiān)控。

對(duì)于部分在役海洋鉆修機(jī)，在二層臺(tái)改造為應(yīng)用自動(dòng)排送管系統(tǒng)時(shí)，與原二層臺(tái)相比，新二層臺(tái)指梁間隙不可調(diào)、預(yù)留鉆鋌排放位置、增強(qiáng)指梁剛度，同時(shí)考慮機(jī)械手回轉(zhuǎn)半徑因素，導(dǎo)致新二層臺(tái)立根容量有所降低，不能滿足Q/HS2007.1-2013井架二層臺(tái)容量80%的最低要求。在該情況下，須將指梁設(shè)計(jì)為固定可翻轉(zhuǎn)式，指梁在不翻轉(zhuǎn)時(shí)，間隙適用于2-7/8～3-1/2英寸管柱，翻轉(zhuǎn)后可適用于4-1/2英寸管柱，但翻轉(zhuǎn)后只能由人工完成排送管操作。

3.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)

機(jī)械手由平移滑車、防爆伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、機(jī)械臂架、執(zhí)行器、抓手、高清攝像儀組成，通過平移滑車固定于二層臺(tái)猴道滑軌上方。在轉(zhuǎn)軸位置安裝高清攝像儀，對(duì)準(zhǔn)指梁開口位置，在關(guān)鍵部位配置高性能的接近開關(guān)、行程開關(guān)、機(jī)械限位等裝置，保證機(jī)械手可靠運(yùn)行。

防爆伺服電機(jī)分別用于驅(qū)動(dòng)平移滑車沿猴道滑軌滑動(dòng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械手前后伸縮。電機(jī)選型的防護(hù)類型為ExdIICT6，防護(hù)等級(jí)IP67，適用于-30～50 ℃的環(huán)境溫度，采用自然風(fēng)冷，具有極高的運(yùn)行平穩(wěn)性，通過與伺服驅(qū)動(dòng)器的有機(jī)結(jié)合，完成速度與位置的精確控制。

機(jī)械臂架采用柔性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)將機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)本身剛度設(shè)計(jì)在適當(dāng)范圍內(nèi)，合理控制機(jī)械臂架驅(qū)動(dòng)速度，有效降低機(jī)械手抓手的振動(dòng)，提高機(jī)械手抓手的定位精度[5-6]。對(duì)機(jī)械手抓手開度采用變擋設(shè)計(jì)，滿足抓取不同規(guī)格油管、鉆桿及鉆鋌的需求，在抓取管柱時(shí)，由執(zhí)行器控制抓手開合，自動(dòng)完成換擋。機(jī)械手抓手依靠電磁感應(yīng)識(shí)別管柱，精準(zhǔn)識(shí)別管柱進(jìn)出。

3.5 液壓吊卡及氣動(dòng)卡瓦選型設(shè)計(jì)

液壓吊卡選型設(shè)計(jì)為側(cè)開式，額定工作壓力為14 MPa，流量為20～25 L/min，翻轉(zhuǎn)角度滿足從垂直向前90°翻轉(zhuǎn)，通過更換襯套體，可適用于2-7/8～4-1/2英寸管柱。

氣動(dòng)卡瓦適用卡持管柱范圍為2-7/8～4-1/2英寸，最大天然氣與石油設(shè)計(jì)載荷依據(jù)鉆修機(jī)最大提升載荷選定，氣源工作壓力為0.6～1.0 MPa。

3.6 集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.6.1 硬件設(shè)計(jì)

集成控制系統(tǒng)硬件由驅(qū)動(dòng)控制柜、防爆控制柜、HMI面板、操作手柄、控制開關(guān)和按鈕以及指示燈組成。

(1) 驅(qū)動(dòng)控制柜。驅(qū)動(dòng)控制柜內(nèi)部安裝伺服驅(qū)動(dòng)控制器，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手伺服電機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)指梁鎖電機(jī)。為便于安裝維護(hù)，將該驅(qū)動(dòng)控制柜嵌入式安裝于二層臺(tái)。該柜體外殼采用316SS不銹鋼材質(zhì)，防爆等級(jí)不低于ExIIBT4，防護(hù)等級(jí)不低于IP56。

(2) 防爆控制柜。防爆控制柜用于實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)電源的轉(zhuǎn)換、控制，同時(shí)用于司鉆房控制設(shè)備與驅(qū)動(dòng)控制柜之間的信號(hào)傳輸，用于二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)與鉆修機(jī)電控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸。該柜體外殼采用316SS不銹鋼材質(zhì)，防爆等級(jí)不低于ExIIBT4，防護(hù)等級(jí)不低于IP56。

(3) HMI面板。HMI面板實(shí)現(xiàn)對(duì)二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和排送管操作控制，選型設(shè)計(jì)要求：15英寸高分辨率精致面板，分辨率為1 280像素/英寸×800像素/英寸，170°的超寬視角，確保最優(yōu)顯示清晰度。背光平均無故障時(shí)間不低于80 000 h，24 MB內(nèi)存，集成RS422/485、以太網(wǎng)、USB等接口，可實(shí)現(xiàn)觸摸操作。以DC 24 V寬電壓供電，具備電子過流保護(hù)。有斷電保護(hù)功能，數(shù)據(jù)安全萬無一失。

(4) 集成操控設(shè)計(jì)?；谌藱C(jī)工程學(xué)，采用可折疊伸縮臂架將液晶觸摸屏懸掛于司鉆房或嵌入式安裝于司鉆操作臺(tái)，操作手柄、控制開關(guān)和按鈕以及指示燈采用集成設(shè)計(jì)方式布置于司鉆操作臺(tái)，保證最佳操作舒適度。

3.6.2 集成控制軟件設(shè)計(jì)

采集操作手柄、控制開關(guān)和按鈕的輸入信號(hào)，接收HMI面板通信信號(hào)，通過以太網(wǎng)與鉆修機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，執(zhí)行信號(hào)邏輯處理后，實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)機(jī)械手、液壓吊卡、氣動(dòng)卡盤的控制功能，確保設(shè)備之間配合連貫，安全運(yùn)行。

(1) 設(shè)計(jì)機(jī)械手抓手、指梁鎖、卡瓦、吊卡的開關(guān)控制功能，設(shè)計(jì)吊卡水平和垂直翻轉(zhuǎn)控制功能。

(2) 設(shè)計(jì)完善的互鎖保護(hù)功能，包括機(jī)械手絞車、機(jī)械手與頂驅(qū)、機(jī)械手與吊卡、絞車與吊卡、吊卡與卡瓦的互鎖功能，有效防止機(jī)械手意外碰撞、管柱滑脫等危險(xiǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

(3) 設(shè)計(jì)自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制模式。在自動(dòng)控制模式下，將二層臺(tái)基礎(chǔ)尺寸參數(shù)設(shè)置在模塊化的邏輯程序里，結(jié)合智能化傳感裝置，通過極限參數(shù)標(biāo)定確定機(jī)械手自動(dòng)行走路徑，自動(dòng)完成排送管操作；自動(dòng)程序突發(fā)故障時(shí)，機(jī)械手故障保護(hù)停機(jī)，可切換手動(dòng)控制模式，完成排送管操作。

(4) 設(shè)計(jì)排管和送管兩種工作模式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工況，進(jìn)行排管操作和送管操作模式的切換。

(5) 設(shè)計(jì)鉆鋌和油管(鉆桿)選擇模式。根據(jù)機(jī)械手要抓取的管柱規(guī)格，切換機(jī)械手抓手的開度，且在鉆鋌模式或油管(鉆桿)模式下仍具備選擇不同規(guī)格尺寸的功能。

(6) 設(shè)計(jì)緊急急停功能。在緊急情況下，系統(tǒng)電源脫扣，保持?jǐn)嚯姾蠊苤踩珚A持狀態(tài)[7]。

3.6.3 上位機(jī)(HMI面板)軟件設(shè)計(jì)

(1) 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬顯示機(jī)械手排送管操作畫面，并顯示機(jī)械手位置、回轉(zhuǎn)角度、機(jī)械臂架操作距離等關(guān)鍵參數(shù)。

(2) 實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手排送管操作過程影像，顯示機(jī)械手各部位動(dòng)作影像。

(3) 設(shè)計(jì)機(jī)械手運(yùn)行模式的選擇功能和排送管操作的相關(guān)控制功能。

(4) 具備參數(shù)設(shè)置、故障診斷和報(bào)警查詢功能。

(5) 數(shù)據(jù)管理功能。具備二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)影像存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能，通過以太網(wǎng)能夠與鉆修機(jī)電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端或陸地設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

4 結(jié) 論

基于海上平臺(tái)油水井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)工作，初步確定了整體結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化控制方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手進(jìn)行排送管操作和智能化數(shù)據(jù)管理，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率，同時(shí)為在役海洋鉆修機(jī)二層臺(tái)自動(dòng)排送管系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)提供借鑒，有效推動(dòng)海洋鉆修機(jī)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展。