陸地鉆機鉆桿自動排放系統設計

侯學軍 高德利

（1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.重慶科技學院，重慶 401331）

鉆桿排放系統（Pipe Handling System），又稱自動排管機、二層臺機械手，是海洋鉆井平臺、鉆井船上重要的井口機械化設備之一。

自20世紀40年代，鉆桿排放系統在國外開始研究。1949年，研制的由液壓和氣動閥控制的鉆桿排放系統，安裝在半自動化鉆機上，完成起下鉆的各種常規操作；1956年，第1套臥式機械化鉆桿操作系統安裝在CUSS-1鉆井船上，該系統由鉆桿移運臂和水平傳動鏈組成；1968年，Offshore公司在轉塔系泊鉆井船Discoverer II號上配備了立式鉆桿排放系統［1］，自動化鉆桿排放系統開始得到迅速發展，1973年，全自動化鉆桿排放系統首次安裝到挪威的Smedvig West Venture半潛式鉆井平臺上，對解決平臺在挪威北海鉆井時強風和低溫的影響問題上獲得了成功，此后，大量其他同級別的鉆機配備類似系統也獲得了成功；直到1980年，才開始出現了各種不同設計的立式鉆桿排放系統［2］；90年代，形成了成熟的鉆桿自動排放系統，產品也呈現出機械手式、立柱式、橋架式、起豎式等多形式，水平型、垂直型、水平垂直混合型等多類型的發展態勢［3］，但主要是面向海洋鉆井平臺—鉆井船而開發的，陸地鉆機應用較少。

國內對鉆桿自動排放系統的研究和應用較少，只有蘭州石油機械研究所、寶雞石油機械有限責任公司（原寶雞石油機械廠）、大港油田有限責任公司等少數單位做過一些設計和研究［4］。到目前為止，國內鉆桿自動排放系統仍然主要是針對環境惡劣的海洋鉆井，而陸地鉆井的鉆桿自動排放系統基本被人忽略［5］，因此絕大部分陸地鉆井鉆桿排放還是傳統的人工操作方式。

1 鉆桿自動排放系統設計

鑒于上述情況，在全面分析海洋鉆井鉆桿排放系統基礎上，針對陸地鉆井常用的A型、K型（或Π型）井架，在鉆井平臺和二層臺之間，主要以步進電機、液壓馬達為主動力機構，以PCL-839運動控制卡和工控機IPC為主要控制單元，設計出一種立式三坐標鉆桿自動排放系統［6］，可實現對鉆具的自動夾持、提升、下放和平移，并結合液控、氣控，自動實現鉆具在井口與排放架之間的移運、定位、排放、儲運等作業流程；同時，通過控制區的監控系統，可實時顯示和記錄作業工序、設備的工作狀況以及鉆具的檔案資料，實現對鉆具的科學化和系統化管理；該系統結構簡單，布局合理，安裝方便，成本低廉等特點，可使用配套在A型、K型（或Π型）井架陸地石油鉆機上。

1.1 結構

國外1975年就出現過類似的結構［7，8］，只不過是針對海洋鉆井平臺的塔式井架設計的；現在海上鉆進平臺上也是立式的結構，大多是利用液壓驅動，如第6代鉆井船上的全自動鉆桿排放系統［9］。筆者研制的鉆桿自動排放系統與海洋平臺或鉆井船上同類產品有明顯的不同：其一，主要適合配套在A型、K型（或Π型）井架陸地石油鉆機上；其二，主要是利用步進電機的電驅動；其三，主要是利用PCL-839運動控制卡和工控機IPC為主要控制單元進行軌跡數控控制。其主要部件如圖1所示，由步進電機驅動主夾鉗伸縮臂滑軌、主夾鉗伸縮臂、步進電機驅動主夾鉗左右移動雙滑軌、主夾鉗左右移動單滑軌、右立柱滑軌、左立柱滑軌、步進電機驅動輔助左右移動雙滑軌、步進電機驅動輔助夾鉗伸縮臂滑軌、輔助夾鉗伸縮臂、輔助夾鉗左右移動單滑軌、液壓夾鉗等主要構件組成。整個鉆桿自動排放系統安裝在鉆井平臺和二層臺之間，如圖2所示。

圖1 鉆桿自動排放系統結構示意圖

圖2 鉆桿自動排放系統安裝位置示意圖

1.2 功能

鉆桿自動排放系統結構組成按功能可分為主夾鉗及平移系統、輔助夾鉗及平移系統、豎直（Z向）滑道系統、以PCL-839控制卡和IPC工控機為主體的控制系統（圖中無顯示）等4大主要部分。主夾鉗及平移系統主要起夾緊并提起重量較大的立根作用。輔助夾鉗平移系統有兩個作用：一是在主夾鉗夾起立根時，配合主夾鉗，扶正立根下端，限制其擺動，并隨主夾鉗平移到井口對扣或者平移到立根盒指定位置，這個過程中，輔助夾鉗系統不起加持和提升作用，僅起扶正平移作用，而且其平移量的大小、方向、時間必須和主夾鉗系統同步；二是在接單根時，扶正方鉆桿與小鼠洞鉆桿對扣，扶正鉆桿與井口鉆具對扣，并配合鐵鉆工緊扣。豎直（Z向）滑道系統主要起引導主夾鉗及平移系統、輔助夾鉗及平移系統沿豎直（Z向）平移運動；同時起支撐整個鉆桿自動排放系統的作用［10］。

控制系統由PCL-839運動控制卡一塊、IPC 工控機一臺、帶光電隔離的16位輸入輸出卡PCLD-782/785各1塊、傳感器、數據線等主要部件組成。傳感器接收到的主輔夾鉗坐標（X、Y、Z）、位移、速度、方向、開關/閉合等信號通過數據線經PCLD-782輸入卡輸送到IPC工控機，經工控機IPC分析處理后的信號經PCLD-785輸出卡輸送到PCL-839，PCL-839發送步進電機控制指令經數據線輸送到各滑道步進電機，控制各步進電機運轉狀態，從而形成不同的位移（DX、DY、DZ）的同時也得到不同的主輔夾鉗新坐標點（x'，y'，z'）=（X+DX、Y+DY、Z+DZ），由連續不同的點（x'，y'，z'）連成線就形成了不同的運動軌跡。由于每次起下鉆按先后順序各立根在二層臺指粱和立根盒中的位置是有序且固定，所以只要事先通過工控機IPC設定運動軌跡，配合鉆桿自動卸扣/緊扣裝置和二層臺鉆桿自動鎖定/解鎖裝置，就可以在整個起下鉆中實現無人全自動化鉆桿立根排放及反操作。

1.3 工作原理

鉆桿排放系統各部件之間的相互運動關系如圖3所示，主輔夾鉗分別固定在主輔夾鉗伸縮臂的前端，在液壓的作用下可進行張開和夾緊動作，主輔伸縮臂在不同的步進電機的作用下，分別在主輔夾鉗滑道上作X向和Y向的移動，實現鉆桿立根在平面內的平移運動，同時主輔夾鉗X向滑道也可通過步進電機驅動在Y向滑道上移動，增加Y向移動范圍。主夾鉗及平移系統和輔助夾鉗及平移系統作為2個整體，都裝在2根豎直（Z向）的滑道上，在步進電機的作用下，都可沿豎直滑道有控制地做起升、下放運動，從而實現夾鉗夾持鉆桿后的起升和下放運動。

圖3 鉆桿自動排放系統相互運動關系示意圖

主輔夾鉗及平移系統沿X、Y、Z 3個方向的自由移動是通過PCL839運動控制卡和IPC工控機控制步進電機實現的，夾鉗的夾緊、松開是靠其控制液壓馬達和液壓缸提供動力來實現的，下面分別以接單根、起立根為例，介紹鉆桿排放裝置工作原理。接單根：（1）控制輔助夾鉗平移系統的X、Y、Z 3個方向步進電機，平移輔助夾鉗到井眼上方鉆桿下接頭附近；（2）閉合夾鉗，扶持方鉆桿下端，控制X、Y、Z 3個方向步進電機，移動方鉆桿下端與小鼠洞鉆桿單根對扣；（3）配合鐵鉆工緊扣后，半松開夾鉗，使方鉆桿和鉆桿能在夾鉗中上下移動；（4）用鉆井起升系統起升方鉆桿及鉆桿離開小鼠洞；（5）閉合夾鉗，控制X、Y、Z 3個方向步進電機，移動鉆桿下端與井口鉆柱對扣；（6）配合鐵鉆工緊扣后，松開夾鉗，控制X、Y、Z 3個方向步進電機，回到安全位置，輔助夾鉗及平移系統接單根作業完畢。

起立根：（1）控制主輔夾鉗平移系統的X、Y、Z 3個方向步進電機，分別同步平移主輔夾鉗到井口上方立根的上下端附近；（2）同步張開主輔夾鉗后，主夾鉗夾緊立根上端接頭附近，同時輔助夾鉗半閉合并圈住立根下端；（3）控制主夾鉗系統Z向步進電機提升立根到設計高度；（4）控制主輔夾鉗的平移系統X、Y 2個方向步進電機，主夾鉗及平移系統平移立根上端到排管架指粱指定位置，輔夾鉗及平移系統同步平移立根下端到立根盒指定位置；（5）控制主夾鉗Z向步進電機，下放立根到立根盒里，在排管架上固定好立根后，主輔夾鉗同時松開，返回到初始位置，準備進行下一起立根作業。

2 技術優勢

該鉆桿自動排放系統是專門針對陸地鉆機設計的，有其獨特的技術特點。

（1）能廣泛地適用于陸上鉆井的A型、K（或Π）型井架，且在安裝使用時，不用對原鉆井井架結構部件進行改造，并能充分利用原井架結構特點，直接安裝使用，節約成本。海洋鉆井平臺自動排管系統主要是針對海洋平臺用的塔式井架，如果用在陸地上，必須對鉆桿排放系統及陸上井架做較大的改動，增加成本，效果也不好，而且有些海洋平臺鉆桿排放系統受結構等限制，即使經過改造也無法在陸上A型、K（或Π）型井架上使用。

（2）其功能可與當前海上鉆井平臺最先進的鉆桿排放系統的功能相媲美，可進行陸地鉆井起下立根作業、輔助接單根作業等具有多重作業功能，降低陸地鉆井工人勞動強度，增加陸地鉆井安全性能，提高陸地鉆井效率［11］。

（3）該系統采用X、Y、Z三向步進電機驅動，把鉆具夾鉗運動分解成X、Y、Z 3個方向運動，這樣可以通過對X、Y、Z三向步進電機的控制，實現鉆桿立根主輔夾鉗運動軌跡的數字控制，即排管時鉆桿的運動軌跡可以隨意控制，對井架的空間適應性比較強；當前海洋平臺最先進的排管系統排管軌跡大多由沿一條滑道的直線運動和繞一點的旋轉運動組成，不能實現任意排管軌跡的自由控制，對井架的空間、排管架指梁形狀和立根盒都有特殊的要求，適用面窄。

（4）運用PCL-839運動控制卡和工控機IPC相結合，采用NC嵌入PC的開放式結構，便于集成到司鉆操作臺進行集中數控控制和新功能的開發。大部分海上平臺排管系統采用PLC（可編程邏輯控制器）［12］，也能實現與司鉆操作臺集成控制，但相應控制軟件開發工作量大。PCL-839自帶豐富的運動函數指令，運動控制軟件開發難度小，效果好，同時與工控機結合的NC嵌入PC的開放式結構，不僅便于與其他鉆井軟件集成，還給鉆井系統提供了更多的開發空間。

（5）以電驅動為主，液壓、氣壓驅動為輔，不僅結構簡單，而且克服了海洋平臺鉆桿排放系統以液壓驅動為主所帶來的問題：液壓管線連接比電線連接復雜問題、壓力管線清潔問題、壓力油雜質問題、壓力管線疲勞碎屑堵塞問題、壓力管路堵塞、壓力管線刺破造成的安全問題等。

3 結束語

（1）針對鉆桿排管系統當前主要應用在海洋鉆井的現狀，結合陸地鉆井常用A型、K（或Π）型井架，對陸地鉆井自動排管系統進行了基本結構部件設計、部件功能解釋說明、工作原理分析介紹、工藝流程簡單說明，并初步設計出適合陸地鉆井常用A型、K（或Π）型井架的包含主夾鉗及平移系統、輔助夾鉗及平移系統、豎直（Z向）滑道系統、控制系統4部分的鉆桿自動排管系統，能實現對排管自由軌跡的數字控制。

（2）把設計的陸地鉆機鉆桿排管系統和當前先進的海洋平臺排管系統進行比較，分析技術優勢，得出該設計的鉆桿自動排管系統適用性比較強，以電作為主要驅動力優于海洋以液壓作主要驅動力，三向步進電機驅動可實現排管運動軌跡的數字控制，PCL-839嵌入IPC式控制系統優于PLC控制系統，具有功能較強等多項技術優勢。

（3）該陸地鉆機鉆桿自動排放系統可直接代替井架工和內外鉗工完成起下鉆立根自動排放功能和輔助接單根功能，能節省因人工操作所占用的大量時間，降低工人勞動強度，安全性得到提高，工作效率明顯增強。

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