海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放驅(qū)動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)

李富平，楊國(guó)家，石美玉，王運(yùn)安，高學(xué)仕

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團(tuán)有限公司，山東東營(yíng)257067） ①

海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放驅(qū)動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)

李富平1，楊國(guó)家2，石美玉1，王運(yùn)安2，高學(xué)仕1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團(tuán)有限公司，山東東營(yíng)257067）①

海洋鉆機(jī)起下鉆需要井架工爬上二層臺(tái)進(jìn)行手工操作，危險(xiǎn)性高，時(shí)間長(zhǎng)，效率低。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種行走式驅(qū)動(dòng)裝置方案，驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化控制，能夠大幅增加操作的安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆機(jī)的工作效率，具有較好的發(fā)展前景。

鉆桿排放裝置；結(jié)構(gòu)；方案

鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的開發(fā)研制是石油鉆機(jī)自動(dòng)化鉆井作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，它能很大程度上增加鉆井作業(yè)的安全性、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高鉆井效率。目前的鉆桿自動(dòng)排放裝置控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井作業(yè)比較困難。筆者在總結(jié)國(guó)內(nèi)外鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的基礎(chǔ)上［1－5］，提出了一種行走式驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案，具有操作簡(jiǎn)單、易于控制、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外的鉆桿自動(dòng)排放裝置的結(jié)構(gòu)按照排放指梁的布置形式可以分為星型、平行型和X－Y型3種類型。

1.1 星型

星型鉆桿自動(dòng)排放裝置是最初的設(shè)計(jì)方案，如圖1a所示。它不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)鉆桿的運(yùn)移軌道，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)排放架旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿在排放架和井口之間的移送，這種鉆桿排放裝置存放鉆桿較少，適用于小型鉆機(jī)。

1.2 平行型

平行型鉆桿自動(dòng)排放裝置可在軌道上安裝2套排放系統(tǒng)，如圖1b所示。2套系統(tǒng)可獨(dú)立工作，提高了安全性和工作效率。該類型裝置可以存放大量的鉆桿、鉆鋌及套管，適用于大型鉆機(jī)，特別是雙井架鉆機(jī)。

1.3 X－Y型

X－Y型是目前常用的鉆桿自動(dòng)排放裝置，如圖1c所示。鉆桿排放于井架的兩側(cè)，中間安裝有行走導(dǎo)軌。由于排放架需要固定在井架上，排放鉆桿的數(shù)量受到井架空間的限制，不能排放大量的鉆桿。

圖1 鉆桿自動(dòng)排放裝置類型

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本課題是在研究海洋井架的基礎(chǔ)上，對(duì)海洋井架進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)以下能力。

1） 海洋井架主體不能改變，結(jié)構(gòu)改造不能影響海洋井架本身的性能。

2） 實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)排放，降低井架工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前的海洋鉆機(jī)主要是采用X－Y型鉆桿自動(dòng)排放裝置，國(guó)外鉆桿排放的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是采用U形口驅(qū)動(dòng)方式，如圖2。當(dāng)把鉆桿從排放架移送至井口中心時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)方式的工作流程是：

1） 機(jī)械手臂在排放格道的過程中，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，兩者配合，到達(dá)預(yù)定鉆桿位置，機(jī)械手抓取鉆桿。

2） 機(jī)械手臂和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)再配合動(dòng)作，鉆桿沿排放指梁方向直線運(yùn)動(dòng)。

3） 機(jī)械手臂與指梁成90°時(shí)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)停止旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手臂收縮至U形口中心。

4） 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)械手臂伸長(zhǎng)，將鉆桿送至井口中心，完成將鉆桿從排放架移送至井口中心的流程，反之亦然。

圖2 U形口驅(qū)動(dòng)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)

在此期間，機(jī)械手臂和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)作配合得非常復(fù)雜，控制系統(tǒng)較難設(shè)計(jì)。為此，設(shè)計(jì)出了一種行走式鉆桿自動(dòng)排放裝置，如圖3。該設(shè)計(jì)方案主要包括縱向驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)3個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)把鉆桿從排放架移送至井口中心時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)方式的工作流程是：

1） 縱向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)小車帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置到達(dá)預(yù)定鉆桿所在的排放格道。

2） 機(jī)械手臂沿排放指梁直線運(yùn)動(dòng)，伸長(zhǎng)至鉆桿位置，機(jī)械手抓取鉆桿。然后，機(jī)械手臂收縮，直至鉆桿到旋轉(zhuǎn)中心的距離為導(dǎo)軌寬度的槡2／2倍（保證機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)鉆桿不與導(dǎo)軌干涉），機(jī)械手臂停止動(dòng)作。

3） 縱向驅(qū)動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)小車到達(dá)最靠近井口中心的位置，然后機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)90°，正對(duì)井口中心。

4） 機(jī)械手臂伸長(zhǎng)，將鉆桿送至井口中心，完成將鉆桿從排放架移送至井口中心的流程，反之亦然。

在此期間，機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、縱向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)工作，互不影響，控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。

圖3 行走式驅(qū)動(dòng)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)

3 縱向驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放裝置的縱向驅(qū)動(dòng)裝置采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。為了不影響海洋井架本身的性能，設(shè)計(jì)了1個(gè)液壓缸支撐架，固定于井架橫撐上，如圖4。采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，主要考慮3個(gè)方面的因素：

1） 安全性 采用液壓作為動(dòng)力，在石油鉆機(jī)上安全性能較高。

2） 精確性 精確控制定位，使機(jī)械手臂能夠精確對(duì)中排放指梁中心的鉆桿。

3） 平穩(wěn)性 液壓控制比較平穩(wěn)，避免較大沖擊。

圖4 液壓缸縱向驅(qū)動(dòng)安裝示意

4 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放裝置的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)。擺動(dòng)液壓缸固定于箱體上，箱體坐于小車上，如圖5。它通過1個(gè)聯(lián)軸器連接主軸，主軸下部直接連接機(jī)械手臂。擺動(dòng)液壓缸可以實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)，精確定位，直接帶動(dòng)機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)，滿足鉆桿自動(dòng)排放裝置旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的要求。

圖5 擺動(dòng)液壓缸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)安裝示意

5 結(jié)語

海洋鉆機(jī)起下鉆勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高，效率低。鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的開發(fā)研制是海洋鉆機(jī)自動(dòng)化鉆井作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，它能很大程度上增加鉆井作業(yè)的安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆井效率。本文設(shè)計(jì)的鉆桿自動(dòng)排放驅(qū)動(dòng)裝置有3個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可單獨(dú)工作，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化控制，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］ 劉文慶，崔學(xué)政，張富強(qiáng).鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：74－77.

［2］ 姜 鳴，曹言悌，周聲強(qiáng).陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［J］.石油機(jī)械，2008，36（8）：95－98.

［3］ 崔學(xué)政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺(tái)立柱式排管機(jī)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（1）：45－49.

［4］ 尹曉麗，牛文杰，張中慧.鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（7）：42－46.

［5］ 王凌寒，肖文生，楊軼普.自動(dòng)化管子處理裝置在海洋鉆井作業(yè)中的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（2）：67－72.

Driving Device Project Designing of Offshore Rig Pipe Racking System

LI Fu－ping1，YANG Guo－jia2，SHI Mei－yu1，WANG Yun－an2，GAO Xue－shi1
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Shandong Kerui Petroleum Equipment Co.，Ltd，Dongying257067，China）

During the round trip operations on the offshore rig，workers have to climb to the racking board for handing operation.The work is more dangerous and taking more time with lower efficiency.A a walk type driving scheme is proposed by the conclusion of summering the pipe racking system at home and abroad.The scheme’s driving mode is simple.It is easier for automatic control and it can increase the security of operation，reduce the labor intensity，improve the working efficiency of the drilling rig.The scheme has very good prospect for development.

drill pipe racking back device；structure；project

1001－3482（2011）12－0048－03

TE952

A

2011－07－15

李富平（1987－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)工作，E－mail：li－fp＠163.com。