自升式鉆井平臺懸臂梁滑移方案探究

王龍庭，于美華，徐興平，張 棣，張 辛

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）①

自升式鉆井平臺懸臂梁滑移方案探究

王龍庭，于美華，徐興平，張 棣，張 辛

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）①

介紹了傳統型懸臂梁鉆井平臺的結構組成、滑移系統組成和縱向滑移方式，分析了各滑移方式的技術要求和動作特點。其中，棘爪滑移和銷軸滑移雖應用比較廣泛，但只能實現步進式滑移；齒輪齒條滑移方式目前應用不多，但可以很好地實現懸臂梁連續平穩滑移。結合實際比較了3種懸臂梁的應用可行性，并給出懸臂梁滑移方式選擇的方向。

自升式鉆井平臺；懸臂梁；滑移方式

1 懸臂梁鉆井平臺

海洋平臺是目前海洋石油勘探開發的主要裝備［1］。槽式和懸臂梁式構成了自升式鉆井及修井平臺的2種主要型式。槽式平臺是在平臺的甲板上開有槽口，鉆井模塊坐于槽口之上，在槽口內實現鉆井作業；懸臂梁式平臺是整個鉆井模塊通過2個可移動的鋼梁實現鉆井模塊的整體外移，實現鉆井作業。因此，懸臂梁式平臺不僅可以進行勘探作業，還可以通過懸臂梁整體外伸到導管架平臺上（skid-off），實現鉆生產井及修井作業。懸臂梁系統為鉆臺、井架和絞車提供了支撐結構和移動動力。因此，配備懸臂梁系統的平臺具有更大的作業范圍和作業靈活性，提高了平臺的作業效率和作業范圍，使懸臂梁式鉆、修井平臺成為主流。目前，全球采用的懸臂梁結構形式主要有傳統型懸臂梁（如圖1）、XY型懸臂梁（如圖2）和旋轉型懸臂梁（如圖3）3種。

圖1 傳統型懸臂梁

圖2 XY型懸臂梁

圖3 旋轉型懸臂梁

傳統型懸臂梁的懸臂梁部分與鉆臺底座部分是分開的，懸臂梁伸出船艉可以鉆縱向叢式井，懸臂梁不動，鉆臺底座在懸臂梁上作水平移動，可以鉆水平叢式井，因此，懸臂梁只是作縱向的移動；XY型懸臂梁把鉆臺和懸臂梁連成一個整體，由懸臂梁相對于船體的縱向和橫向移動來帶動鉆臺移動，滿足不同的鉆井需求，增加了鉆井覆蓋區域；旋轉型懸臂梁可以實現縱向移動和橫向旋轉，在增加鉆井覆蓋區域的同時還能減小懸臂梁尺寸，加大甲板的可操作區域［2］。

2 懸臂梁滑移方式

2.1 傳統懸臂梁滑移方式

傳統型懸臂梁滑移基座固定焊接在平臺的主甲板上，懸臂梁安裝在基座上可以沿平臺縱向移動，橫向軌道在懸臂梁上焊接固定，鉆臺安裝在橫向軌道上并能在其上滑移［3］。懸臂梁的縱移和鉆臺的橫移使平臺能夠在同一地點鉆多口井。常規懸臂梁滑移系統即為縱向滑移系統，目前自升式平臺上采用最廣泛的懸臂梁滑移方式有棘爪推移方式、油缸銷軸推移方式和齒輪齒條滑移方式［4］。

2.1.1 棘爪推移方式

懸臂梁系統組成如圖4，在懸臂梁的外側布置有棘爪系統。

圖4 棘爪滑移方式系統組成

當使懸臂梁向平臺外移動時，需將導向手柄扳到右邊，此時油缸伸長，棘爪從移動底座邊板上矩形孔內自動松開，滑塊被推動著向右移動1個節距，然后油缸縮回，同時棘爪自動卡進相應矩形孔鎖緊，從而拖動懸臂梁向平臺外移動1個節距。重復以上操作即可使懸臂梁不斷向外移動。若要使懸臂梁向平臺內縮回，將導向手柄扳到左邊，實行上述類似循環操作即可。

該系統利用了棘爪結構的優點，操作過程簡單易行，動作可靠。設計上應充分考慮棘爪的彎曲強度及擠壓應力，避免出現折斷變形；滑塊的受力應合理，防止傾翻；導向手柄要配重合理，以便易于搬動。

2.1.2 油缸銷軸推移方式

懸臂梁油缸銷軸推移系統主要由2組油缸基座、推進油缸及滑移銷軸等組成，如圖5所示。懸臂梁導軌板上間隔一定距離開一些圓形銷孔，當懸臂梁向右移動時，搬動換向手柄到右方，左右油缸同時工作，分別伸出和縮回，帶動銷軸向左運動。銷軸向左運動1個節距后由彈簧自動打入相應的銷孔中鎖緊，然后左右油缸分別縮回和伸出，銷軸由于被鎖緊便能推動懸臂梁向右運動1個節距。重復以上操作可實現懸臂梁不斷向右移動。當使油缸向左移動時，將換向手柄搬到左方，反向重復以上操作即可。

圖5 油缸銷軸推移系統

油缸銷軸推移方式與棘爪滑移方式相似，都可以實現懸臂梁的步進式移動，動作可靠，操作簡單。設計上應注意考慮銷軸、銷孔、推板結構的強度等。

2.1.3 齒輪齒條滑移方式

齒輪齒條滑移系統是在懸臂梁的主梁上設置齒條，每根齒條上對應有幾個小齒輪。樁邊馬達驅動齒輪減速箱，將動力傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動懸臂梁滑移，如圖6。

圖6 齒輪齒條滑移系統

該滑移方式克服了液壓推移方式的不連續性，可以使懸臂梁連續平穩地滑移，而且操作更靈活、操作性能良好，只要加大裝置動力就可獲得較高的滑移速度。技術上要考慮齒輪齒條嚙合強度、各小齒輪的同步性等。

2.2 XY型懸臂梁滑動模塊

常規懸臂梁只需要縱向滑移機構，而XY懸臂梁則需要縱橫雙向滑移機構。滑動箱（其中安裝有液壓推動滾筒，以減少滑動箱和軌道之間的摩擦力）和2只液壓油缸由軛連接在一起組成滑動模塊，軛上有銷軸將滑動軌道上的一系列孔串接起來，通過液壓裝置推動。1臺電機驅動的液壓源提供滑移動力，該液壓源還有另外2臺電機，每臺電機各驅動1臺液壓泵，以提高可靠性。如果1臺電機或液壓泵失效，懸臂梁仍可以繼續移位，但移動速度會減半。滑移控制是半自動的，由可編程邏輯控制器（PLC）控制，只需選定移動方向，后續的步驟可以自動完成［5-6］。

2.3 旋轉型懸臂梁改進滑移系統

旋轉式懸臂梁（如圖3）具有旋轉基座，該基座固定于甲板上，懸臂梁通過縱向油缸推動縱向滑移，通過懸臂梁基座設置的油缸推動懸臂梁的旋轉。

3 結語

目前，傳統型懸臂梁在實際應用中使用較多，其結構形式成熟可靠，造價也相對較低；XY型懸臂梁滑移結構受專利保護，造價較高，應用較少；旋轉型懸臂梁滑移機構制造技術要求高，在實際中很少應用。就懸臂梁的縱移方式來說，大多采用液壓移位，技術上相對成熟可靠，可以實現懸臂梁步進式的滑移；但液壓油缸的液壓站容易漏油，液壓元件也需要經常更換，維護起來較困難；液壓油缸驅動式懸臂梁的滑移系統制作、安裝精度高，生產制作困難。齒輪齒條方式應用相對不多，但能實現連續平穩滑移，并且可根據需要調整滑移速度。研究開發移動迅速、便捷，制作方便的齒輪齒條式懸臂梁系統可以提高海洋鉆井、修井平臺的工作效率，應該受到重視。

［1］ 陳宏，李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述［J］.中國海洋平臺，2007，22（6）：1-6.

［2］ 孫承猛，呂宏偉，戴克文，等.自升式鉆井平臺懸臂梁載荷圖譜編制方法研究［J］.石油礦場機械，2013，42（11）：20-23.

［3］ 樊敦秋.自升式鉆井平臺懸臂梁遷航狀態滑移分析研究［J］.船舶，2013，24（1）：73-74.

［4］ 王龍庭，梁會高，徐興平，等.國外自升式懸臂梁鉆井平臺結構特點［J］.海洋石油，2009，29（4）：89-93.

［5］ 錢亞林，薄玉寶.自升式懸臂梁鉆井平臺初探［J］.上海造船，2009，9（1）：15-18.

［6］ 任憲剛，白勇，賈魯生.自升式鉆井平臺懸臂梁研究［J］.船舶力學，2011，15（4）：402-407.

Exploration of Cantilever Beams Sliding Modes in the Jack-Up Drilling Platform

WANG Long-ting，YU Mei-hua，XU Xing-ping，ZHANG Di，ZHANG Xin
（College of Mechanical and Electical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Traditional cantilever beams structure，skidding system composition and longitudinal skidding modes：pawl skidding mode，hinge pin skidding mode of hydraulic displacement，gear rack skidding mode are described in detail.The technical requirements of the skidding modes and operating characteristics are analyzed.Among them，pawl skidding mode and hinge pin skidding mode，although used more widely than gear rack skidding mode，they can only achieve stepping skidding.Gear rack skidding mode can achieve a continuous and smooth skidding of cantilever beams well although the current application is not much.In the end，the application feasibility of the three kinds of cantilever beams are compared according to realities，and selected direction of their skidding modes is given.

jack-up drilling platform；cantilever；skidding modes

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.004

1001-3482（2014）0-0013-03

2014-01-16

中央高校基本科研業務費專項資金資助“自升式鉆井平臺懸臂梁底座關鍵技術研究”（14CX02078A）

王龍庭（1983-），男，江西吉安人，碩士，主要從事石油機械及海洋工程科研與實驗教學工作，E-mail：wanglt198403＠aliyun.com。