復合功能軌道式鐵鉆工系統集成設計

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(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

鐵鉆工是海洋石油鉆井平臺上自動化排管系統的重要組成設備，用于進行鉆具的上扣、卸扣作業。按照移動類型分為伸縮臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工2大類[1-2]。其中，軌道式鐵鉆工具有輸出轉矩高，運行平穩，可以滿足大尺寸管具的上卸扣要求，處理管具的規格系列范圍較廣，移動距離可根據鉆臺布置安裝不同長度的軌道進行調節，特別適用于井口的作業[3]。

泥漿防噴盒也是海洋鉆井平臺上必備設備，用于在起下鉆拆卸鉆桿的過程中，收集鉆桿中泥漿，防止泥漿噴濺，污染鉆臺面，并能將殘存泥漿導入泥漿池，加以循環利用，節約成本，同時也可以提高工人在井口操作的的安全性[4]。

各種管具在上扣之前，需要對鉆具的螺紋進行維護。主要工作為清除螺紋表面異物，并涂抹絲扣油，以達到保護鉆桿接頭，防止出現燒扣的目的[5]。

通過對鉆井流程和鉆臺面設備構成的研究，發現上述3種功能都是與管具相關，可以將它們進行集成化設計，以實現減少空間占用，提高作業效率和自動化程度的目的，所以提出了復合功能軌道式鐵鉆工的設計構想。

1 復合功能軌道式鐵鉆工的構成和功能

復合功能軌道式鐵鉆工將泥漿防噴盒結構以及螺紋清理抹油裝置與傳統的軌道式鐵鉆工進行了集成設計，其包含了3大功能：①能實現鉆具的上扣和卸扣，配合排管系統相關設備完成接單根/立根操作；②可以在起下鉆拆卸鉆桿過程中進行泥漿收集；③在鉆具上扣前對螺紋進行清理并涂抹油。具體是將泥漿防噴盒集成到鐵鉆工基座上，提高鉆臺面的空間利用率，同時在鐵鉆工本體上設計一套全自動的螺紋處理裝置，取代人工操作，完成螺紋清理和油脂涂抹，提高作業效率[6]。

1.1 結構組成

復合功能軌道式鐵鉆工的結構組成如圖1所示。泥漿防噴盒結構安裝在鐵鉆工基座的右側，通過伸縮臂可以將泥漿防噴盒推送到井口作業位置，不工作時將其收回。在鐵鉆工的扭力鉗[7]和旋扣鉗之間布置螺紋處理裝置，管具在上扣前，通過驅動油缸將螺紋處理裝置運送到管具下方位置，對螺紋表面進行清理并涂抹油脂。

圖1 復合功能軌道式鐵鉆工

1) 基座。軌道式鐵鉆工的基座可以沿軌道移動，將旋扣鉗和扭力鉗運送到井口作業位置。基座還具有垂直移動功能，滿足不同管具的不同上卸扣界面高度，以及螺紋清理作業位置。

2) 動力鉗。旋扣鉗實現管具的上扣和卸扣。扭力鉗實現管具的松扣和緊扣。鉗口定心機構實現對管具上卸扣界面高度的判定[8]。

3) 泥漿防噴盒。包含伸縮臂和泥漿盒。伸縮臂后端固定在軌道式鐵鉆工的基座上，前端連接泥漿盒，通過伸縮臂結構中的油缸驅動，可以將泥漿盒運送到作業位置或收回到儲存位置。泥漿盒兩側布置有油缸，驅動泥漿盒的開合。如圖2～3。

圖3 泥漿防噴盒運動軌跡

4) 螺紋處理裝置。包含驅動油缸、噴頭盒、潤滑油箱。其中，噴頭盒結構及其導軌安裝在扭力鉗上方，驅動油缸缸體也安裝在扭力鉗上方。驅動油缸活塞桿端固連在噴頭盒的下方。驅動油缸的伸縮可以將噴頭盒沿其導軌運送到工作位置，或者收回到儲存位置。噴頭盒內部分3層布置了噴水、噴氣、噴油裝置，噴頭盒下端接軟管將產生的污水引至污水箱，所需水氣來自平臺的水氣系統。潤滑油來自設置在基座上的潤滑油箱，潤滑油箱設置油泵和加熱裝置。如圖4～5。

圖4 螺紋處理裝置

圖5 螺紋處理裝置工作位置示意

1.2 技術參數

復合功能軌道式鐵鉆工的主要技術參數如表1～3所示。

表1 鐵鉆工的主要技術參數

表2 螺紋處理裝置的主要技術參數

表3 泥漿防噴盒的主要技術參數

1.3 設備的工作流程

1) 上扣流程(以井口鐵鉆工為例，下同)。行走馬達驅動鐵鉆工沿軌道到達井口位置，通過鉗口定心機構對井口中鉆桿位置進行檢測，確定作業位置。頂驅將需要連接的管具運送至井口上方，驅動油缸將螺紋處理裝置運送到管具下方，基座提升油缸驅動旋扣鉗和上卸扣鉗向上移動，帶動螺紋處理裝置向上移動。當安裝于旋扣鉗下方的紅外感應裝置感應到鉆具之后，基座提升油缸切換到慢速模式。在到達設定好的時間之后，提升油缸停止提升，此時鉆具接頭已完全進入到噴頭盒之內，即開始對鉆具螺紋表面進行清理和抹油操作。完成后，基座提升油缸收縮帶動螺紋處理裝置向下移動到鐵鉆工工作位置，然后螺紋處理裝置退回零位，管具下移進入連接位置，旋扣鉗夾住上端管具上扣。完成后，退回零位，上卸扣鉗進入作業位置，完成緊扣。

2) 卸扣流程。行走馬達驅動鐵鉆工沿軌道到達井口位置，通過鉗口定心機構完成對井口中鉆桿位置的檢測，確定作業位置，上卸扣鉗進入作業位置完成松扣。旋扣鉗夾住上端管具進行卸扣。作業完成后，退回零位。鐵鉆工后退，讓開井口位置，泥漿防噴盒伸出并打開，到達井口后泥漿盒閉合將管具抱住，頂驅提升上部管具，下部管具中溢出的泥漿從泥漿防噴盒導入泥漿池，待泥漿緩慢溢流或不再溢出時將泥漿盒打開并退回零位。

2 控制系統

2.1 液壓系統

復合功能軌道式鐵鉆工的液壓系統包括液壓動力站、液壓馬達、油缸、控制閥組、壓力傳感器以及管線。其中，壓力傳感器用來判斷上卸扣是否達到需要的轉矩值。設置的增壓系統[9]，可以讓鐵鉆工具備更大的上卸扣轉矩。泥漿防噴盒的伸縮臂和泥漿盒的動作由油缸驅動實現。螺紋處理裝置具備的噴水、噴氣、噴油功能，其所需水、氣動力來自平臺的水、氣系統，潤滑油來自設置在基座上的潤滑油箱。

2.2 電氣控制系統

采用本地控制、遠程控制和司鉆房控制3種控制模式。電氣控制采用西門子的PLC編程系統，將液壓系統中的動力開關信號、壓力信號、位移信號集成，以及各個功能部件的位置信號集成，按照工況編制成控制程序，實現3種控制模式。

由于復合功能軌道式鐵鉆工具有3種功能，因此，控制系統中設置有互鎖功能，防止錯誤操作，例如泥漿防噴盒作業時，螺紋處理裝置就不能進入作業位置，每種功能部件內部的動作點也設置有互鎖功能，例如鐵鉆工需要移動時，旋扣鉗和上卸扣鉗就不能在工作狀態，互鎖功能的設置可以確保設備使用中的安全性[10]。

3 設計創新點

復合功能軌道式鐵鉆工是將原來3種功能的操作進行了集成，實現了結構集成、控制集成和使用集成，為鉆井平臺有限的區域節省了空間，使得整個操作流程時間得到節省，提高了作業效率，實現了自動化操作，降低了人工成本。

3.1 系統集成化程度提高

1) 結構集成。將原來單獨的3個功能集成在一臺設備上，為平臺節省了安裝空間和操作空間。

2) 控制集成。原來鐵鉆工和泥漿防噴盒有相互獨立的控制系統，例如泥漿防噴盒有獨立的本地控制和遠程控制，集成后控制環節減少、控制設備減少、故障隱患點減少。

3) 使用集成。原來3個功能的操作分別在3個地點操作。集成后，在1個地點就可以完成3個功能的操作。

3.2 系統的工作效率提高

首先是在3種功能集成一體化后，各個功能操作可以連續進行，節省了時間；其次，3種功能的操作，原來需要2～3人，現在僅需要1個人，降低了人工成本。

在卸扣流程中，鐵鉆工完成卸扣退回到待命位置的同時，泥漿防噴盒就可以伸出，而原來流程要求鐵鉆工退回到待命位置必須有信號確認，泥漿防噴盒才能伸出，因此新方案節省了時間。

3.3 系統自動化程度提高

首先是管具螺紋的清理和抹油實現了自動化，節省了時間和人工；其次，控制系統的集成化設計，讓3個功能的轉換實現無縫對接；而互鎖系統的嵌入，確保了整個系統操作的安全性。

4 結論

1) 設計的復合功能軌道式鐵鉆工具有上卸扣、泥漿收集、管具螺紋的清理和涂抹絲扣油4種功能。

2) 控制系統集成化，減少了操作環節，提升了設備使用的可靠性。互鎖系統的嵌入，提升了設備使用的安全性。

3) 功能轉換無縫對接，壓縮了操作時間，為用戶節省了時間成本。設備的集成化，減少了鉆臺面的空間占用，為用戶節省了空間成本。3個功能的集成操作，減少了操作人數，降低了用戶的使用成本。