海洋鉆修機二層臺機器人設計及選型研究

丁輝 張超 趙暕 邊守臣

摘 ?要：針對鉆機二層臺機器人在海洋鉆修機上應用的技術瓶頸，開展了海洋鉆修機二層臺機器人的設計選型、安裝方式及二層臺容量等基礎性的技術研究。該文立足海洋鉆修機的功能特點、結構空間、作業工況及作業安全等方面，提出了二層臺機器人驅動方式和安裝方式的設計及選型方法，采取固定式指梁和可調式指梁的自動化二層臺設計解決了立根盒容量問題，該文為海洋鉆修機二層臺機器人的研制提供了技術借鑒，為海洋鉆修機設計工作者深入開展二層臺機器人的研究指明了方向。

關鍵詞：海洋鉆修機 ?二層臺機器人 ?自動化二層臺 ?驅動方式 ?安裝方式

中圖分類號：TE922 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（a）-0042-03

Abstract： In view of the technical bottleneck of the application of the automatic pipe-handling of monkey-board of drilling rig on offshore drilling and workover rig， Basic technology research on design， type selection， installation mode and capacity of monkey-board of offshore drilling and workover rig has been carried out. This paper is based on the functional characteristics， structure space， working conditions and safety of offshore drilling and workover rig. The design and selection of driving mode and installation mode for automatic pipe-handling of monkey-board are presented. The design of automatic monkey-board with fixed finger beam and adjustable finger beam solves the problem of capacity of monkey-board. This paper provides a technical reference for the development of automatic pipe-handling of monkey-board of offshore drilling and workover rig， and points out the direction for further research of automatic pipe-handling of monkey-board for designers of offshore drilling and workover rig.

Key Words： Offshore drilling and workover rig; Automatic pipe-handling of monkey-board; Automatic monkey-board; Driving mode; Installation mode

隨著石油裝備自動化和智能化技術的發展，自動化抓管機、二層臺機械手、動力貓道、鐵鉆工、頂驅等石油鉆井裝備得到了長足的發展，已廣泛應用于陸地鉆機和鉆井船中，但由于海洋石油鉆修機的結構特點、安全環保、作業空間及作業工況等因素，給海洋鉆修機二層臺自動化裝備的研究與應用帶來了一定的挑戰。

為解決海洋鉆修機二層臺機器人研究與應用的瓶頸，中海油服油田生產事業部研究團隊圍繞海洋鉆修機二層臺機器人的設計選型、安裝方式及二層臺容量和安全管卡的設計瓶頸等開展了技術研究，并提出了系列解決方案，為下一步海洋鉆修機二層臺機器人樣機的研制與應用打下了技術基礎。

1 ?工作原理和關鍵技術指標

1.1 二層臺機器人工作原理

海洋鉆修機二層臺機器人主要由自動化二層臺、二層臺機械手、液壓吊卡、氣動卡瓦及集成控制系統等組成。海洋鉆修機起下鉆作業時，鉆具上端通過液壓吊卡和游車大鉤提升到二層臺以上位置，由鉆工將鉆具下端擺放到立根盒合適位置上，再由二層臺機械手將鉆具抓持住，液壓吊卡打開，由二層臺機械手將鉆具推扶至指梁中間，指梁門閂關閉。下鉆作業時，操作相反。

1.2 二層臺機械人環境技術指標

工作環境溫度：-20℃～50℃;

工作環境相對濕度：10%～90%;

工作風速：0～17.1m/s（7級風）;

工作噪聲：≤80dBA。

1.3 二層臺機械人作業技術指標

鉆具排放節拍：150s/柱（每柱19m）;

機械手運行速度：≥0.2m/s;

機械手推扶力：不低于750N;

回轉角度：±90°;

臂架操作半徑：≥2000mm。

1.4 自動化二層臺技術指標

二層臺設計依據：API Spec 4F 鉆井和修井井架、底座。

二層臺容根尺寸：滿足2-3/8"～3-1/2"、4"～5-1/2"排放要求和預留8-1/2″鉆鋌排放位置。

立根盒容量：滿足井下鉆具的排放要求或達到原二層臺85%以上。

自動化二層臺應滿足自動化機械手安裝、運動及避讓和拆卸運輸要求，二層臺猴臺滿足人、機共用要求。

2 ?二層臺機器人設計及選型研究

2.1 驅動方式的設計及選型研究

國內外石油鉆機二層臺機器人主要驅動方式分為液壓驅動和電機驅動。液壓驅動式二層臺機器人采用低速大扭矩馬達減速機驅動，能懸持大噸位鉆鋌和特殊管柱，通過液壓系統高精度比例節流調速閥、程序補償功能等措施，實現機器人多關節復合運動軌跡精確控制，實現立根準確，整齊排放。電機驅動式二層臺機器人采用防爆伺服電機驅動機器人沿猴臺滑動、旋轉及通過伺服電機驅動機械手前后伸縮，電機驅動式二層臺機器人采用自然風冷、具有極高的平穩性，完成速度與位置的精確控制[1]。

根據二層臺機器人現有驅動方式，結合海洋鉆修機的作業功能和作業工況要求，圍繞二層臺機器人的工作方式、邏輯控制、工作效率、工作精度及推扶和抓持力等方面進行對比分析[2]，表1為二層臺機器人驅動方式對比表，給出海洋模塊鉆機和海洋修井機二層臺機器人的驅動方式選型方案。

（1）海洋模塊鉆機主要用于鉆井作業，井架高度為44～46m，一般使用5"～5-1/2"鉆具，三單根為一柱作業，鉆具型號比較單一、且鉆具較重，因此需要較大的夾持式/推扶式，推薦使用液壓驅動式二層臺機器人。

（2）海洋修井機主要用于修井作業，井架高度為29～33m，一般使用2-7/2"～3-1/2"鉆具，兩單根為一柱作業，鉆具較輕，因此液壓驅動式和電機驅動式二層臺機器人均可以在海洋修井機上應用。

2.2 安裝方式設計及選型研究

國內外石油鉆機二層臺機器人的安裝方式一般分為置頂式、懸掛式及固定抓持式。固定抓持式主要是安裝于井架主體結構上或鉆臺上，通過液壓驅動，可以實現立柱的抓持移運，但需要較大的作業空間，因此適用于鉆井船或大型超深鉆機。置頂式和懸掛式主要安裝于井架二層臺上，沿二層臺的猴臺前后滑移，實現對立柱的推扶移運，結構比較緊湊，因此應用于ZJ40以下鉆機或修井機。

根據海洋鉆修機井架的結構承重、作業空間及作業工況等要求，該文僅對置頂式和懸掛式海洋鉆修機二層臺機器人進行選型分析，表2為二層臺機器人安裝方式分析表。

鑒于以上分析，置頂式二層臺機器人可以通過設計縱橫向導軌或延長導軌的方式解決二層臺機器人的避讓問題，解決人、機共用的問題，懸掛式二層臺機器人需要在二層臺下方懸掛維修平臺解決檢維修問題，因此置頂式和懸掛式兩種安裝方式均可在二層臺機器人的樣機研制中開展進一步深入設計。

2.3 自動化二層臺設計及選型研究

為了滿足二層臺機器人作業回轉半徑、排管精確度、鉆具安全排放及鉆修機立根盒容量等要求，因此自動化二層臺設計既要滿足機器人精準排管要求，又要滿足排管容量和安全固定要求。

為滿足二層臺機器人精準排管設計，需保證二層臺機器人的運動軌跡和機械手推扶軌跡能夠精準排放到二層臺的指梁中，因此需要考慮自動化二層臺指梁的剛度和安裝精度，二層臺指梁的安裝精度至少保持在±2/1000mm，二層臺指梁的一般采用70mm×100mm矩形鋼，安裝方式為固定連接。

由于二層臺機器人作業回轉半徑要求導致二層臺指梁較原設計變短，且采用固定式二層臺指梁設計，導致自動化二層臺排管容量較原二層臺減少，且海洋鉆修機一般為叢式井，井下鉆具型號從2-7/8"～3-1/2"，作業期間可能動用4-1/2"～5"鉆具，因此排管容量設計將是自動化二層臺設計的主要瓶頸。為了解決此設計瓶頸，需開展平臺井下鉆具綜合性調研分析，一方面通過降容方式，將自動化二層臺設計為固定式指梁，另一方面通過機械調距方式，將自動化二層臺設計為可調式指梁。

固定式指梁的自動化二層臺適用于井下鉆具和作業鉆具的外形尺寸變化不大的海洋鉆修機，根據海洋鉆修機設計標準[3]和平臺實際井深尺寸，推薦固定式指梁自動化二層臺排管降容比見表3。

可調式指梁的自動化二層臺適用于鉆具尺寸變化較大的海洋鉆修機，可調式指梁的自動化二層臺主要通過更換二層臺指梁橇或通過機械螺桿調節二層臺指梁。推薦可調試自動化二層臺調節范圍分為兩檔，第一檔適用于2-7/8"～3-1/2"鉆具，第二檔適用于3-1/2"～5-1/2"鉆具。

3 ?配套方案設計研究

3.1 人機界面的設計研究

海洋鉆修機二層臺機器人控制系統應具有良好的人機交互界面，二層臺機械手、自動化二層臺、液壓吊卡、氣動卡瓦等可由一人獨立操作，既具備一鍵式操作，又同時具備步進式操作。控制系統應具有畫面顯示功能，具有顯示機械手位置、回轉角度、機械臂架操作距離等關鍵參數顯示，同時具備參數設置、故障診斷、數據儲存及報警查詢功能。

3.2 安全方案的設計要求

海洋鉆修機二層臺機器人與游動系統高度、二層臺機械手與液壓吊卡、二層臺機械手與自動化二層臺指梁鎖之間應具備安全互鎖功能。

自動化二層臺應考慮井架工和后期維修的作業安全要求，包括防護欄桿和安全帶懸掛點等。自動化二層臺指梁上應設置安全卡簧和指梁鎖，以防止鉆具傾倒。游動系統應考慮防擺幅設計和防墜落設計。

3.3 配套設備的設計

海洋鉆修機二層臺機器人還應配套其他附屬設備一并使用，如液壓吊卡、氣動卡瓦等。液壓吊卡選型為側開式，額定工作壓力14MPa，翻轉角度滿足從垂直向前90°翻轉，通過更換襯套體適用于2-7/8"～4-1/2"管柱。氣動卡瓦適用卡持管柱范圍2-7/8"～4-1/2"，最大設計載荷依據鉆修機最大提升載荷選定，氣源工作壓力0.6～1MPa。

4 ?結語

通過開展海洋鉆修機二層臺機器人驅動方式、安裝方式、自動化二層臺及配套方案等關鍵技術的研究，提出了二層臺機器人的基本技術參數、初步設計方案和推薦選型方案，為海洋鉆修機二層臺機器人的研制提供了技術借鑒，同時為海洋鉆修機設計工作者深入開展二層臺機器人的研究指明了方向，有助于推動了海洋鉆修機自動化、數字化裝備的發展。

參考文獻

[1] 胡送橋，唐清亮，陳明凱，等.鉆機二層臺排送管機械手剛柔耦合動力學仿真分析[J].石油礦場機械，2017，46（1）：34-37.

[2] 王定亞，張增年，王汝華，等.推扶式管柱自動化處理系統研究及發展建議[J].石油機械，2018，46（9）：1-6.

[3] 中海油研究總院.Q/HS 2007.1-2013，海上石油平臺修井機第1部分：設計[S].北京：石油工業出版社，2013.