海洋鉆修機二層臺自動排送管系統基本設計

(中海油田服務股份有限公司， 天津 300459)

0 引 言

在海上平臺鉆修井作業期間，二層臺完全依靠井架工推拉處理油管、鉆桿，井架工勞動強度大、高空作業危險性高、逃生難度大，海上作業環境惡劣，井架工經受嚴寒酷暑、風吹日曬。目前，NOV、Weatherford等國內外石油裝備公司的鉆桿自動排放技術得到了成熟的發展，該技術在半潛式鉆井平臺和陸地鉆機上得到了較好的應用，但考慮海洋修井機及模塊鉆機的空間結構、設備維護便捷性、使用安全性，以及鉆井工況與修井工況差別等因素，需設計適用于海洋鉆修機二層臺的新型自動排送管系統，解決二層臺人工作業存在的難題。

1 系統配置及工作原理

海洋鉆修機二層臺自動排送管系統由二層臺(含指梁鎖等部件)、機械手、集成控制系統、液壓吊卡和氣動卡瓦組成。其中，機械手采用上置方式安裝于二層臺，便于開展預防性維護工作。依據HSE管理要求，二層臺、機械手的各連接部件均設有安全防墜落設施，有效降低高空墜落風險。

機械手僅扶持管柱運動，不將管柱提起，配合鉆臺面扶管機械手或鉆工操作，將管柱從井口放入二層臺指梁內，或從指梁內取出送至井口[1-2]，指梁鎖的配置可有效防止管柱從指梁內倒出。通過選擇不同的控制和工作模式，可自動或手動完成不同規格管柱的排管或送管操作。待命期間可避讓于猴道最后端，在猴道蓋板、兩側欄桿和前端翻轉平臺安裝完畢后即可恢復人工作業。

2 油水井基礎數據

選取渤海海域多個平臺進行油水井基礎數據的采集，確定油水井油管、鉆桿和鉆鋌的規格，確定油水井完井井深，為二層臺和機械手抓手的設計提供數據支持，保證最佳應用效果。油水井基礎數據如下：

(1) 油管規格 2-7/8英寸(1英寸=0.025 4 m)、3-1/2英寸、4-1/2英寸，其中2-7/8英寸、3-1/2英寸的油管占比高達80%；

(2) 鉆桿規格 2-7/8英寸、3-1/2英寸、4-1/2英寸；

(3) 鉆鋌規格 4-6/8英寸、6-1/2英寸、8-1/2英寸；

(4) 完井井深 1 377.97～4 578.00 m。

3 基本設計方案

3.1 設計概念

(1) 機械手臂架自動折疊、待命期間無需拆卸。

(2) 采用全電驅伺服驅動技術、路徑預設、一鍵操控、程序記憶。

(3) 集成設計司鉆操作控制系統。

(4) 設置多重自鎖、互鎖保護，功能安全可靠。

(5) 故障自診斷與報警提示，全程可視監控。

(6) 對外接口支持工業以太網通信連接[3]。

3.2 關鍵技術參數

(1) 工作環境溫度：-30～+50 ℃。

(2) 工作環境相對濕度：0～95% RH、不凝露。

(3) 防爆及防護等級：不低于ExdIIBT4、IP56。

(4) 工作風速：0～17.1 m/s。

(5) 驅動方式：伺服驅動。

(6) 系統供電：應急AC 380(1±5%) V、50～60 Hz。

(7) 管徑抓取范圍：2-7/8～8-1/2英寸。

(8) 二層臺立根容量：不低于Q/HS2007.1-2013井架二層臺容量的80%[4]。

(9) 機械手最大操作力：>750 N。

(10) 機械手運行速度：≥0.2 m/s。

(11) 回轉角度：±90°。

(12) 位置精度：±3 mm。

(13) 回轉精度：≤0.2°。

(14) 臂架操作半徑：≥2 000 mm。

3.3 二層臺設計

二層臺與井架主結構采用插銷耳板方式進行連接，便于安裝，當二層臺自動排送管系統應用于在役海洋鉆修機時，無需改造井架結構，只需整體更換現有二層臺。在二層臺猴道設計供機械手滑移的平移滑軌，二層臺單邊預留單排可排放8-1/2英寸鉆鋌的固定式指梁格，其余指梁設計為常規固定不可翻轉式，指梁間隙適用于2-7/8～4-1/2英寸管柱；在二層臺指梁上安裝彈簧鎖片，指梁最前端安裝指梁鎖，其控制電機安裝在指梁內，有效固定管柱位置，指梁上有保險鏈掛耳，安裝保險鏈，防止指梁墜落；安裝防爆高清攝像儀，全程實時影像監控。

對于部分在役海洋鉆修機，在二層臺改造為應用自動排送管系統時，與原二層臺相比，新二層臺指梁間隙不可調、預留鉆鋌排放位置、增強指梁剛度，同時考慮機械手回轉半徑因素，導致新二層臺立根容量有所降低，不能滿足Q/HS2007.1-2013井架二層臺容量80%的最低要求。在該情況下，須將指梁設計為固定可翻轉式，指梁在不翻轉時，間隙適用于2-7/8～3-1/2英寸管柱，翻轉后可適用于4-1/2英寸管柱，但翻轉后只能由人工完成排送管操作。

3.4 機械手設計

機械手由平移滑車、防爆伺服電機、轉軸、機械臂架、執行器、抓手、高清攝像儀組成，通過平移滑車固定于二層臺猴道滑軌上方。在轉軸位置安裝高清攝像儀，對準指梁開口位置，在關鍵部位配置高性能的接近開關、行程開關、機械限位等裝置，保證機械手可靠運行。

防爆伺服電機分別用于驅動平移滑車沿猴道滑軌滑動、驅動機械手旋轉、驅動機械手前后伸縮。電機選型的防護類型為ExdIICT6，防護等級IP67，適用于-30～50 ℃的環境溫度，采用自然風冷，具有極高的運行平穩性，通過與伺服驅動器的有機結合，完成速度與位置的精確控制。

機械臂架采用柔性體結構設計，同時將機械臂架結構本身剛度設計在適當范圍內，合理控制機械臂架驅動速度，有效降低機械手抓手的振動，提高機械手抓手的定位精度[5-6]。對機械手抓手開度采用變擋設計，滿足抓取不同規格油管、鉆桿及鉆鋌的需求，在抓取管柱時，由執行器控制抓手開合，自動完成換擋。機械手抓手依靠電磁感應識別管柱，精準識別管柱進出。

3.5 液壓吊卡及氣動卡瓦選型設計

液壓吊卡選型設計為側開式，額定工作壓力為14 MPa，流量為20～25 L/min，翻轉角度滿足從垂直向前90°翻轉，通過更換襯套體，可適用于2-7/8～4-1/2英寸管柱。

氣動卡瓦適用卡持管柱范圍為2-7/8～4-1/2英寸，最大天然氣與石油設計載荷依據鉆修機最大提升載荷選定，氣源工作壓力為0.6～1.0 MPa。

3.6 集成控制系統設計

3.6.1 硬件設計

集成控制系統硬件由驅動控制柜、防爆控制柜、HMI面板、操作手柄、控制開關和按鈕以及指示燈組成。

(1) 驅動控制柜。驅動控制柜內部安裝伺服驅動控制器，用于驅動機械手伺服電機的精準運動并驅動指梁鎖電機。為便于安裝維護，將該驅動控制柜嵌入式安裝于二層臺。該柜體外殼采用316SS不銹鋼材質，防爆等級不低于ExIIBT4，防護等級不低于IP56。

(2) 防爆控制柜。防爆控制柜用于實現二層臺自動排送管系統電源的轉換、控制，同時用于司鉆房控制設備與驅動控制柜之間的信號傳輸，用于二層臺自動排送管系統與鉆修機電控系統的信號傳輸。該柜體外殼采用316SS不銹鋼材質，防爆等級不低于ExIIBT4，防護等級不低于IP56。

(3) HMI面板。HMI面板實現對二層臺自動排送管系統設備運行狀態進行監視和排送管操作控制，選型設計要求：15英寸高分辨率精致面板，分辨率為1 280像素/英寸×800像素/英寸，170°的超寬視角，確保最優顯示清晰度。背光平均無故障時間不低于80 000 h，24 MB內存，集成RS422/485、以太網、USB等接口，可實現觸摸操作。以DC 24 V寬電壓供電，具備電子過流保護。有斷電保護功能，數據安全萬無一失。

(4) 集成操控設計。基于人機工程學，采用可折疊伸縮臂架將液晶觸摸屏懸掛于司鉆房或嵌入式安裝于司鉆操作臺，操作手柄、控制開關和按鈕以及指示燈采用集成設計方式布置于司鉆操作臺，保證最佳操作舒適度。

3.6.2 集成控制軟件設計

采集操作手柄、控制開關和按鈕的輸入信號，接收HMI面板通信信號，通過以太網與鉆修機電控系統進行通信連接，執行信號邏輯處理后，實現二層臺機械手、液壓吊卡、氣動卡盤的控制功能，確保設備之間配合連貫，安全運行。

(1) 設計機械手抓手、指梁鎖、卡瓦、吊卡的開關控制功能，設計吊卡水平和垂直翻轉控制功能。

(2) 設計完善的互鎖保護功能，包括機械手絞車、機械手與頂驅、機械手與吊卡、絞車與吊卡、吊卡與卡瓦的互鎖功能，有效防止機械手意外碰撞、管柱滑脫等危險現象發生。

(3) 設計自動、手動兩種控制模式。在自動控制模式下，將二層臺基礎尺寸參數設置在模塊化的邏輯程序里，結合智能化傳感裝置，通過極限參數標定確定機械手自動行走路徑，自動完成排送管操作；自動程序突發故障時，機械手故障保護停機，可切換手動控制模式，完成排送管操作。

(4) 設計排管和送管兩種工作模式。根據現場作業工況，進行排管操作和送管操作模式的切換。

(5) 設計鉆鋌和油管(鉆桿)選擇模式。根據機械手要抓取的管柱規格，切換機械手抓手的開度，且在鉆鋌模式或油管(鉆桿)模式下仍具備選擇不同規格尺寸的功能。

(6) 設計緊急急停功能。在緊急情況下，系統電源脫扣，保持斷電后管柱安全夾持狀態[7]。

3.6.3 上位機(HMI面板)軟件設計

(1) 實時動態模擬顯示機械手排送管操作畫面，并顯示機械手位置、回轉角度、機械臂架操作距離等關鍵參數。

(2) 實時顯示機械手排送管操作過程影像，顯示機械手各部位動作影像。

(3) 設計機械手運行模式的選擇功能和排送管操作的相關控制功能。

(4) 具備參數設置、故障診斷和報警查詢功能。

(5) 數據管理功能。具備二層臺自動排送管系統運行數據存儲、實時影像存儲和歷史數據查詢功能，通過以太網能夠與鉆修機電控系統數據終端或陸地設備狀態監測數據終端進行遠程通信。

4 結 論

基于海上平臺油水井基礎數據，開展海洋鉆修機二層臺自動排送管系統的基本設計工作，初步確定了整體結構和自動化控制方案，實現遠程控制機械手進行排送管操作和智能化數據管理，降低安全風險，提高作業效率，同時為在役海洋鉆修機二層臺自動排送管系統的改造設計提供借鑒，有效推動海洋鉆修機自動化、智能化的發展。