海洋鉆井平臺(tái)貓道機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及分析*

陸 輝,趙世剛,張 建,張彥秋

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院青島分院,山東青島 266000)

海洋鉆井平臺(tái)貓道機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及分析*

陸 輝,趙世剛,張 建,張彥秋

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院青島分院,山東青島 266000)

貓道機(jī)的主要功能是井場(chǎng)管具的自動(dòng)運(yùn)移,經(jīng)歷了從人工操作到自動(dòng)化的演變過(guò)程,目前國(guó)內(nèi)外鉆采公司制造的自動(dòng)貓道的主要類型有舉升式貓道、機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)和平移式貓道三種。舉升式貓道運(yùn)行平穩(wěn)可靠,安全性好,占地面積小,但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)處理管子的速度快,工作效率高,缺點(diǎn)是,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求高,制造與維護(hù)成本昂貴等。平移式貓道是目前應(yīng)用范圍最廣的貓道機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易拆卸和安裝,易維護(hù),并且可將鉆臺(tái)設(shè)備運(yùn)送到鉆臺(tái)內(nèi)。目前平移式貓道主要有兩種結(jié)構(gòu),并且對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的貓道機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析。

鉆井平臺(tái);自動(dòng)化;自動(dòng)排管系統(tǒng);貓道機(jī)

0 引 言

為了減少鉆井作業(yè)時(shí)間、費(fèi)用和提高作業(yè)的安全性,自動(dòng)管具處理系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的人工管具操作。自動(dòng)管具處理系統(tǒng)減少了操作者的人員數(shù)量并提高了鉆井的效率,在鉆井的同時(shí)進(jìn)行離線接單根、自動(dòng)輸送和排放鉆桿等操作將會(huì)大幅降低鉆井時(shí)間。自動(dòng)化管具操作系統(tǒng)操作過(guò)程是指采用自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)代替人工來(lái)完成的管具操作過(guò)程。自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)由水平管具操作系統(tǒng)、水平/垂直管具轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和垂直管具操作系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成,貓道機(jī)是自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)配套設(shè)備之一,屬于水平管具操作系統(tǒng),它的主要功能是實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)管具自動(dòng)運(yùn)移。頂驅(qū)的液壓吊卡或機(jī)械手與貓道機(jī)相互配合使用,可以實(shí)現(xiàn)鉆桿、鉆鋌和套管等的自動(dòng)操作。

1 貓道機(jī)發(fā)展歷史

鉆井作業(yè)經(jīng)過(guò)人工向自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變,貓道也由原先人工操作的簡(jiǎn)易貓道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃窨蛇h(yuǎn)程控制的自動(dòng)貓道,人工向自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變提高了作業(yè)效率和工人的安全。

1.1 簡(jiǎn)易貓道

簡(jiǎn)易貓道是連接鉆臺(tái)面與甲板面的坡道,通過(guò)鉆臺(tái)面的氣動(dòng)絞車和甲板吊將放置在甲板面的管具拖拽到鉆臺(tái)面。這種操作的缺點(diǎn)顯而易見,自動(dòng)化,智能化程度偏低,上下鉆臺(tái)都需要至少4名工人配合完成而造成操作效率不高,同時(shí)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,安全卻得不到保證,而且鉆具在互動(dòng)過(guò)程中極易造成不同程度的損壞而影響使用壽命,如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)易貓道

1.2 帶式鉆桿傳送機(jī)

為了克服人工作業(yè)的缺點(diǎn),研發(fā)出帶式鉆桿輸送機(jī),在鉆臺(tái)和甲板間可,通過(guò)帶式鉆桿輸送機(jī)傳送鉆桿,鉆桿放置在傳輸機(jī)的多層橡膠帶上傳輸鉆桿,多層橡膠帶通過(guò)安裝在頭部和尾部的驅(qū)動(dòng)滾筒和張緊滾筒。通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)行。輸送機(jī)的尾部安裝了扶正導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將鉆桿傾斜一定角度,以便鉆桿的抓取。但是帶式傳輸機(jī)傳輸鉆桿不穩(wěn)定,鉆桿容易從傳送帶上脫落。為了克服以上缺點(diǎn),研發(fā)出貓道機(jī)替代了帶式鉆桿傳送機(jī)[1],如圖2所示。

1.3 貓道機(jī)

貓道機(jī)通過(guò)安裝在貓道中的V型槽作為鉆具的運(yùn)輸軌道,靠V型槽中的推車推動(dòng)鉆具沿著貓道的V型槽滑動(dòng),安裝在尾部舉升機(jī)構(gòu)升起配合機(jī)械手,實(shí)現(xiàn)鉆桿在貓道和鉆臺(tái)之間的相互傳遞,它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,傳送過(guò)程快速、安全、平穩(wěn)[2],如圖3所示。

圖2 帶式鉆桿傳送機(jī)

圖3 貓道機(jī)

2 國(guó)內(nèi)外海上貓道機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)貓道機(jī)的鉆具承載平臺(tái)、坡道與貓道地面平臺(tái)三者之間的相對(duì)位置關(guān)系,以及傳送鉆桿的方式,國(guó)外常見的海上貓道機(jī)有舉升式貓道、機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)和平移式貓道3種類型[3]。

2.1 舉升式貓道機(jī)

舉升式貓道主要特點(diǎn)是貓道機(jī)與鉆臺(tái)面不在同一水平面,鉆具承載平臺(tái)中的V型槽可以根據(jù)需要舉升到一定的高度。因此,舉升式貓道機(jī)可以與不同高度范圍的鉆井平臺(tái)相互匹配。舉升式屬于液壓驅(qū)動(dòng)的貓道機(jī),能夠迅速地將鉆桿或者套管從鉆桿架上運(yùn)移到鉆臺(tái)上,然后通過(guò)小車將V型槽中的鉆桿推向鉆臺(tái)面。兩側(cè)安裝的排管架與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以將鉆桿移出V型槽,尾部安裝有折臂吊可將鉆桿放入到V型槽中,舉升式貓道的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)可靠,安全性好,占地面積小,但是運(yùn)動(dòng)形式較復(fù)雜,如圖4。

2.2 機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)

與傳統(tǒng)貓道機(jī)相比,機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)沒(méi)有貓道地面平臺(tái)、鉆具承載平臺(tái)與坡道,可直接實(shí)現(xiàn)管子在地面與平臺(tái)之間的運(yùn)移,并且具有接立根的功能。其均采用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制原理提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,利用排放臂和夾鉗的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其快速定位和夾持功能,屬于全自動(dòng)化處理設(shè)備。機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)處理管子的速度快,可以使用無(wú)線遠(yuǎn)程控制,工作效率高,缺點(diǎn)是液壓元件的制造精度與安裝精度高,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定要求極高,制造與維護(hù)成本昂貴,運(yùn)移與拆裝繁瑣,如圖5所示。

圖4 舉升式貓道機(jī)

圖5 機(jī)械臂管子處理系統(tǒng)

2.3 平移式貓道機(jī)

平移式貓道機(jī)是廣泛應(yīng)用于海洋鉆井平臺(tái)的一種鉆具運(yùn)移裝置。這種貓道機(jī)的特點(diǎn)貓道機(jī)分為兩大部分,貓道機(jī)支架與貓道機(jī)滑車,支架的高度與鉆臺(tái)面的高度相同,折臂吊將鉆具放置在貓道機(jī)滑車中,貓道機(jī)滑車從貓道機(jī)支架水平移動(dòng)到鉆臺(tái)面上,當(dāng)貓道機(jī)滑車移動(dòng)到鉆臺(tái)面的一定位置,設(shè)置于貓道機(jī)滑車V型槽中的鉆具推送裝置將鉆具推送到井口的預(yù)定位置。排管機(jī)械手將鉆具取出。平移式貓道相對(duì)于其他類型的貓道機(jī)最大的特點(diǎn)是可以將一些鉆臺(tái)設(shè)備從甲板運(yùn)送到鉆臺(tái)面上。平移式貓道機(jī)主要分為兩種結(jié)構(gòu),分別為CAMERON公司和NOV公司生產(chǎn)。目前絕大多數(shù)鉆井平臺(tái)使用的貓道機(jī)為平移式貓道機(jī)。

CAMERON公司生產(chǎn)海上貓道機(jī)的排管架與貓道機(jī)本體為一體式,鉆桿排放在貓道機(jī)滑車上,體積較大,重量較重。后端裝有推車,可以向前推送管具,側(cè)面裝有分離機(jī)構(gòu)向V型滑道推送鉆桿,前端安裝有抬升機(jī)構(gòu),將鉆桿端部抬起。貓道機(jī)可以將鉆具和其他設(shè)備高效和安全地在鉆臺(tái)面和甲板之間傳送。貓道機(jī)可以同時(shí)運(yùn)送4根6-5/8鉆桿。CAMERON公司的貓道機(jī)通過(guò)折臂吊來(lái)裝卸管具。貓道機(jī)通過(guò)安裝在鉆臺(tái)面和甲板面的導(dǎo)軌前后移動(dòng)。貓道機(jī)配有扶正機(jī)構(gòu),可以配合水平垂直轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將鉆桿放入井眼中[4],如圖6、7所示。

圖6 CAMERON公司貓道機(jī)

圖7 NOV公司貓道機(jī)

NOV公司生產(chǎn)貓道機(jī)將排管架與貓道機(jī)滑車分離,貓道本體用來(lái)推送鉆桿,鉆桿儲(chǔ)存在排放架上,體積較小,重量較輕。后端裝有小車,可以向前推送管具,V型槽裝有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)向排管架推送鉆桿,前端安裝有舉升機(jī)構(gòu)和扶正機(jī)構(gòu),配合水平垂直轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將鉆桿放入井眼中[5],如圖7所示。

3 平移式貓道機(jī)的主要結(jié)構(gòu)分析

目前,由于平移式貓道機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作效率高,所以大部分海上平臺(tái)安裝的是平移式貓道機(jī)。平移式貓道機(jī)主要有CAMERON公司和NOV公司這兩種,通過(guò)對(duì)這兩種貓道機(jī)的對(duì)比分析,改進(jìn)現(xiàn)有平移式貓道機(jī)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

3.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)比分析

CAMERON公司貓道機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由推桿和翻轉(zhuǎn)塊完成翻轉(zhuǎn)管具的過(guò)程,NOV公司貓道機(jī)由傾斜塊和翻轉(zhuǎn)塊完成翻轉(zhuǎn)管具的過(guò)程。NOV公司貓道機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相較于CAMERON公司貓道機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔,在翻轉(zhuǎn)管具的過(guò)程中翻轉(zhuǎn)液壓缸的伸縮相同的距離便可以將排管架上的不同尺寸的管具翻轉(zhuǎn)到V型槽中,而CAMERON公司貓道機(jī)在翻轉(zhuǎn)管具的過(guò)程中需要控制推桿液壓缸的不同的伸縮距離將不同尺寸管具推送到V型槽中,所以NOV公司貓道機(jī)翻轉(zhuǎn)管具的過(guò)程更容易操作,如圖8～11所示。

圖8 CAMERON公司貓道機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖9 CAMERON貓道機(jī)翻轉(zhuǎn)管具過(guò)程

圖10 NOV公司貓道機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖11 NOV公司貓道機(jī)翻轉(zhuǎn)管具過(guò)程

3.2 貓道機(jī)小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)比

NOV公司貓道機(jī)和排管架與CAMERON公司貓道機(jī)均采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈條帶動(dòng)小車在V型槽中前后移動(dòng)。CAMERON公司貓道機(jī)采用了雙側(cè)的鏈傳動(dòng),NOV公司貓道機(jī)因?yàn)榉D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與本體的連接安裝在本體一側(cè),所以采用了單側(cè)鏈傳動(dòng)。小車的雙側(cè)鏈傳動(dòng)比小車的單側(cè)鏈傳動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定,但單側(cè)鏈傳動(dòng)比雙側(cè)鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖12、13所示。

圖12 CAMERON貓道機(jī)小車傳動(dòng)系統(tǒng)

圖13 NOV公司貓道機(jī)小車傳動(dòng)系統(tǒng)

3.3 貓道機(jī)本體運(yùn)行機(jī)構(gòu)對(duì)比

如圖14、15分別為CAMERON和NOV公司貓道機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖14 CAMERON公司貓道機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

圖15 NOV公司貓道機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

NOV公司貓道機(jī)通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)貓道機(jī)本體的前后移動(dòng),齒輪通過(guò)安裝在貓道機(jī)本體底部的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),齒條安裝在貓道機(jī)支架上。CAMERON公司貓道機(jī)通過(guò)安裝在底部的液壓缸伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)貓道機(jī)本體的前后移動(dòng),并且通過(guò)液壓缸可以將本體傾斜一定角度,配合機(jī)械手抓取鉆桿。通過(guò)兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn),液壓缸驅(qū)動(dòng)要比齒輪齒條式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行平穩(wěn),但是成本要比齒輪齒條式的高。

5 結(jié) 語(yǔ)

海上貓道機(jī)是自動(dòng)排管系統(tǒng)的重要組成部分,通過(guò)自動(dòng)化的運(yùn)送鉆桿代替人工與鉆桿的直接接觸,提高了鉆井人員的安全性和鉆井效率。海上貓道機(jī)在國(guó)外經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和應(yīng)用,其技術(shù)和產(chǎn)品相對(duì)成熟,其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也值得我們借鑒,所以,充分了解國(guó)外各種海上貓道機(jī)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)、基本類型等,并且通過(guò)對(duì)比分析貓道機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)研究和改進(jìn)貓道機(jī)有很大幫助。

[1] 高建強(qiáng).全液壓自動(dòng)貓道提升系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué), 2014.

[2] 沙永柏,朱吉良,李志東,等.鉆桿自動(dòng)化操作系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)[J].機(jī)械制造,2011,49(562):60-62.

[3] 趙淑蘭,李文彪,聶永晉.動(dòng)力貓道技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦產(chǎn)機(jī)械,2010,39(2):13-15.

[4] 張富強(qiáng).鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué),2010.

[5] 劉平全.鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué),2010.

Typical Structure and Analysis of Catwalk Machine in Marine Drilling Platform

LU Hui,ZHAO Shi-gang,ZHANG Jian,ZHANG Yan-qiu
(Qingdao Branch of Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute,Qingdao Shandong 266000,China)

The main function of catwalk machine is to automatically transport the well site pipes,and the catwalk machine has experienced the evolution process of manual to intelligent.At present,there are three kinds of catwalk which are produced by companies at home and abroad:lifting catwalk,mechanical arm processing system and translational catwalk.Lifting catwalk operates smoothly and reliably,and it is security and small land occupation,but complicated structure.Mechanical arm processing system is fast in processing speed,it is high efficiency but the control system needs stability and its manufacturing cost is expensive.Translational catwalk is the most widely used at present,which is simple structured and easy to be maintained,and it could carry equipments into the drilling platform.Now the translational catwalk has two constructions,which would be contrastively analyzed in this paper.

drilling platform;automation;automatic exhaust pipe system;automatic catwalk

TE951

A

1007-4414(2015)05-0032-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.011

2015-07-28

陸 輝(1986-),男,山東青島人,碩士,助理工程師,主要從事鉆機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。