海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)的研究

解文芳，陳悅軍，王維國(guó)，焦文凱，張　磊，張　鎧，方力平（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州730070）

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海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)的研究

解文芳，陳悅軍，王維國(guó)，焦文凱，張磊，張鎧，方力平
（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州730070）

摘要：動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)是海洋鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，與自動(dòng)貓道及鐵鉆工等鉆桿處理設(shè)備配合使用，可起到離線接/卸立根的作用。該裝置采用雙液缸驅(qū)動(dòng)的滑輪組提升系統(tǒng)，滿足了不同長(zhǎng)度鉆桿的起升下放要求；鼠洞上端采用扶正裝置，解決了不同管徑鉆桿的扶正定心問題；鼠洞下端緩沖裝置有效地保護(hù)了鉆桿端部的螺紋。該系統(tǒng)特別適合海洋鉆井平臺(tái)鉆機(jī)用于與其他鉆桿處理設(shè)備配合進(jìn)行接/卸立根操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，有效提高了勞動(dòng)效率，同時(shí)降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鼠洞；鉆桿自動(dòng)化處理；離線接/卸立根；海洋鉆井平臺(tái)

1　背景及意義

傳統(tǒng)鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆井平臺(tái)在指定位置開始鉆井時(shí),需要人工將甲板鉆桿排放架上的鉆桿水平移至貓道,鉆臺(tái)上的小絞車下放鋼絲繩,利用索具等工具將鉆桿沿坡道拉上鉆臺(tái)。然后,利用吊卡、旋扣工具、在鼠洞內(nèi)將鉆桿連接成立根,放入立根盒存儲(chǔ)以備使用。在鉆進(jìn)過程中隨著井深的增加,需要不斷地將立根從立根盒移至井口連接到鉆桿上;更換鉆頭或安裝測(cè)試工具及其他鉆桿底部工具時(shí),又要不斷地將立根從鉆桿上取下移至立根盒或從立根盒將立根移至井口連接到鉆桿上,即進(jìn)行起、下鉆操作。當(dāng)鉆完一口井后,又需要將立根從鉆桿上逐根取下,利用小絞車掛住立根頂端將立根甩下,然后水平移至甲板的鉆桿[1]排放架上。傳統(tǒng)的操作方式需要工作人員與鉆桿直接接觸,在起、下鉆過程中需要司鉆、鉆工、井架工等人的密切配合,稍有不慎便可能造成事故，且工作強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低。

鉆桿自動(dòng)化操作過程是指采用自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)代替人工來完成上述的鉆桿操作過程。開始鉆井時(shí),甲板起重設(shè)備將水平放置在甲板鉆桿排放架上的鉆桿起升、并移送至鉆桿傳送設(shè)備上,經(jīng)傳送后至鉆臺(tái)入口處。然后,位于鉆臺(tái)入口處的水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將鉆桿傳送設(shè)備上的鉆桿提起,并將其由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)換至垂直狀態(tài),放入動(dòng)力鼠洞或交給垂直鉆桿操作系統(tǒng)進(jìn)行單根接成立根操作。單根接成立根操作是由垂直鉆桿操作系統(tǒng)、水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、動(dòng)力鼠洞以及鐵鉆工配合完成的,然后由垂直鉆桿操作系統(tǒng)將立根送入立根盒存儲(chǔ)以備使用或直接送往井口。當(dāng)鉆完一口井準(zhǔn)備移井位時(shí),根據(jù)相關(guān)要求,可以由上述自動(dòng)化鉆桿操作設(shè)備按反向程序,將立根送回至甲板排放架上,至此,完成了整個(gè)鉆桿的自動(dòng)化操作循環(huán)過程。在自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)中，動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)是其中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)的重要一環(huán)。

在自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)中，動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)是其中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)的重要一環(huán)。動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)與水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、鐵鉆工配合具備離線單根接/卸立根的功能，可以在鉆井作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行接立根操作，可大幅度提高鉆井工作效率。在動(dòng)力鼠洞工作過程中，須頻繁使用動(dòng)力鼠洞的扶正及升降功能，以便與鐵鉆工配合完成單根接/卸立根工作。動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接決定了整個(gè)自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)的效率，也就決定了鉆進(jìn)工作的效率。鑒于目前這種情況，研制開發(fā)的帶有扶正裝置的滑輪式動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)，解決了當(dāng)前鉆井平臺(tái)的自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)中動(dòng)力鼠洞在生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，頻繁接/卸立根的難題，極大地提高了自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)處理鉆桿的效率。

2　主要結(jié)構(gòu)及工作原理

該海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)包括動(dòng)力鼠洞機(jī)械部分[2]和自動(dòng)化控制[3]部分，其中控制部分是通過智能儀表對(duì)動(dòng)力鼠洞的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過總線將信號(hào)傳送至可編程序處理器(PLC)上，PLC按照事先編好的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，最后由輸出控制信號(hào)來控制動(dòng)力鼠洞的動(dòng)作過程；本文主要介紹機(jī)械部分的組成及工作原理。

2.1主要結(jié)構(gòu)組成

如圖1～圖5所示，圖中：1—上部圓管；2—連接法蘭；3—喇叭口；4—扶正裝置；5—定滑輪裝置；6—下部圓管；7—升降液缸；8—鋼絲繩9—提升導(dǎo)向裝置；10—移動(dòng)緩沖裝置；11—排污管12—導(dǎo)向滾輪；13—導(dǎo)向槽；14—錐形頭；15—蝶形彈簧；16—耳環(huán)；17—下部圓管法蘭盤；18—上扶正板；19—固定軸；20—旋轉(zhuǎn)軸；21—導(dǎo)向軸套22—導(dǎo)向軸；23—往復(fù)齒條；24—液缸；25—回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈；26—回轉(zhuǎn)支承外圈；27—回轉(zhuǎn)支承；28—下扶正板；29—上部圓管法蘭盤。

該動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)分為上部圓管（1）和下部圓管（6），上部圓管（1）通過與其焊接的連接法蘭（2）與鉆臺(tái)面主結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)[4]，上下兩部分圓管通過中間夾持扶正裝置（4）相連接。扶正裝置（4）夾持安裝在與上部圓管（1）與下部圓管（6）之間，當(dāng)液缸（24）活塞桿伸縮帶動(dòng)往復(fù)齒條（23）做伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，往復(fù)齒條（23）驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈（26）轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝于回轉(zhuǎn)支承（27）上的上、下扶正板（8）、（18）旋轉(zhuǎn)軸（20）隨回轉(zhuǎn)支承外圈（26）（回轉(zhuǎn)圈）沿安裝于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈（25）（固定圈）上的固定軸（19）做向心轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)扶正板做向心回轉(zhuǎn)收縮運(yùn)動(dòng)，同步將動(dòng)力鼠洞圓管中的鉆桿向圓管中心回轉(zhuǎn)收縮，可使鉆桿準(zhǔn)確快速對(duì)準(zhǔn)圓管中心，并便于安裝維護(hù)扶正裝置（4）。

下部圓管（6）上安裝有兩個(gè)升降液缸（7）、定滑輪裝置（5）、提升導(dǎo)向裝置（9）。定滑輪裝置（5）包括兩組四個(gè)定滑輪，兩組定滑輪對(duì)稱固定在下部圓管（6）上，兩個(gè)升降液缸（7）也對(duì)稱固定在下部圓管（6）上，在平面投影上與定滑輪組成垂直交叉布置。提升導(dǎo)向裝置（9）的兩組四個(gè)動(dòng)滑輪則對(duì)稱固定在提升導(dǎo)向裝置上，與兩組四個(gè)定滑輪相對(duì)應(yīng)；兩個(gè)升降液缸（7）活塞分別與提升導(dǎo)向裝置（9）兩側(cè)連接，活塞伸縮帶動(dòng)提升導(dǎo)向裝置沿下部圓管（6）上導(dǎo)向槽（13）外側(cè)上下移動(dòng)；鋼絲繩（8）一端固定，另一端通過定滑輪組進(jìn)入下部圓管（6）導(dǎo)向槽（13）內(nèi)側(cè)與移動(dòng)緩沖裝置（10）上的耳環(huán)（16）連接。升降液缸（7）活塞伸出，移動(dòng)緩沖裝置（10）隨即上升，即可帶動(dòng)圓管內(nèi)鉆桿升起。

圖1　動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)主視圖

圖2　提升導(dǎo)向裝置剖視圖

圖3　移動(dòng)緩沖裝置示意圖

圖4　扶正裝置示意圖

圖5　扶正裝置中上下扶正板結(jié)構(gòu)圖

2.2工作原理

該動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)主要包括扶正裝置，滑輪組，圓管，兩個(gè)液壓升降油缸，提升導(dǎo)向裝置和移動(dòng)緩沖裝置等部分。鉆桿自動(dòng)化處理系統(tǒng)[5-6]的主要工序?yàn)椋杭装迤鹬卦O(shè)備將水平放置在甲板鉆桿排放架上的鉆桿起升、并移送至鉆桿傳送設(shè)備上，傳送至鉆臺(tái)入口處。然后，位于鉆臺(tái)入口處的水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將鉆桿傳送設(shè)備上的鉆桿提起，并將其由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)換至垂直狀態(tài)，在第一個(gè)鼠洞中放入第一根鉆桿。此時(shí)移動(dòng)緩沖裝置中的彈簧起緩沖作用，防止放下鉆桿時(shí)的沖擊過大，而錐形頭內(nèi)的橡膠墊可以保護(hù)鉆桿接頭。同時(shí)，錐形頭可以起到一定的定心的作用，從而可以保證鉆桿比較平穩(wěn)的放在移動(dòng)緩沖裝置上。然后液壓升降油缸的活塞縮回，帶動(dòng)動(dòng)滑輪組向上移動(dòng)，此時(shí)移動(dòng)緩沖裝置向下移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)合適高度時(shí)，液壓升降油缸的活塞停止回縮。同樣方式往第二鼠洞中放入第二根鉆桿，并移動(dòng)到合適高度。水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)把第三根鉆桿移送至第二個(gè)動(dòng)力鼠洞上方，升降液缸活塞伸出，舉升鉆桿到適當(dāng)位置，液壓扶正裝置工作，液缸（24）活塞桿帶動(dòng)往復(fù)齒條（23）做伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)齒條（23）驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈（26）做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，安裝于回轉(zhuǎn)支承（27）上的上、下扶正板（18）、（28）隨回轉(zhuǎn)支承外圈（回轉(zhuǎn)圈）（26）上的旋轉(zhuǎn)軸（20）繞回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈（固定圈）（25）上固定軸（19）做向心轉(zhuǎn)動(dòng)，扶正板可同步向圓管中心回轉(zhuǎn)收縮，保證鉆桿定心準(zhǔn)確，通過鐵鉆工與第二根鉆桿連接組成雙根。然后水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)把接好的雙根移運(yùn)至第一個(gè)動(dòng)力鼠洞上方，移動(dòng)緩沖裝置向上移動(dòng)，舉升鉆桿到適當(dāng)位置，液壓扶正裝置工作，保證鉆桿定心準(zhǔn)確，用鐵鉆工與已接好的雙根接成立根。至此完成了整個(gè)接立根操作。反之亦然。

3　結(jié)論

1）該動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)既能滿足海洋鉆井平臺(tái)的鉆桿自動(dòng)化操作中離線接/卸立根的特殊要求，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠并且自動(dòng)化程度較高優(yōu)點(diǎn)。本結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得實(shí)用新型專利（專利號(hào)：2013204392099）。

2）該動(dòng)力鼠洞系統(tǒng)中的兩個(gè)升降液缸與滑輪組在平面投影上成垂直交叉布置，有效解決了鋼絲繩與升降油缸產(chǎn)生的干涉問題，同時(shí)使得圓管受力更為均衡。

3）扶正裝置采用齒條驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承及其扶正板，設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，適合鉆桿管徑范圍大。同時(shí)因?yàn)榘惭b位置的巧妙設(shè)計(jì)，方便操作與維修。

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中圖分類號(hào)：TE951