深海鉆井立根排放裝置模型樣機(jī)設(shè)計(jì)

馬清明，劉 濤，江正清，伊偉鍇

（1.勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257060；2.勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257061）

深海鉆井立根排放裝置模型樣機(jī)設(shè)計(jì)

馬清明1，劉 濤1，江正清1，伊偉鍇2

（1.勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257060；2.勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257061）

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆桿排放裝置的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置，完成了機(jī)械系統(tǒng)的總體方案和各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

鉆井技術(shù)；立根排放；模型樣機(jī)；自動(dòng)控制

1 概述

鉆井過程是一個(gè)重復(fù)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高的過程，尤其在海上鉆井作業(yè)，常遇到風(fēng)浪等惡劣等情況，安全問題尤為突出。據(jù)2005年國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，30%～52%的傷亡事故發(fā)生在起下鉆過程中，并因此耽誤了大量的鉆井時(shí)間［1］。利用鉆柱自動(dòng)化排放裝置，可節(jié)省起下鉆時(shí)間25%，1h可以起下55根鉆柱［2-3］。同時(shí)，海上鉆井成本很高，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得尤為重要，因此鉆桿自動(dòng)化排放系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用［4］。

自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)根據(jù)其所處理管具的空間位置可分為：水平型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)、水平/垂直混合型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)和垂直型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)［5-6］。其中，水平鉆桿操作系統(tǒng)主要作用是在鉆臺(tái)和甲板之間進(jìn)行鉆桿和其他管具的傳送。水平/垂直混合型鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)主要作用是將在其下方水平放置的鉆桿提起并轉(zhuǎn)換至垂直狀態(tài)，或?qū)@臺(tái)上處于垂直狀態(tài)的鉆桿轉(zhuǎn)換至水平位置并下放到鉆桿傳送設(shè)備上。目前比較典型的水平/垂直鉆桿轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有Varco公司的V-Door Machine、Stand Hand II、Pipe Laydown System以及MH公司的Eagle/Eagle Light等［7］。垂直鉆桿操作系統(tǒng)功能是在井口與立根盒之間移送鉆桿立根、鉆桿單根連接成立根等操作。

2 海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)實(shí)際功能并運(yùn)用相似原理，設(shè)計(jì)了1∶5的二層臺(tái)立根排放裝置模型樣機(jī)，包括上夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和下夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)兩部分，其中上夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由上部移動(dòng)梭車、上部機(jī)械臂和上夾持機(jī)構(gòu)組成，下夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由下部移動(dòng)梭車、下部機(jī)械臂和下夾持機(jī)構(gòu)組成。

圖1 海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

上夾持機(jī)構(gòu)安裝在上部機(jī)械臂下部，用于夾緊鉆桿立根，上部機(jī)械臂固定在移動(dòng)梭車上，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上夾持機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)，下夾持機(jī)構(gòu)安裝在下部機(jī)械臂上部，用于夾持桿立根，下部機(jī)械臂固定在移動(dòng)梭車上，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和下夾持機(jī)構(gòu)的伸展運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)梭車安裝在移動(dòng)導(dǎo)軌上，可沿導(dǎo)軌產(chǎn)生縱向移動(dòng)。

3 海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置的各機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立根排放試驗(yàn)裝置上夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由上部移動(dòng)梭車、上部機(jī)械臂和上夾持機(jī)構(gòu)組成，下夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由下部移動(dòng)梭車、下部機(jī)械臂和下夾持機(jī)構(gòu)組成。

上部移動(dòng)梭車主要用于實(shí)現(xiàn)上夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的縱向移動(dòng)和橫向移動(dòng)，并與上部機(jī)械臂組合使用，實(shí)現(xiàn)上部機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其主要由縱梁、縱向?qū)к?、縱向齒條、橫梁、橫向?qū)к?、橫向齒條、上部連接架、移動(dòng)梭車、回轉(zhuǎn)支撐軸承、齒輪、伺服電機(jī)和減速器等組成，如圖2所示

圖2 上部移動(dòng)梭車結(jié)構(gòu)圖

上部機(jī)械臂主要用于在抓取或釋放鉆桿立根后提升或下落上夾持機(jī)構(gòu)，并在工作過程中由回轉(zhuǎn)支撐軸承帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其主要由內(nèi)機(jī)械臂、外機(jī)械臂、無油潤(rùn)滑軸承塊和提升電動(dòng)缸等組成。上夾持機(jī)構(gòu)主要用于夾緊鉆桿立根，從而帶動(dòng)鉆桿立根運(yùn)移，其主要由安裝座、連接板、耳板、夾板、橡膠塊和夾緊電動(dòng)缸等組成。

下部移動(dòng)梭車主要用于實(shí)現(xiàn)下夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的縱向移動(dòng)并與下部機(jī)械臂組合使用，實(shí)現(xiàn)下部機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其主要由下部縱梁、下部縱向?qū)к?、下部縱向齒條、下部移動(dòng)梭車、回轉(zhuǎn)支撐軸承、齒輪、伺服電機(jī)和減速器等組成，如圖3所示。

下部機(jī)械臂主要用于擴(kuò)展或縮小下夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)半徑，并維持下夾持機(jī)構(gòu)在工作過程中一直處于水平狀態(tài)，除此之外，在工作過程中由回轉(zhuǎn)支撐軸承帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其主要由機(jī)械臂、伸展電動(dòng)缸、水平電動(dòng)缸、耳座和法蘭盤等組成。

下夾持機(jī)構(gòu)主要用于約束鉆桿立根在工作過程中運(yùn)動(dòng)軌跡，以保證鉆桿立根在工作過程中一直處于豎直狀態(tài)，其主要由安裝座、連接板、耳板、夾板和電動(dòng)推桿等組成。

圖3 下部移動(dòng)梭車結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆桿排放裝置的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置。根據(jù)實(shí)際工作要求和任務(wù)要求，選取電力驅(qū)動(dòng)并控制鉆柱自動(dòng)化排放的整個(gè)過程，對(duì)海洋平臺(tái)二層臺(tái)立根排放試驗(yàn)裝置進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

通過理論計(jì)算，對(duì)機(jī)械元件進(jìn)行選型，完成機(jī)械系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，并完成了自動(dòng)排管裝置上部機(jī)械手、上部梭車、下部機(jī)械手和下部鎖梭車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

［1］ Richard D.The next major step in total hands-free pipe handling-No derrickman in the derrick racking and unracking pipe［J］.IADC/SPE Drilling Conference，2007（2）：405-408.

［2］ Reid D.Development of automated drilling rigs［J］.IADC/SPE Drilling Conference，1998：695-710.

［3］ 敖沛.國(guó)外石油鉆機(jī)新技術(shù)［J］.石油機(jī)械，2004，32（4）：50-51.

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［6］ 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.

［7］ 張艷敏，崔學(xué)政，杜永彬.水平_垂直鉆桿自動(dòng)操作系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（3）：23-27.

Prototype Design of Deep-Sea Drilling Roots Emission Device

Ma Qing-ming，Liu Tao，Jiang Zheng-qing，Yi Wei-kai

Through to the domestic and foreign pipe handing device structure and key technology research，a new type offshore platform Monkey-Board Pipe Handing test device was designed.The structure design of the overall scheme of mechanical system and components were accomplished.

drilling technology；pipe handing；model prototype；automatic control

U674.38

B

1003-6490（2016）07-0095-02

2016-07-16

山東省自然科學(xué)基金“海洋浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)升沉與鉆壓耦合控制研究”（ZR2015EL049）資助項(xiàng)目。

馬清明（1966—），男，山東臨朐人，高級(jí)工程師，主要從事鉆井機(jī)械研發(fā)、科研管理等工作。