（机械制造及其自动化专业论文）陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计.pdf

硕十学位论文 摘要 科学技术是第一生产力，随着科技水平的不断提高，机械自动化与石油钻井 设备不断的进行着有机的结合，钻井设备的自动化已然成为当今石油机械行业的 发展趋势。 在钻井作业时，传统的钻杆排放操作方式需要工作人员与钻杆直接接触，司 钻、井台钻工、井架工要手动密切配合，稍有不慎便可能造成事故。此外，钻井 工作环境恶劣，因此钻井安全生产问题显得更为突出。 高性能的机、电、液一体化的钻杆排放系统，具有很高的适应性、经济性、 高效性、可靠性和先进性，钻杆自动排放系统实现了起下钻操作的自动化控制， 目前，钻杆排放系统已经在深水海洋钻井平台上得到了广泛的应用，在钻井作业 的经济性和安全性等方面得到了很大的改善。陆地钻井作业仍采用传统的人工作 业，效率低下，危险性高。 本文对陆地钻机的结构和常用机械起重设备结构特点进行分析的基础上，设 计了立柱式钻杆排放系统，它适合定制配备到主流的陆地钻机上。它降低了传统 的钻井工作需要的工人劳动强度，减少了井口作业人数，提高了工作效率，减轻 了安全隐患。本文主要完成了以下几方面的工作： 首先，本论文对课题研究背景以及国内外研究现状进行了详细的论述，在此 基础上阐述了本课题研究的目的、内容及意义。其次，分析陆地钻机的结构形式， 对钻杆排放系统进行总体方案的设计，包括系统总体功能的分析、设备的主要参 数、系统的总体布局方案以及初步的结构方案。第三，在初步结构方案的基础上， 对系统的机械结构进行设计，通过三维建模软件进行实体建模，并对系统进行了 简要的运动仿真分析。第四，对系统进行静力学分析，并利用旋量理论对系统进 行运动学分析。最后，根据执行方案的动作要求，设计钻杆排放系统的液压系统。 关键词：钻杆排放系统；方案设计；静力学；运动学；液压系统 a b s t r a c t t h es c i e n c e a n dt e c h n o l o g yi st h ep r i m a r yp r o d u c t i v e f o r c e w i t ht h e i m p r o v e m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , m e c h a n i c a la u t o m a t i o n 锄do i l d r i l l l n g e q u i p m e n tc o n s t a n t l y o nt h eo r g a n i cu n i o n d r i l l i n ge q u i p m e n t a u t o m a t l o nn a s b e e o m et h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mm a c h i n e r y1 n d u s t r y d u r i n gd r i l l i n g ，t h et r a d i t i o n a lp i p e r a c k i n gn e e d t ow o r k e r sa n dt h ed r i l lp i p e c o n t a c t t h ed r i l l e r ，w o r k e r sn e e dt oc o o p e r a t ec l o s e l yw i t h c a r e l e s s l y ab i tm a y c a u s ea na c c i d e n t i na d d i t i o n ，d r i l l i n gw o r k i n ge n v i r o n m e n t i sp 0 0 r 。ih e r e f o r e ， s a f e t yp r o d u c t i o np r o b l e m sa p p e a rm o r eo u t s t a n d i n g h i g hp e r f o r m a n c em a c h i n e r y e l e c t r i c h y d r a u l i ci n t e g r a t e d d r i l lp i p eh a n d l l n g s y s t e mp o s s e s s e st h e s u i t a b i l i t y ，e c o n o m i c a le f f i c i e n c y ，r e l i a b i l i t ya n d a d v a n c e d n a t u r e w h i c hh a sa c h i e v e da t o m i z a t i o n c o n t r o lo ft h ep i p et r i p p i n go p e r a t l o n n o w a d a y s ，t h i ss y s t e mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o o f f s h o r ed r i l l i n gp l a t f o r ms of a r a n da p p r o v e di nt h ee f f i c i e n c ya n ds a f e t yo fd r i l l i n g o p e r a t i o n a tp r e s e n t ，l a n d d r i l l i n go p e r a t i o ni ss t i l lt h e u s eo ft h et r a d i t i o n a lm a n u a lo p e r a t i o n w h i c hh a s t h e l o we f f i c i e n c ya n dh i g hr i s k b a s e do nt h ea n a l y s i so fl a n dd r i l l i n gm a c h i n ea n dc o m m o nm a c h i n e r y1 1 t t l n g e q u i p m e n ts t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e ra i m s t oe x p l a i nc o l u m n a rd n 儿p l p e h a n d l i n gs y s t e m ，w h i c hi ss u i t a b l et ob ee q u i p p e dw i t ht h el a n dd r i l l m a c h i n e i tc a n r e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y , r e d u c et h en u m b e ro fw o r k e r s ，i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y r e d u c et h es e c u r i t yh i d d e nd a n g e r t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e d t h ef o l l o w i n g s e v e r a lw o r k s ： f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rb ym e a n so fr e a s o n e d l yd i s c u s s t h er e s e a r c hp r 0 je c t b a c k g r o u n da n dt h eo v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u s o nt h a t b a s e ，t h i st e x t e x p o u n dt h ep u r p o s e 、 c o n t e n t sa n dw o r t ho ft h er e s e a r c hp r o j e c t s e c o n d ，t h l st e x t w i l lm a k eac o n c e p t u a ld e s i g nf o rd r i l lp i p eh a n d l i n gs y s t e m b yt h em e a n s o t a n a l y s i n gt h es t r u c t u r a ls t y l eo fd r i l lr i g o nl a n d ，i n c l u d i n gt h eg e n e r a lf u n c t l o n s 锄a l y s i s 、t h ee q u i p m e n t s p r i n c i p a lp a r a m e t e r 、t h e o v e r a l ll a y o u to fs y s t e ma n dt h e p r i m a r ys t r u c t u r a lc o n c e p t t h i r d ，0 nt h eb a s eo fp r i m a r y s t r u c t u r a lc o n c e p t t om a k e ad e s i g nf o rt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fs y s t e m ，b yt h ew a y o f3 dm o d e l i n gs 础w a r e c a r r yo u te n t i t ym o d e l i n g ，a n de x e c u t et h e s i m p l ea n a l y s i sf o rm o t i o ns l m u l a t l o n f o 吡，t 0c a r r yo u tas t a t i c sa n a l y s i sa n da k i n e m a t i c sa n a l y s i sf o rs y s t e mb ym a k m g u s eo fs c r e wt h e o r y , s ow eo b t a i nk i n e m a t i c a le q u a t i o na n dj a c o b i a nm a t r i x f i n a l l y i v 硕十学位论文 a c c o r d i n gt ot h em o t i o nr e q u e s to fe x e c u t i v es u m m a r y ，m a k ead e s i g nf o rd r i l lp i p e h a n d l i n gs y s t e mp o w e r e db yh y d r a u l i cs y s t e m k e y w o r d s ：d r i l lp i p eh a n d l i n gs y s t e m ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；s t a t i c s ；k i n e m a t i c s ； h y d r a u l i cs y s t e m v 陆地钻机立柱式钴杆排放系统设计 插图索引 图1 1 水平型钻杆自动排放系统5 图1 2 垂直型钻杆自动排放系统5 图1 3 水平一垂直混合型钻杆自动排放系统6 图2 1 方案设计的内容8 图2 2 钻机总体的组成示意图1 1 图2 3 钻机总体平面布置图一1 2 图2 4 排放架的典型结构1 3 图2 5 陆地钻机钻杆自动化操作系统总体平面布置图1 4 图2 6 陆地钻机钻杆自动排放系统平面布置图1 5 图2 7 钻具提送系统结构方案1 6 图2 8 钻具提送系统工作流程1 7 图2 9 钻杆排放系统结构方案1 8 图3 1 起钻操作工序1 9 图3 2 下钻操作工序2 0 图3 3 系统操作尺寸要求2 2 图3 4 钻杆排放系统尺寸2 3 图3 5 椭圆仪2 4 图3 6 椭圆仪平面机构运动简图2 5 图3 7 上机械手臂结构示意图2 5 图3 8 上机械手臂平面机构运动简图2 6 图3 9 上机械手臂装配图2 7 图3 1 0 上机械行走机构2 8 图3 1 1 下机械手臂结构示意图2 9 图3 1 2 下机械手臂平面机构运动简图2 9 图3 1 3 下机械手臂装配图一3 0 图3 1 4 推力调心滚子轴承3 1 图3 1 5 底部小车方案简图一3 1 图3 1 6 底部小车方案简图二3 2 图3 1 7 底部小车_ 3 3 图3 1 8 底部小车内部传动机构3 3 图3 1 9 底部小车内部传动机构三视图一3 5 图3 2 0 项部小车3 6 v i 硕十学何论文 图3 2 l 排放系统装配图3 7 图3 2 2 钻杆移动理想速度与加速度曲线3 8 图3 2 3 钻杆移动速度曲线3 9 图3 2 4 平移液压缸工作速度曲线4 0 图4 1 回转型和平移型手指4 2 图4 2 液压双支点回转型夹持机械手机构简图4 3 图4 3 液压双支点回转型夹持机械手机构受力简图4 4 图4 4 夹持机械手手指受力分析简图4 5 图4 5 上机械手臂受力简图4 6 图4 6 机构e f g h 关于点e 力矩示意图图4 7 机构e f g h 受力简图4 7 图4 8 连杆b e 关于点b 力矩示意图4 8 图4 9 连杆b e 受力简图图4 1 0 下支架受力简图4 8 图4 1 1e 与口关系曲线4 9 图4 1 2 杆a d 受力简图4 9 图4 1 3e 与口关系曲线一5 0 图4 1 4 底部小车机架简化模型5 1 图4 1 5 底部小车应力云图5 2 图4 1 6 底部小车变形云图5 2 图4 1 7 上机械臂简化模型5 3 图4 1 8 口：2 0 。上机械臂应力云图5 4 图4 1 9 口：2 0 。上机械臂变形云图5 4 图4 2 0 口；5 5 。上机械臂应力云图一5 5 图4 2 1 口：5 5 。上机械臂变形云图5 5 图5 1 刚体绕一点的旋转( 虚线坐标系建立在旋转的刚体上) 5 8 图5 2 绕w 轴旋转形成的端点轨迹6 0 图5 3 运动学模型6 5 图6 1 液压原理图7 6 图6 2 下起钻系统接立根动作流程图一7 9 图6 3 起钻系统起立根动作流程图8 0 l 陆地钻机立梓式钻杆排放系统设计 附表索引 表3 1 钻杆移动速度方程3 9 表6 1 各类设备常用的工作压力7 4 i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 改革开放以来，我国经济高速发展，对能源的需求越来越大。由于油气资源 不足，我国也由石油出口国变为石油进口大国，年耗油气量的三分之一以上需要 进口，已经成为制约我国经济增长的“瓶颈 。钻井是石油工业的“龙头，钻井 的投资占整个石油工业上游投资的一半左右。钻井工程技术水平直接关系到石油 勘探开发的成败，决定着石油上游业务的发展潜力和竞争能力。其技术发展趋向 于信息化、自动化、智能化。 从历史上讲，石油钻井工业对新技术的采用一直较慢，其向自动化和机械化 发展的道路漫长而艰辛。一般而言，各公司都不愿率先尝试新技术，而是希望别 的公司先试用，视其效果好坏再决定是否采用。考虑到石油天然气钻井工业的高 昂成本和复杂性，谨慎行事是完全可以理解的。然而，随着钻井自动化进程的缓 慢发展，钻井承包商和各服务公司都已逐步认识到钻井自动化的潜在利益是巨大 的，这些潜在利益包括更好的安全性、更高的钻井效率、更小的风险以及整体优 化的钻井工艺。 自2 0 世纪9 0 年代初开始，世界钻井技术进入快速发展期，主要以研发成功 m w d l w d 、井下遥控可变径稳定器和自动垂直钻井系统等新技术为标志，进入了 旋转钻井的信息化、自动化、智能化新时期。钻井技术已不仅仅只是为打开和建 立油气通道，已经成为提高油气井产量、提高采收率等增储上产的新途径和主要 手段。国外石油钻机能力不断增加，自动化配套进一步完善。为适应深部、深海 油气藏和更大位移井的需要，石油钻机设备趋向大型化和自动化。高性能的机、 电、液一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。 目前自动化钻井生产中，现代钻机的进步离不开自动化，整体而言，现代钻 机在技术方面比以往任何时候都更为先进。通过广泛采用交流变频电驱动钻机、 电子司钻、p l c 控制系统、顶驱装置、铁钻工等先进设备，现代钻机不再过多的 依赖于手工操作和低效率不精确的机械化系统。先进的顶驱装置使钻机能够在起 钻时进行倒划眼作业，从而更适合于钻较长的水平井段和大位移井。铁钻工是最 先进的扭矩旋扣设备，它可以在司钻的控制下自动完成钻杆、套管等钻具的旋扣 连接工作，提高生产效率和安全性，是现代化钻井中重要的自动化设备之一。 在钻井工作中，传统的钻杆排放操作方式需要工作人员与钻杆直接接触，在 下钻工程中司钻、井台钻工、井架工要手动密切配合，稍有不慎便可能造成事故。 特别是井梁与井口之间传送钻杆立根时，需要二层台上的井架工直接用手拆移立 陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计 根，存在风险性比较大，此外钻井工作环境恶劣，因此钻井安全生产问题显得更 为突出。为了降低传统的钻井工作需要的工人劳动强度，减少井口作业人数，提 高工作效率，减轻安全隐患，因此自动排杆系统的研制开发势在必行，也是自动 化钻井未来发展的必然趋势。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 国外研究现状 国际钻井市场竞争激烈，国际知名的钻井承包商拥有先进的钻井技术，优良 的钻井装备，占有巨大的市场份额，因此要想在国际石油钻井市场中占有一席之 地，不仅要有大量的技术人才和先进的钻井技术，石油装各也是决定是否快速进 入国际钻井市场的先决条件：作为石油钻井装备的核心一石油钻机，是在国际钻 井招标中能否获胜的重要因素，因此进入国际市场的石油钻机必须具有先进的技 术和可靠的性能，满足国外石油钻井市场的要求。 2 0 世纪4 0 年代，国外开展了钻杆排放系统机械化方法的研究n 1 。6 0 年代， 自动化程度较高的钻杆排放系统开始投入商业应用。到了8 0 年代，钻杆自动排 放系统的设计和开发趋于成熟，产品也呈现出多样化和系列化的发展态势乜1 。下 面介绍几种国外生产的比较先进的自动化钻机。 1 轻型自动化钻井系统口1 英国石油公司与p h o n e xa l a s k at e c h n o l o g y 公司共同研制了一种轻型自动 化钻井系统( l a d s ) 。这种应用3 dc a d 软件设计的钻井系统不仅质量轻( 不到同等 钻深能力常规钻机质量的一半) ，而且具有度灵活性，能适应恶劣路况搬迁和在 狭窄井场进行钻井作业。另外，由于采用自动化管理，整个系统可通过计算机控 制站完成所有钻进、起下钻和钻杆排放等作业。 ( 1 ) l a d s 的结构h 1 钻井模块主要由井架底座、桅杆式井架、钻井设备和相应的拖车组成。整个 模块安装在1 6 0 个由液压控制转向的充气轮胎上；固控模块包括所有的固控设备 和6 个敞蓬不锈钢钻井液罐；井底组合( b h a ) 模块安置在钻井模块拖车旁，用于 存放、组装并操作b h a 。动力模块由发电机组、水力发电机组和高级电能控制室 组成；泵模块由3 台钻井泵、混合漏斗、水泥搅拌器等组成；大型储罐模块由6 个顶部密封的不锈钢储罐和离心泵组成。除了钻井模块拖车之外。上述其它模块 都装载在4 套由履带车改装的轨道装置上。 l a d s 的管材处理系统堪称一套集成硬件系统。系统的每个工作单元都能同 相邻的工作单元密切配合，尽可能高效地完成每个作业周期的管材处理任务。 钻机还包括以下3 个主要系统： 2 硕上学位论文 移动系统。除钻机模块拖车外，其它所有的模块都安装4 组c a t e r p i l l a r 专用履带上。履带系统采用重型钢化橡胶带，装在2 套双气动轮的外部，载荷通 过载重轮传递到履带与地面的接触面上。 管子处理系统。管子处理系统是一个综合系统，能高效率地处理8 5 1 3 7 m 直径7 3 0 - 3 3 9 7 m m 的管材。其6 个主要设备包括管材自动装拆装置、管材 传送装置、管材吊臂、铁钻工、带有自动吊卡的顶驱系统和自动卡瓦等。 自动控制系统。自动控制系统( a c s ) 是这种钻机中技术要求最高的部分， 该系统控制钻机设备的运行，并自动完成管子处理操作。通过自动控制系统，司 钻可以通过一个操作椅对整部钻机的运行进行控制。用于控制管臂及综合管子操 作系统程序的软件是专门为a c s 设计的。该钻机的自动化程度很高，在投入运行 和排除故障过程中，所有的例行程序操作都全部自动地同步进行。 ( 2 ) l a d s 的优点崎。 经过几年的研究开发，生产出的轻型自动钻机系统( l a d s ) 为阿拉斯加北坡井 提供了更好的钻机。与常规钻机相比，l a d s 具有以下优点： 自动化程度高，能为使用者提供一个更安全、更清洁的工作环境； 设计紧凑，占地面积小，能适用于窄小的井场。 l a d s 通过一个操作员工作椅可控制钻机的所有功能。其常规功能软件由现 有软件模块改编而成，用于控制管材吊臂和集成式管材处理程序的软件是根据用 户提出的应用要求而编制的。通过使用过程中软件系统的测试和修改，钻机的自 动化程度将不断提高。 2 德国b e n t e c 公司研制的自动化钻机1 德国b e n t e c 公司经过2 年的设计、策划和制造，为挪威n o r s kh y d r o 公司 建成1 座名为o s e b e r gs o r 的平台，安装在北海挪威区块o s e b e r g 油田中心以南 1 3 k m 的l o l m 深水处。这座平台重1 4 0 0 0 t ，由1 个1 2 5 m 高的钢导管架支撑。 这套钻机自动化程度高，所用钻工比标准钻机少2 0 ，钻台上配备有动力 卡瓦、鼠洞卡盘、铁钻工、转盘、振动筛、钻井液制备装置、钻机升降系统、液 缸、人货电梯、防喷器和中央水力活塞泵等。钻机自动完成水平和垂直方向钻杆 移送，移送过程受密闭钻井控制室遥控。从钻井控制室可看到整个钻台面和井架， 室内的所有主要控制装置都装在两椅的臂上，还配有闭路电视监测和控制装置， 有3 台5 0 0 m 监测器。所有钻井作业都由现代钻井控制数据采集系统( d c d a ) 来控 制和管理。 钻杆移放工序用可编程逻辑控制器( p l c ) 编程，由控制室发出指令便可执行。 软件控制着装有井架的钻井设备，保证钻井和起下钻作业能在高速状态下进行而 无设备碰撞危险，还可边钻边给立根上扣。高、低压隔水管和套管的移放也由控 制室遥控，只是套管接头用自动胶带输送到钻台面上。重型工具、短节、井下马 陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计 达和钻头等使用提升工具和铁钻工移送，无需手工操作。 3 r a d 自动化钻机 3 英国的s t r a c h a na n dh e n s h a w 公司生产的r a d 钻机是一种轻型的深井海洋 钻机，钻深能力已达到6 1 0 0 m ，载重为6 5 0 t 。自动化钻机的井架能够进行所有正 常钻井操作，特别是能够用天车施力。其最大设计载荷为4 4 1 2 1 9 9 k n ，包括升降 机、水龙头和游梁，还有绞车和死绳固定装置的载荷。井架的高度为3 5 1 0 5 m ( 1 1 5 英尺) ，足够用来处理套管和钻杆的起下钻工作。 ( 1 ) 升降机 自动化钻的升降机是用来处理轻载荷的钻柱和钻铤组合的，正常钻井中，它 能处理中8 8 9 m m ( 3 1 2 英寸) 和1 2 7 m m ( 5 英寸) 的钻杆和1 6 5 1 、2 0 3 2 、2 4 1 3 m m ( 6 1 2 、8 、9 1 2 英寸) 的钻铤，以及完井工作。对于其他管柱和重物，使用 标准的套管升降机。升降机由一个固体的外壳悬挂于动力水龙头连接。里面有8 个键由2 个液缸驱动。为了处理钻杆锥形表面和钻铤的方肩，键具有一个可伸缩 的表面。在使用之前键的选择是自动的，使用程序化逻辑控制器来控制。起重机 的下部是一个钟型套用来进行钻杆和起重机的导向和对正。 ( 2 ) 钻杆自动排放系统 r a d 自动化钻机的钻杆处理系统，整体在程序化逻辑控制器的控制之下，包 括2 个连通的子系统。钻杆处理和储存系统使用1 或2 个拖架处理钻杆架，升降 的移动由装载在起升结构顶部的钻杆架来完成。它能够处理稳定器、无磁钻铤、 震击器和转向装置。由于设计了灵活的爪子和钻杆架系统，能够进行钻杆架和爪 子的定位，并将钻杆移运到井架上。 转台被安装在大直径的无摩擦的轴承上，使起重臂能够旋转1 8 0 。该移动 由液压马达驱动进行定量控制。2 个爪子可以在起重臂上独立移动，由液压马达 驱动。每一个爪子的位置由与液压马达相连的编码器感知，以爪子移动的长度来 适应不同的管柱尺寸和位置。自动化钻机爪子的移动完全由慢速液压马达驱动。 ( 3 ) 操作系统 操作台由简单的按钮和指示器操作。在控制台上选择自动模式，司钻使自动 化钻机准备好自动化控制。在个人计算机上选择管柱，并由计算机监控其移动和 操作。由计算机确定起重机爪子的位置，根据钻杆的类型和长度，编码器确保爪 子到达适当位置时减慢速度。钻杆架的移动位置也由编码器确定。大钳由螺线管 阀和主开关来控制，脉冲编码器可确保爪子卡在正确的位置，以及在特定管柱的 相应直径处闭合。 总之，该自动化钻机使用了自动化技术及安全可控的方式，节省了人力，并 且在未来的自动化钻井中继续保持其优势。 4 n o v 公司的钻杆自动排放系统阳1 4 硕士学位论文 根据使用形式不同，n o v 公司的钻杆排放系统分为水平型、垂直型、水平2 垂直混合型3 种。 水平型钻杆自动排放系统开发最早，也最为成熟，居世界领先地位。产品从 简单的带式运输机到半自动化的钻杆排放吊，实现多样化，满足现场无人操作、 远程监控的使用要求，如图1 1 所示。 图1 1 水平型钻杆自动排放系统 垂直型钻杆自动排放系统包括柱状排放臂、多用途机械手、套管扶正装置和 单臂2 双臂机械手4 大类，结构分为x - y 轴双臂、星状排放臂和平行排放臂3 种型式，控制方式从最简单的人工操作到机器人半自动化操作，如图1 - 2 所示。 图1 2 垂直型钻杆自动排放系统 水平垂直混合型钻杆自动排放系统为进一步提高钻杆装卸的安全性和工作 效率，基于上述2 种类型，又推出了水平2 垂直混合型钻杆自动排放系统。该系 统可全方位地适应管状类钻具的排放需求，并结合整体钻井作业方法，改造海洋 钻井平台2 钻井船的结构设计，提高设备的使用效能和钻井作业速度。该系统分 为s t a n dh a n di i 、p l s 一3 、p l s 一5 和v - - d o o r m a c h i n e4 种类型。s t a n dh a n d i i 型适合的最大套管直径为2 7 3 m m ，后3 种适合的最大套管直径均为5 5 9 m m 。图 1 3 给出了几种水平2 垂直混合型钻杆排放系统。 陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计 图1 3 水平一垂直混合型钻杆自动排放系统 1 2 2 国内研究现状 钻杆自动排放系统在国外虽然有较长的研究和应用历史，目前国内在这方面 的研发方面仍然处于起步阶段。 兰州石油机械研究所、大港油田有限责任公司等科研院所或公司曾做过一些 尝试性的设计工作，但均未批量投入生产和使用。据调查，目前国内尚无一家制 造企业正式推出面向市场的钻杆自动排放系统，绝大部分石油钻采前线还是采用 比较传统的方式，使用人工进行接单杆、排立根等工作，安全性欠缺，部分海上 平台已经使用了先进的铁钻工来进行自动上扣和卸扣工作，节省了不少劳动力， 但是还没有产品实现自动排杆无人操作。 1 3 研究的目的与内容 1 3 1 研究目的 开发一种机电液一体化的钻杆自动化排放系统。该系统灵活性强、零配件更 换及保养维修方便、自动化水平较高，主要有自动化程度高、稳定性强，工作效 率高，安全程度高等优点。 钻杆自动排放系统可以实现钻杆从井口到钻台排放架( 立根盒) 之间的往复 自动化排放，执行机构在整个钻井过程中往返于井口和立根盒之间自动抓取、排 放钻杆，在起钻工程中将立根送入立根盒中等。本课题的研究目标就是提出钻杆 排放系统整体框架构想，通过计算机辅助设计进行三维建模，对系统进行运动学、 静力学分析，并对液压系统进行设计，进而完成陆地钻机钻杆自动排放系统的总 体设计。 1 3 2 研究内容 基于目前国内的情况，结合国际发展趋势设计开发的自动排杆系统，根据国 内外产品的对比分析和对国内市场的需求情况设计系统。其中涉及到的内容包括 机械本体、液压执行系统、静力学与运动学。本文具体研究内容主要包括以下几 6 硕士学位论文 个方面： ( 1 ) 分析确定钻具的移送方案，研究分析在钻进过程中对钻杆的操作动作、 时序过程，及有可能进行的分解操作动作。 ( 2 ) 根据传送方案合理设计钻杆排放系统的机械本体结构，确定其基本尺寸。 ( 3 ) 利用工程设计软件对钻杆排放系统进行三维建模，并对机械臂进行运动 学仿真。 ( 4 ) 对系统主要机构进行静力学计算，并进行有限元分析。 ( 5 ) 对钻杆排放系统中运动部件进行运动学分析，求出机构终端与机构关节 之间的位置映射关系和速度映射关系。 ( 6 ) 设计钻杆排放系统驱动系统方案，设计钻杆排放系统的液压系统原理图， 分析工作流程。 1 4 研究的意义 ( 1 ) 钻杆排放系统取缔了井架二层台排管的危险作业，有效地减轻工人劳动 强度，降低事故风险。 ( 2 ) 钻杆排放系统可以加快钻井的速度，缩短了钻井的周期，降低了钻井作 业的成本。 ( 3 ) 钻杆自动排放系统可以由一人完成井口到立根盒之间钻杆排放操作，减 少井队人员，是实现自动化钻井的必备装备。 ( 4 ) z j 5 0 d 钻机在国内很有代表性，技术已经非常成熟，使用广泛，有利于 在此基础上对自动排杆系统的推广。 1 5 本章小结 本章清楚的描述了钻杆自动排放系统的研究背景以及国内外的发展现状，提 出陆地钻机的钻杆自动排放系统，并且进一步描述了本文的研究目的与研究内容 及其研究意义。 7 陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计 2 1 引言 第2 章钻杆排放系统总体方案设计 所为设计是根据客观需要，通过人们的创造性思维，经过判断、决策，并用 各种设计模型使之定量化，将提供的资源转化为技术装备或系统以满足人类与社 会的功能要求的过程；同时也是一种优化方法的过程，在给定的条件下，对原理 方案、机构方案、总体设计、造型设计等方面谋求最优解的过程。设计的核心是 创造性，如果没有创新就不能成为设计。方案设计是设计过程的初始阶段，其目 标是获得产品的基本形式。它主要包括功能设计、参数分析、布局设计、结构设 计四部分，如图2 1 所示。 本章首先对产品的方案设计进行概述，然后在陆地钻机自动化钻井需求分析 的基础上，对钻杆自动排放系统进行初步的方案设计，确定钻杆自动传送系统的 功能、原理、布局、形状及结构。 方案设计的各个环节紧密相连，在设计过程中互相依赖，互为驱动。这几部 分虽存在一定的阶段性和相互独立性，但在实际的设计过程中，由于设计类型的 不同，往往具有侧重性，而且互相依赖，相互影响。方案设计是一个相当复杂的 过程，因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作， 同时还要富有创新性，是产品整个设计过程中一个非常重要的阶段。这一阶段的 工作高度地体现了设计的艺术性、创造性、综合性以及设计者的经验。实践表明， 一旦设计方案被确定，产品设计的6 0 - - 7 0 也就被确定了：然而，方案设计阶段 所花费的成本和时间在总的开发成本和设计周期中占的比例通常都在2 0 以下 【9 1 。 图2 1 方案设计的内容 2 2 总体功能分析 钻杆排放系统的设计可以作为陆地钻机井1 ：3 机械自动化设备之一，在起钻、 8 硕上学位论文 下钻作业过程中实现了对钻杆、钻铤等钻具的夹持、提升、下方和平移等操作， 实现钻井过程中井口到排放架之间钻杆排放的自动化操作，避免人与钻杆的直接 接触，并可加快起下钻速度，对降低钻井作业成本、提高作业安全性发挥了重要 作用。 钻杆排放系统完成的功能如下： ( 1 ) 钻具排放：以立根为单位，起钻时系统将立根从井口上方移送到立根盒 的指定位置，下钻时将立根从立根盒指定位置移送到井口上方。 ( 2 ) 离线接立根：与钻杆自动提送系统配合完成离线单根接成立根操作。 钻杆排放系统将立根在井口与立根盒移送的过程中，吊卡可以同步正常工 作，进行起下钻具。 2 3 装备主要参数 本钻杆自动排放系统的基本参数根据z j 5 0 d 陆地钻机原型参数具体设计，排 放系统具体尺寸将在后续章节中介绍： 名义钻深范围1 2 7 r a m 钻杆3 5 0 0 5 0 0 0 m 钻台高度 9 m 钻台面积 1 2 m 1 0 3 1 m 井架型式及有效高度“k 型，4 5 m 二层台安装高度 2 3 5 m2 4 5 m 2 5 5 m2 6 5 m 二层台立根容量( 1 2 7 m m 钻杆，2 8 m 立根)5 0 0 0 m ( 1 8 0 柱) 最大钻柱重量 1 6 0 0 k n 最大静载荷 3 1 5 0 k n 最大钩载 3 1 5 0 k n 根据a p i 标准( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) ，初步设定自动排放系统能 够操作处理的钻杆尺寸参数如下： 钻杆立根，长度2 8 m ，直径6 6 0 4 m m 至1 6 8 2 7 5 m m ，重量2 0 2 k g 至1 0 5 0 k g 。 钻挺立根，长度2 8 m ，直径8 8 9 m m 至2 5 4 m m ，重量11 2 5 k g 至1 0 1 2 5 k g 。 因此，系统操作的立根的长度为2 8 m ，直径范围6 6 0 4 m m 至2 5 4 m m ，重量 2 0 2 k g 至1 0 1 2 5 k g 。 2 4 钻具排放系统的布局方案设计 2 4 1 陆地钻机结构系统、功能分析n 们 陆地钻机的工作系统比较庞大，各机组的工作状况和工作特点各不相同，因 而，人们按照钻机工作机组的工作特点，把钻机的工作系统分成三部分，即旋转 9 陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计 系统、提升系统和循环系统。另外，还把钻机底座单独列为一个系统。这样，整 套钻机就是由下述八大系统设备组成。钻机总体的组成示意图和钻机总体平面布 置图分别如图2 2 和图2 3 所示。 1 旋转系统设备及工具 其主要作用是转动井中钻具，带动钻头破碎岩石。它主要由转盘、水龙头、 项部驱动钻井装置、钻杆柱及钻头组成。另外，钻杆柱和钻头也起着循环高压钻 井液的作用。转盘和顶驱设备是旋转系统的核心，是钻机的三大工作机组的核心。 2 循环系统设备及工具 其主要作用是强迫钻井液的循环，及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁以及 向螺杆钻具、涡轮钻具提供高压动力液。它主要由钻井泵、地面高压管汇、钻井 液固控设备和调配装置等组成。钻井泵是循环系统的核心，是钻机的三大工作机 之一。 3 提升系统设备及工具 其主要作用是起下钻具、下套管、控制钻压及钻头送进等。它主要由绞车、 辅助刹车、天车、游动滑车、大钩、钢丝绳、动力大钳、吊环、吊卡、卡瓦、立 根移运机构等组成。绞车是提升系统的核心，是钻机的三大工作机之一。 4 动力驱动系统设备 其主要作用是为整套机组提供能量。它主要由柴油机、交直流电动机及其供 电、保护、控制设备等组成。 5 传动系统设备它主要由柴油机、交直流电动机及其供电、保护、控其主 要作用是连接动力机与丁作机，实现能量的传递、分配及运动形式的转换。它主 要由减速、变速、并车、倒车机构、电气传动装置等组成。 6 控制系统和监测显示仪表 其主要作用是指挥、控制各机组协调地进行工作，监侧显示地面有关系统设 备的工作状况，测量井下参数，实现井眼轨迹控制。常用的有机械控制、气控制、 电控制、液控制以及电、气、液混合控制。 7 钻机底座 其主要作用是安装井架、转盘、绞车、司钻控制台( 房) 、放置立根盒、井口 工具、容纳井口装置以及安装动力机组、传动系统设备等。它主要有钻台底座和 机房底座( 机械传动钻机) 组成。 1 0 硕士学位论文 图2 2 钻机总体的组成示意图 卜天车：2 一安全绳；3 一钻井钢丝绳；4 一二层平台；5 一游车；6 一项驱；7 一并架；8 一钻具： 9 一偏房；1 0 一防喷器；1 1 一水罐；1 2 - 电缆桥架；1 3 一发电机组；1 4 一燃油罐；1 5 一电控房； 1 6 一钻井泵：1 7 一重晶石粉罐：1 8 一钻井液罐；1 9 - 钻井液池；2 0 一液气分离路；2 1 一振动筛； 2 2 - 节流管汇；2 3 - 坡道；2 4 一管子排放架；2 5 一蓄能器 陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计 ( a ) 正视图 镑力电控设餐缓潮水簟毽 ( b ) 俯视图 图2 3 钻机总体平面布置图 8 辅助设各 其主要作用是完成必要的辅助工作，主要由供气设备、辅助发电设备、井口 防喷设备、钻鼠洞设备、辅助起重设备以及在寒冷地带钻井时配备的保温设备等。 1 2 硕士学位论文 2 4 2 初定排放架的结构 钻杆排放通常通过钻台排放架( 立根盒) 实现，用于存储立根。排放架 的分类根据排放架指梁的形式可以分为星型、x - y 型和平行型n ，如图2 4 所示。 i iiii i iiii1 ，r ( a ) 星型排放架( b ) x y 型排放架c c ) 平行型排放架 图2 4 排放架的典型结构 星型结构中，每一个立根不需要独立的固定装置，结构上较为简单，星型结 构为钻具排放系统中最早采用的结构形式，多安放在小型钻机上。在该系统中， 液压作为原动力，驱动排放架的转动进而实现钻杆的转动，旋转排放架配合立柱 式排放机械手便可完成钻杆的排放，不需要单独设计行走轨道，节省了操作空间。 x y 型和平行型结构中，每一个立根的都需要单独的固定装置，所以结构上 非常的复杂，立根的固定可以采用液压驱动装置，有些则使用气动固定装置。这 两种结构形式的排放架均需要固定安装到钻台上，被大部分大中型钻机采纳使 用，可以存放相对较多的钻杆和钻铤等钻具。本文初步设计采用平行型钻杆排放 架。 2 4 3 钻杆自动排放系统的布局设计 1 自动化钻机整体布局 钻杆自动排放系统属于陆地钻机钻具处理系统的一部分，钻具处理系统由钻 杆自动提送系统、钻杆排放系统、顶驱、铁钻工等组成，它们分别位于钻机的不 同区域既各自分工又相互配合完成起下钻工作。本文仅研究钻杆自动排放系统部 分，对钻杆自动提送系统作简要介绍。 结合陆地钻机的结构形式设定合理的钻台排放系