（机械电子工程专业论文）钻井平台钻杆自动排放控制系统研究.pdf

摘要 钻杆的自动排放是实现自动化钻井的重要组成部分，本文结合课题组自行设计的 钻杆自动排放系统的机械结构，分析其机构特点，以液压驱动作为动力，应用p l c 和 p r o f i b u s 现场总线技术，对实现钻杆排放的自动化控制进行了研究。 目前用于工业控制的自动化系统和通信协议众多，在比较了它们各自的控制功能 优缺点后，选择了西门子p l c 和现场总线中的p r o f i b u s d p 总线实现对钻杆排放的自 动控制，同时结合目前通讯技术的发展，设计钻杆排放过程的监控和操作界面，实现 整个控制过程的集中管理，并阐述了p r o f i b u s 总线良好的可扩展性。 本文首先对总体方案及各机构的组成进行介绍，并设计了控制系统的液压回路， 阐述了各机构的功能和动作要求，将其分解、整合，以完成在起钻、下钻和离线接立 根等过程中的钻杆操作的动作流程。 然后利用西门子软件s t e p 7 对控制系统进行组态，利用c p u 3 1 5 - 2 d p 作为 p r o f i b u s d p 总线的主站，用e t 2 0 0 m 作为总线的从站等，完成对现场总线各硬件的组 态和通讯处理。将每个操作过程分为手动、单步、单周期和连续四个控制模式，以满 足操作过程中的不同需求。对主站进行程序设计，实现动作的控制。并对机构运动中 有速度要求和同步要求的部分提出并设计了p i d 控制和模糊控制的方案。 采用西门子的监控软件w i n c c 和w i n c cf l e x i b l e 分别组态设计上位机监控系统和 触摸屏控制界面，并对报警信号及信息归档处理进行设计，以便于监控和操作人员对 整个系统运行情况的掌握从而做出正确的判断。 最后对系统的抗干扰能力进行了初步研究，提出了几条提高抗干扰能力的措施。 关键词t 钻杆自动排放，液压回路，p l c ，p r o f i b u s d p ，监控 c o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ho fp i p er a c k i n gs y s t e m f o rt h ed r i l l i n gp l a t f o r m d o n g l e i ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c u ix u e z h e n g a b s t r a c t p i p e h a n d i n gi sav e r yi m p o r t a n to p e r a t i o ni nt h ed r i l l i n gp r o c e s s b a s e do nt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e so fp i p er a c k i n ga n dt r a n s f e rs y s t e m sd e s i g n e db yo u rt e a m ，t h i st h e s i s a n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r e sa n ds e l e c t e dh y d r a u l i cs y s t e ma st h ep o w e r , a n da p p l i e dp l ca n dp r o f i b u st ot h ec o n t r o ls y s t e m n o wt h e r ea r el o t so fa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m sa n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l si nt h e i n d u s t r yc o n t r o la r e a t h i st h e s i sc h o s es i e m e n sp l ca n dp r o f i b u s d pa f t e rc o m p a r i n gt h e c o n t r o lf u n c t i o n so ff o u rs y s t e m sa n dp r o t o c o l s a n dd e s i g n e dt h es u p e r v i s i o na n do p e r a t i o n i n t e r f a c eb a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c hc a ni m p l e m e n t e dc e n t r a l i z e d c o n t r o la n dm a n a g e i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sr e c o u n t e dt h ee x p a n d a b i l i t yo fp r o f i b u s n e t w o r k f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa n dd e s i g n e dt h eh y d r a u l i cs y s t e m s t h e ni ti n t r o d u c e dt h ef u n c t i o n sa n dt h ea c t i o nr e q u i r e m e n t so fe v e r ym e c h a n i s m ，a n dm a d e t h es e q u e n c e so ft h eo p e r a t i o n s t h e ni tc o n f i g u r e dt h ev i r t u a lh a r d w a r e so fc o n t r o ls y s t e mu s i n gs t e p 7 ，c h o s et h e c p u 315 2 d pa st h em a s t e ra n ds e v e r a le t 2 0 0 m sa st h es l a v e r s a n de x p o u n d e dt h e c o m m u n i c a t i o nr u l e s t h ep i p eh a n d i n gs y s t e mc a nw o r ki nf o u rm o d e s ：m a n u a l ， s i n g l e s t e p ，s i n g l e c y c l ea n dc o n t i n u o u st os a t i s f yt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fo p e r a t i o n i n o r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs p e e da n ds y n c h r o n i z a t i o n ，t h i st h e s i sd e s i g n e dac o n t r o l p r o g r a mb a s e do np i da n df u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y i td e s i g n e dr e s p e c t i v e l yt h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fi p ca n dt h eo p e r a t i o ni n t e r f a c e o ft o u c hp a n e lw i t hw i n c c 6a n dw i n c cf l e x i b l es o f l w a r e s t h i sc a n h e l pt h eo p e r a t i n g p e r s o n n e l st om a k et h ec o r r e c td e c i s i o n sa n dc a ns t o r et h ei m p o r t a n tw o r k i n gp a r a m e t e r si n t h ei p ca n dp r o v i d ea ne f f i c i e n tw a yt ob a c k u pc r i t i c a ld a t a f i n a l l y , r e s e a r c h e dt h ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dp r e s e n t e d s e v e r a lm e t h o d st oi m p r o v ei t k e y w o r d s ：p i p eh a n d i n gs y s t e m ，h y d r a u l i cc i r c u i t ，p l c ，p r o f i b u s d p ，m o n i t o r i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 躲童l 一睨沙严钿乡日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部 门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论 文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名耋之 指导教师签名： 嗍峰臼岁日 日期：剀口产bn 多日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题的来源 第一章前言 我国海洋油气资源丰富，据权威部门估计，南海油气储量约为5 0 0 多亿吨，开采前 景广阔，被誉为第二个“中东 。周边国家争相开采南海油气资源，使我国资源被掠夺， 两我国在南海深水海域油气开发基本处于空白。重要原因之一是目前我国深海油气勘探 开发仍处于初始阶段，勘探开发作业仅在5 0 0 米水深之内，尚不拥有实施深水油气勘探 开发的技术和装备，而国外深海油气勘探开发作业水深已达到3 0 0 0 多米【1 1 。 国家“8 6 3 计划 海洋技术领域重大项目课题“深水半潜式钻井船设计与建造关键 技术正是针对这一问题，通过深水半潜式钻井平台设计与建造的关键技术研究，掌握 深水半潜式钻井平台核心技术，为建成适用于我国南部海域环境的新型深水半潜式钻井 平台提供技术支撑。 深水半潜式钻井平台关键技术研究的重点之一是钻井系统集成设计和重要设备国产 化，平台钻井系统国产化要实现的目标之一就是管具处理系统研制。由于钻井平台空间 限制以及工作环境恶劣，管具排放、定位移运等作业的自动化、智能化及网络化管理相 对于陆地钻机凸显其重要性和必要性。结合目前系统集成技术的发展方向，确定了本课 题的研究方向。应用p l c 和p r o f i b u s 现场总线技术实现对钻杆自动操作系统及其他设备 的集中控制和管理是本课题的研究重点。 1 1 2 课题的研究意义 在钻井过程中，需要将钻杆从平台甲板传送到钻台，并且随着井眼深度的增加，需 要不断地将钻杆接到钻柱上，使钻进过程持续进行。为了更换钻头和在钻柱底部安装测 试或其他设备，需频繁地将钻柱从井眼中提出来，安装完新钻头或者其他工具后，需要 将钻杆下放入井眼中。上述过程中伴随着频繁的钻杆排放操作，这是一个重复性高且劳 动强度大的过程。 传统的立根排放系统对下钻时将立根从立根盒中取出移送到井口和起钻时将立根从 井1 2 移送到立根盒并排放好的操作实现了机械化，这些系统能在一定程度上减少起下钻 第一章前言 过程所需人员。本课题的目的在于设计钻杆自动排放的控制系统，实现在钻井过程中钻 杆的排放自动化，节省人力，提高安全性。 实现钻杆自动排放主要有以下几个方面的意义： ( 1 ) 钻杆排放是对钻井工人来说是一项极其危险的工作，实现钻杆的自动排放可提 高钻井过程中的安全性。 ( 2 ) 钻杆自动排放可减少起下钻时间，缩短钻井周期。 ( 3 ) 钻杆自动排放可减轻钻井工人的劳动强度，减少钻井工人的数量。 ( 4 ) 可减少钻具的损坏。 ( 5 ) 钻杆自动排放是全自动化钻井系统中必要组成部分。 1 2 国内外的研究现状 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，不仪要有 大量的技术人才和先进的钻井技术，石油装备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 1 。下面的几种国外先进的自动化钻机都配备了钻杆的自动操作系统， 在此主要介绍其钻杆操作系统部分的现状。 1 轻型自动化钻井系统 3 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仪质量轻( 小于与其钻深能力相当 的常规钻机质量的1 2 ) ，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【4 】 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 2 中国自油大学( 华东) 硕士学位论文 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t 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 个丰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【5 】 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 c c 公司研制的自动化钻机【6 】 3 第一章前言 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 i n 的1 0 1 m 深 水处。这座平台重1 4 0 0 0 t ，由1 个1 2 5m 高的钢导管架支撑。该钻机配备有动力卡瓦、 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。 这套钻机自动化程度高，所用钻工比标准钻机少2 0 。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i 7 j 英国的s t r a c h a na n dh e n s h a w 公司牛产的r a d 钻机是一种轻型的深并海洋钻机，钻 深能力已达到6 1 0 0 m ，载重为6 5 0 t 。 r a d 自动化钻机配备有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 9m 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。 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 在起升结构项部的钻杆架来完成。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 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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 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。 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 m a r i t i m eh y d r a u l i c s 公司可编程管子处理系统【8 ，9 】 m a r i t i m eh y d r a u l i c s 公司的第一套可编程管子处理系统己在挪威海上钻井平台上使 用。操作该系统时，司钻可以预先依次将起下钻操作步骤程序化，不需要分别操作绞车、 顶驱、管子处理装置和卡瓦。钻台上除司钻操作室内的司钻外，不需要其它操作者。该 系统总称为可配置自动钻井系统( c a d s ) ，根据承包商和操作者的要求，该公司可将各 种操作程序化。系统除有一套可编程管子处理系统外，还包括一套先进的防碰系统，用 来防止操作间的相互干扰。另外还有一套自动e t a l l y 测量和记录系统，用以计算和记 录井中起下的钻具。它可以记录钻具的型号、尺寸以及起下次数和上卸扣扭矩的大小， 还可记录钻具在整个井下钻柱中的位置和起钻后在立根盒上的排放位置。司钻和副司钻 的电脑操作椅是一样的，如果其中一个发生故障，另外一个仍可以进行操作。在司钻操 作室内，触摸屏代替了按钮和开关。同时配备有手动操作的备用系统。所有操作都是经 过优化的，由于司钻不需要手动控制操作，大大减少了起下钻时间，每小时可以起下5 5 柱立根。 目前，在钻杆排放系统方面技术比较先进的公司主要有美国v a r c o 公司和挪威a k e r k v a e r n e rm h 公司。美国v a r c o 公司研制了一系列的钻杆传送系统，包括p l s 3 5 、p t c l ， 等，可以用来传送钻杆、钻铤和套管单根及立根，传送管子的直径范围为j i n 2 0 i n 。 另外，v a r c o 公司还研制了适用于绝大多数现有钻机的钻杆排放系统v a r c oc o m p a c t 5 第一章前言 r a c k e r ( v c r ) 。挪威a k e rk v a e m e rm h 公司的管子传送和处理装置丰要有龙门起重机、 折臂起重机、管子输送机、桥式起重系统和钻台操纵臂等装置。 经过多年的发展，钻杆排放系统主要经历了l a y - d o w nr a c k e r 、p i p e m a s t e r 、p l s 1 、 j a v e l i n 、p l s 3 、p l s 4 、p h s 1 等形式【1 0 14 1 。 1 2 2 国内研究现状 国内对钻杆自动传送系统的研究和应用相对较少，兰州石油机械研究所、宝鸡石油 机械厂、大港油田集团有限责任公司等一些单位做过一些设计和研究。钻杆的上钻台方 式，国内多年来一直采用电动或气动小绞车吊上，而钻杆的下钻台则一直采用钢丝绳甩 下。 上世纪九十年代，在中原引进的2 0 0 0 m 液压钻机上使用液压钻杆举升装置，其分为 两部分：一部分为钻杆抓取机构，两套由单液压缸和双活动钳组成的装置分别安装于举 升平台的前后端；第二部分为举升装置，双液压缸推动箱型举升平台旋转，送钻杆上钻 台。与其它液压钻杆举送装置相比，其钻杆抓紧装置可1 8 0 。旋转为其最大的特点。由于 举送装置其绕一点旋转上台，限制了实用的钻台面的高度，其配套钻机的钻台面高度在 3 m 左右。 大港油田集团责任有限公司设计了一种钻柱输送装置，用于石油钻井中输送钻柱上 下钻台。该装置由管架、输送槽和钻台坡道构成，管架布置在正对钻台斜坡的平面上， 其特征在于管架的平坡道设有输送槽，在输送槽远离坡道一端的底部有摆臂，输送槽的 另一端有滚轮。利用液压动力，把管架上的管柱，通过输送槽输送到钻台的小鼠洞附近， 同样也可以将钻台上的管柱送回管架上。 宝鸡石油机械厂设计一种钻具自动输送装置，它中间为一长槽的中间管架，四足可 调排管架一端由铰链与中间管架两侧对称连接，另一端各装一液压千斤顶，传送机械手 装在中间排管架中间的长槽中部。宝鸡石油机械厂的g w - m 1 0 0 0 钻机配备了液压控制 钻杆盒、钻杆自动排放系统、井口机械化工具等钻杆自动处理工具。 宝鸡石油机械有限责任公司与挪威a k e rk v a e m e rm h 公司组建北京宝石m h 海洋 石油工程技术有限责任公司，该公司致力于海洋钻井平台、钻井模块和钻井设备的系统 工程设计，海洋钻井平台设备的零部件生产制造，提供海洋钻井平台、钻井模块和设备 的技术服务及咨询。该公司的钻机管子处理系统处于世界领先地位。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 在大连船舶重工为中海油服建造的海洋石油9 4 1 自升式钻井平台上，钻井自动化工 具得到了成功应用，它利用了折臂起重机、排管机、铁钻工等来实现钻杆的起、卸、排 等机械化操作。 1 3 本课题的研究内容及研究目标 实现钻杆和套管从甲板到井架的自动化传送，实现在起下钻过程中钻杆的提升、接 立根、下放、排放等的自动化过程。 ( 1 ) 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 ) 设计钻杆排放系统的液压回路，选择合适的执行元件 ( 3 ) 研究实现基于p r o f i b u s 总线的控制系统，组态p r o f i b u s d p 总线站点，并对其通 信处理过程进行研究，实现主从站之间的通信，使系统稳定高效的运行。 ( 4 ) 选择合适的可编程控制器，利用西门子公司的编程软件s t e p 7 对钻杆排放系统的 动作控制进行编程。 ( 5 ) 通过组态软件w i n c c ，建立友好的人机交互界面，将钻杆排放的各个动作状态以 图形和标识灯等形式呈现在操作者面前，使操作者便于观察运动状态，可以根据面板的 情况判断有无故障，并做出及时的处理。 7 筇= 镕杆排放的机械结掏和漓j l 、系统设计 第二章钻杆排放的机械结构和液压系统设计 术章将详细介绍钻杆排放系统的机械结构和液压系统。术系统的的机械结构和折臂 起重机的液压系统由另外两名研究生完成，本文根据系统的设计目的、设计原则和工作 流程等，对p r s 和p l s 的液压系统进行了设计。 2 1 钻杆自动排放系统的机械结构 钻杆自动排放系统麻该具有以f 功能：( 1 ) 实现铺杆在甲板排放架与钻台之间的自动 传送；( 2 ) 实现钻杆在井口与钻台排放架之间的自动移送；( 3 ) 配合铁钻工、动力鼠洞实 现钻杆接立根：( 4 ) 配合项驱系统和铁钻工实现自动起下钻过程：( 5 ) 其柠制系统有友好 的人机界商，便于操作控制。该系统从功能r 可分为葡个部分：1 、折臂超重机；2 、钻 杆传送机i3 、甜1 杆自动上下钻台系统p l s ( p i c k u p l a y - d o w ns y s t e m ) ：4 、排管机p r s ( p i p e r a c k i n g rs y s t e m ) ；5 、钻台排放架。其在双井架钻井、r 台上的布局如图2 - 1 所示。 圈2 - 1 钻台布局图 f f 9 2 l l a y o u t o f d r i l l i n g f l o o r 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 下面将上述五个部分分别进行阐述。 2 1 1 折臂起重机 折臂起重机由回转支承、旋转塔身、主臂、折臂、伸缩臂、末端夹持器、回转机构、 变幅机构、折臂机构、伸缩机构、驱动系统、控制装置、安全装置组成，如图2 - 2 所示。 圈2 - 2 折臂起重机 f 蜒2 - 2 k n u c k l eb mc f a l m e 1 基座；2 _ 回转机构；3 _ 一旋转塔身；仁主臂；娜幅液压缸：6 _ _ 折臂液压缸； 7 折臂：蝴缩臂；9 夹持器摆动油缸：1 0 夹持器旋转马达；1 l 一束端夹持器 折臂起重机的臂架由主臂、折臂和伸缩臂组成，都是由钢板和角钢焊接而成的箱体 结构，并且箱体内部设有加强筋。主臂上面装有折臂液压缸等装置，主臂铰接于旋转塔 身，由变幅液压缸支撑于旋转塔身上。折臂一端与主臂铰接并由折臂液压缸支撑于主臂 上，另一端与伸缩臂相连，伸缩机构安装于其内部。伸缩臂一端由伸缩液压缸连接于折 臂内，另一端与末端夹持器铰接。 回转机构的回转支承内圈与其上部的旋转塔身、外圈与其下部的回转支座分别用高 强度螺栓连接。回转支承由经过淬火处理的内、外滚道和交叉安装的滚柱体组成，可承 9 第二章怙秆捧放的机械结构目渍压系鲢设计 受折臂起重机工作时产生的垂向力、水平力、以及倾覆力矩。内圈内孔加工有内齿，与 安装在回转支座上的回转减速机的输出小齿轮啮合以实现折臂起重机的旋转运动。 末端夹持器是用来抓取钻杆的装置，它主要由回转机构和夹持手爪两部分组成，通 过回转机构末端的连接叉和末端夹持器摆动液压缸连接于折臂起重机的臂架上。回转机 构由液压马达驱动作旋转运动，夹持手爪为两支点回转型连杆式手爪，由液压缸驱动来 实现手爪的开台运动。回转机构和夹持手爪由连接销和拉杆连接，以方便更换夹持手爪。 在折臂起重机的整个工作过程中，末端夹持器始终处于竖直状态，其摆动通过液压缸来 控制。 2 1 2 钻杆传送机 田7 - 3 钻杆传送机 f i 9 3 - 3h 肿a t 帆m m a c i l l n e l 一梭车及驱动机构；2 翻转机构：3 传送机本体；4 起升机构 5 分离机构：6 一导轨：卜支架 钻杆传送机用于钻杆由甲板到钻台之问钻杆的水平传送，主要由钻杆输送机本体、 中国石油大学( 华东) 硕- 上学位论文 支架、导轨、滚轮、梭车、翻转机构、分离机构、端部起升机构、驱动系统、控制系统 等组成，结构如图2 3 所示。钻杆传送机支架前端铰接于钻台上，后端有卡箍固定于甲 板钻杆排放架上。钻杆输送机支架上装有导轨，在液压缸驱动下钻杆输送机沿导轨往返 运行来传送钻杆。钻杆输送机上面安装翻转机构、分离机构、端部起升机构等装置。该 钻杆输送机一次最多可输送4 根钻杆。 梭车是用来推动钻杆在v 槽内往返运动的机构，由液压马达通过蜗杆减速器来驱动 两侧的链轮转动，链轮驱动连接在梭车上的链条运动，从而实现梭车往返运动。翻转机 构是使钻杆从v 槽内滚出的机构，由液压缸驱动。分离机构是为将钻杆每次一根送入v 槽的而设计的。它由液压缸驱动推杆转动，推杆推动钻杆在坡面上滚动，通过控制液压 缸的行程来实现所要求的功能。端部起升机构是为了在p l s 抓取钻杆是方便抓取和反向 传送钻杆时能顺利回到v 槽内而设计的，钻杆传送机在液压缸的驱动下沿轨道运行，此 时辊子也沿轨道前进，当辊子接触到挡块时，它将停止前进，此时在液压缸的推动下支 撑杆将以辊子轴线为中心旋转，从而使钻杆传送机前端上升。当液压缸驱动钻杆传送机 反向运动时，此过程相反。 2 1 3 钻杆自动上下钻台系统p l s ( p i c k u p l a y d o w ns y s t e m ) p l s 系统总体示意图如图2 - 4 所示。p l s 系统为钻杆单根上钻台的自动化操作系统， 可以将猫道上的钻杆由水平方向提升至竖直方向，也可将钻杆由竖直方向放至水平方 向，显著地提高钻台上的安全与效率。该系统与猫道、动力辅助鼠洞、井口位于一条直 线。与钻台上的钻杆传输系统配合使用，可以完成单根上钻台和单根接成立根操作( 本 文中以下简称为接立根，该接立根操作与钻井过程中钻柱接立根操作意义完全不同) ， 而不需要借助起升系统。并且单根接成立根的操作可以离线完成，而不影响钻进过程。 第= 章钻扦捧放的机槭结构和蕞幕皖设计 圈2 _ 4p l s 系统 e 龟p - 4p i d m p l a y d o w ns y s te m p l s 立柱：2 _ 提升臂支架：3 提升液压缸：4 一摆动渡压缸； ，一缩液压缸：6 - - 夹持机构 p l s 系统由提升臂、立柱、伸缩臂、夹持手爪组成。通过提升液压缸( 共两个) 的 伸缩来实现提升臂的上升和下降。摆动液压缸的伸缩实现提升臂的上摆与下摆，使得提 升臂到达水平位和竖直位。伸缩臂的伸出与缩回是通过伸缩液压缸来实现的。伸缩臂与 夹持手爪相连，夹持手爪的抓紧与橙开原理与p r s 的引导臂夹持手爪原理类似。 2 1 4 排管机p r $ ( p i p er a c k i n gs y s t e m ) 捧管机可以使人不需要与钻杆的直接接触来完成在井口与排放架之间移动钻杆立 根，由此来完成整个起下钻过程。如图2 - 5 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 5p r s 系统 f i 9 2 - 5p i p er a c k i n gs y s t e m 1 一顶部导轨；2 一p r s 立柱；3 一举升机构；4 一扶正机构； 5 一底部导轨：6 一顶部小车；7 一底部小车 排管机具有柱形结构，立柱顶端和底端各有一个小车。项部和底部小车利用液压马 达，通过一系列蜗轮蜗杆和齿轮齿条传动使其沿轨道移动，底部小车的液压缸和活塞杆 机构可以使立柱旋转1 8 0 0 ，带动两个手臂朝向不同的方向。 安装于立柱上的举升臂上下支架利用液压马达通过齿轮齿条传动，可以沿立柱上下 移动，从而提升或者下放钻杆。当举升臂的下支架被其锁紧机构固定相对立柱不动时， 上支架由液压缸驱动沿立柱上下移动，可以使其夹持机构远离或者靠近立柱，并且只有 在下支架锁定的情况下，上支架液压缸才能工作。举升臂采用两个平行四边形机构保证 钻杆立根始终处于垂直位置。其结构如图2 - 6 所示。 1 3 第二章牯杆捧放的机槭结构目液幕统设计 i i 芋 田2 - 6 举升臂 f i r 2 + 6m g n n l 一举升臂上支架：2 _ 1 十缩油缸：3 一举升臂下支架； 4 液压马选：5 锁紧机构：6 一夹持机构 举升臂夹持机构，该机构沿竖直轴线方向可以分为三部分，项部不用来夹持钻杆而 只是起限位作用。中部可以在夹持钻杆的同时允许其沿竖直轴线旋转。底部在夹持钻杆 的同时不允许其旋转。上述三个部分都是由液压缸的伸缩来实现其功能。其结构如图2 - 7 所示。 引导臂支架靠近立柱底端，相对立柱不动。它同样采用平行四边形机构保证钻杆始 终处于竖直位置。它通过液压缸驱动活塞杆的伸缩来使得其夹持机构远离或者靠近立 柱。其机构如图2 - 8 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 圈2 - 7 举开臂夹持机构 f 1 9 7g r i p p i n g j a w o f h o i s t i i r l b 1 夹持机构顶部 2 _ 一夹持机构中部：卜夹持机构底部 图2 - 8 引导瞢 f i 9 2 - 8g u i d e a r m l 一引导臂夹持机构：2 一十缩液压缸；3 引导臂支架 引导臂夹持机构( 如图2 - 9 所示) 可以夹持钻杆，并且不允许其旋转，通过两个销 钉和引导臂连接，防止在举升臂的抓紧机构抓住钻杆立根时下端摆动。该机构只是用来 防止钻杆底部的摆动，而不支撑钻杆重量。它通过液压缸驱动活塞杆的往复来使得两个 手爪张开或者抓紧。 1 5 第= 章钻杆捧放的帆槭结构和蕞压幂境设计 圈2 - 9 引导臂夹持机构 1 2 - 9g r i p p i n g j a wo f 舯i d e m 卜一央持液压缸；2 销钉 2 i 5 排放架 排放架结构如图2 1 0 所示，我们定义横向为行，纵向为列。相邻两个指粱间形成一 个沟槽，立根存放于沟槽中。每个指粱存在一系列的锁紧机构，每套锁紧机构锁定对应 位置的立根。 圈2 - 1 0 捧放槊 l u n 9 2 - 1 0r a e l c b m g b o a r d 一挡板：2 气胎离合器；3 一液压马达 1 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 锁紧机构由挡板、气胎离合器和液压马达组成。当钻杆放到排放架中合适的位置后， 相应位置的气胎离合器进气，气胎径向抱紧挡板端部的外圆柱面，离合器结合，液压马 达驱动轴转动，则挡板随轴旋转而锁定钻杆位置。当离合器释放压缩空气后，气胎收缩， 离合器脱开，液压马达的转动不会改变挡板的状态。 2 2 钻杆自动排放系统的液压系统设计 2 2 1 驱动系统的选择 钻杆自动排放系统的动力源是为运动臂、手爪、梭车、马达等运动机构提供动力的 装置。按动力源的不同，常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电力驱动三种基 本类型。根据需要也可以由这三种基本类型组成复合式的驱动系统。三种驱动系统的特 点见表2 1 所示【1 5 , 1 6 】。与一般工业生产设备相比，海洋钻井设备往往具有工作环境恶劣、 高速重载、可靠性要求较高、维护条件差并受重量和安装空间限制等工况特点。液压技 术由于具有功率重量大、配置柔性大、动力传输和控制方便等技术优势，因而在石油行 业中被广泛应用。 表2 - 1 驱动系统特点比较 t a b l e 2 - 1f e a t u r ec o m p a r i s o no fd r i v i n gs y s t e m 驱动系统 类型 液压驱动系统气动驱动系统电动驱动系统 功率 不太受限制 有限制 有限制 快速响应很高较高高 结构适当，执行机 电机易于标准化，结构性 驱 构可做成独立结 结构适当，执行机构可做成 能好，但电机后面一般需 动 结构构，易于标准化，独立，易于标准化，容易实 系 性能容易实现直接驱现直接驱动。密封问题不像 要配置精密减速器，除特 统殊电机外，难于进行直接 特 动。密封问题显得液压系统显得突出。 驱动。 性 重要。 防爆性能好，用液 压油作为传动介防爆性能高，高于1 0 个大气 设备本身无爆炸和火灾危 安全性险。直流有刷电机对环境 质，在一定条件下压应注意有爆破危险。 有火灾危险。 的防爆性能较差。 1 7 第二章钻杆排放的机械结构和液压系统设计 表2 - 1 驱动系统特点比较( 续) t a b l e 2 1f e a t u r ec o m p a r i s o no fd r i v i n gs y s t e m ( c o n t i n u e ) 速度调节装置、配 控制 流元件、制动装置 速度调节装置、配流元件、 结构简单，控制的灵活性 的结构简单，能将 制动装置的结构简单，一般 能力 要求有专门的制动装置；速 强。速度、位置可控制到 速度、位置控制到 度、位置控制到精确困难。 精确值。 精确值。 安装要求高，要特 安装 别注意泄露。因为安装要求随传动方式不同 要求液压源设备占地 安装要求不高。 而异。 面积较大。 维护 要求水平较高的 要求中等水平的维护人员定要求水平较高的维护人员 维护人员定期维 要求期维护。定期检查维修。 护。 鉴于液压系统的优点，钻杆自动排放系统采用液压驱动的方式。该系统大致分为两 个部分，一部分为钻台上的p l s 、p r s 和排放架，另一部分为折臂起重机和钻杆传送机， 动力源由5 台泵提供。液压系统在整个钻杆自动排放系统中所起的作用是通过电液 转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置和速度控制，进而 控制整个管具处理系统按给定的运动规律运动。 对整个钻杆自动排放系统的驱动装置的一般要求如下： ( 1 ) 驱动装置的体积小，重量尽可能轻，单位重量的输出功率大，效率高： ( 2 ) 反映速度快，惯量小，控制灵活，位移偏差和速度偏差小； ( 3 ) 动作平滑，不产生冲击和抖动； ( 4 ) 应能与测速机、光电码盘、光电传感器等检测装置和制动机构装成一体使用方 便； ( 5 ) 安全可靠，操作和维护简单，具有可靠全面的安全保护措施。 2 2 2 液压系统设计 在钻杆自动排放系统中，很多机构需要同时动作，且要动作协调，变化要平稳。为 此在需要同时动作的机构的驱动元件分别设计不同的液压泵单独驱动。钻杆自动排放系 统的液压系统原理图如图2 1 1 和图2 1 2 所示。图2 1 1 为p r s 和p l s 的液压回路原理 图。图2 1 2 为传送机和折臂起重机的液压回路原理图。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 1 1p r s 和p l s 液压系统 1 3 1 4 1 5 1 6 f i 9 2 - 1 1 h y d r a u l i cs y s t e mo fp r sa n dp l s l - p l s 上下行液压缸；2 一臂摆动液压缸；3 一夹持液压缸；4 一臂伸缩液压缸；5 p r s 举升臂夹持 机构中间部分；6 一夹持机构限位部分液压缸；7 一举升臂夹持机构下部液压缸；8 扶正臂夹持液压 缸；9 一举升臂锁紧液压缸；1 0 立柱旋转液压缸；1 1 一举升臂伸缩液压缸；1 2 一扶正臂伸缩液压缸； 1 3 一项部小车液压马达；1 4 一底部小车液压马达；1 5 、1 6 一举升臂上升马达：1 7 、1 8 一整流板：1 9 、 2 0 、2 l 、2 2 、2 3 平衡阀；2 4 3 1 一叠加式单向阀；3 2 4 7 一电液换向阀；4 8 5 6 - - 电液比例调速阀： 5 7 、5 8 一缓冲阀；5 9 、6 0 、6 1 、6 2 一液压计；6 3 、“、6 5 、6 6 一单向阀；6 7 、6 8 、6 9 、7 0 一电磁溢 流阀；7 l 、7 2 一电动机；7 3 、7 4 、7 5 一液压泵：7 6 8 0 一过滤器；8 卜一冷却器 1 9 第二章钻