（机械电子工程专业论文）zj50d型陆地钻机钻杆自动排放系统的方案设计研究.pdfVIP

摘要 随着全球石油行业的快速发展，在石油开采的钻、修井过程中，使用传统的 人工生产方式手动进行钻杆输送和接取操作劳动强度大，安全风险高，且生产 效率低下。伴随石油钻井技术朝着深井、超深井及海洋钻井的发展，钻井机械 设备自动化成为了发展的必然趋势，钻杆排放系统作为钻机的重要组成部分也 必将朝机械自动化方向发展。在自动化钻井生产中，钻杆自动排放系统作为钻 杆输送和排放操作设备，可完成钻杆、套管等钻具的输送、排放工作，提高了 石油钻井生产的效率和安全性，是现代化钻井中重要的自动化设备之一。为了 提高钻、修井生产安全性，减少起下钻作业时间，提高钻井效率，实现自动化监 控生产，为钻井平台自动化生产打下基础，提出了z j 5 0 d 型钻机钻杆自动排放 系统的设计方案。 本文通过对目前国内外市场钻杆排放机械的研究，参考海洋钻井平台钻杆自 动排放系统的结构及工作原理，对陆地钻机钻杆排放设备的结构、工作原理、 进行说明。同时结合我国实际生产和研发状况，探讨z j s o d 型钻杆自动排放系 统的设计方案。通过对钻杆自动排放系统的结构设计和仿真分析，确定具体的 结构形式，对钻杆自动排放系统的主要部件进行了设计及计算。结构设计的主 要部分包括支撑部分、回转桅杆部分和悬臂部分的设计。 通过运用现代设计理论与方法，建立了钻杆自动排放系统的数学模型。用三 维工程设计软件s o l i d w o r k s 对钻杆自动排放系统进行虚拟设计，包括各种零部 件的三维建模、模拟装配及装配模型的输出等。同时使用a n s y s 软件对关键零 部件进行安全性和可靠性分析。 另外，本文阐述了钻杆自动排放系统发展的现状，并对钻杆自动排放系统的 发展方向进行展望。针对目前国内石油行业生产状况和石油设备发展现状，讨 论钻杆自动排放系统国产化的发展方向。 关键词：钻杆排放系统；陆地钻机；自动化钻井；方案设计：结构设计 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o po ft h eg l o b a lo i li n d u s t r y d r i l l i n ga n d w o r k o v e rp r o c e s s o ft h eo i lw e l li no i le x p l o r a t i o n , u s i n gt h et r a d i t i o n a lm a n u a lp r o d u c t i o nm e t h o d si n d r i l lp i p et r a n s m i s s i o na n dr a c k i n go p e r a t i o n st h a th a sl a b o r - i n t e n s i v e ，h i g hs e c u r i t y r i s k s ，a n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sl o w w i t ho i ld r i l l i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t o fd e 印w e l l ，s u p e rd e 印w e l la n do c e a nw e l l ，d r i l l i n gm a c h i n e r ye q m p m e n t a u t o m a t i o nb e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n d d r i l lp i p er a c k i n gs y s t e ma sa ni m p o r t a n t p a r to ft h ed r i l l i n gr i gi sb o u n dt o w a r dt h em a c h i n ea u t o m a t i o n d u r i n ga u t o m a t i o n d r i l l i n gp r o d u c t i o n , t h e d r i l l p i p ea u t o m a t i cd i s c h a r g es y s t e m , a st h e d r i l lp i p e t r a n s m i s s i o na n dr a c k i n go p e r a t i o ne q m p m e n lt ob ec o m p l e t e df i n i s hd e l i v e r ya n d d i s c h a r g ew o r ko ft h ed r i l lp i p e ，c a s i n g i tc 龃i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n ds e c u r i t yo f t h ep r o d u c t i o no fo i ld r i l l i n g ，i sai m p o r t a n to n eo ft h ea u t o m a t i o nm o d e md r i l l i n g e q u i p m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ed r i l l i n ga n dw o r k o v e rp r o d u c t i o ns a f e t y , r e d u c e d t h ed r i l l i n g o p e r a t i o nt i m e ，i n c r e a s ed r i l l i n ge f f i c i e n c y , t oa c h i e v ea u t o m a t e d m o n i t o r i n go fp r o d u c t i o n , l a yt h ef o u n d a t i o nf o ra u t o m a t e dp r o d u c tr i g p r o p o s ea z j 5 0 dl a n dr i gd r i l lp i p er a c k i n gs y s t e md e s i g n t h r o u g hr e s e a r c hd o m e s t i ca n df o r e i g nm a r k e t sd r i l lp i p er a c k i n gm e c h a n i c a l ， r e f e rt os t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eo f f s h o r ed r i l l i n gp l a t f o r md r i l lp i p e a u t o m a t i cd r a i n a g es y s t e m d e s c r i b e ds t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fl a n dd r i l l i n g f i g sd r i l lp i p er a c k i n ge q m p m e n t c o m b i n e dw i t hc h i n a sa c t u a lp r o d u c t i o na n dr & d s t a t u s ，e x p l o r et h ed e s i g no ft h ez j 5 0 da u t o m a t i cd r i l lp i p er a c k i n gs y s t e m b y d e s i g na n ds i m u l a t i o na n a l y s i st h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m a t i cd r i l lp i p er a c k i n gs y s t e m t od e t e r m i n et h e s p e c i f i c s t r u c t u r eo ft h em a i nc o m p o n e n t s 、析ld e s i g na n d c a l c u l a t i o n t h em a i np a r t so ft h es t r u c t u r a ld e s i g ni n c l u d et h es u p p o r t i n gp a r t ，t h e r o t a r ym a s tp a r t sa n dt h ed e s i g no ft h ec a n t i l e v e rp a r t u s em o d e m d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ed r i l lp i p ea u t o m a t i cd r a i n a g e s y s t e m u s e3 de n g i n e e r i n gd e s i g ns o f t w a r e s o l i d w o r k st ov i r t u a ld e s i g na u t o m a t i cd i s c h a r g es y s t e mo ft h ed r i l lp i p e ，i n c l u d i n g t h ev a r i o u sp a r t so ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，s i m u l a t i o n , a s s e m b l ya n d a s s e m b l yo u t p u to ft h em o d e l u s ea n s y ss o f t w a r ea n a l y s i ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f k e yc o m p o n e n t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es t a t u so ft h ed r i l lp i p ea u t o m a t i c r a c k i n gs y s t e m d e v e l o p m e n t ，a n do u t l o o kt h ed e v e l o p m e n to fd r i l lp i p ea u t oe m i s s i o n ss y s t e m f o r t h ec u r r e n t p r o d u c t i o n s t a t u so ft h ed o m e s t i co i l i n d l l s t r ya n do i le q u i p m e n t d e v e l o p m e n ts t a t u st od i s c u s st h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to ft h el o c a l i z a t i o no ft h e a u t o m a t i cd r i l lp i p er a c k i n gs y s t e m k e yw o r d s ：d r i l lp i p er a c k i n gs y s t e m ；l a n dr i g ；a u t o m a t i cd r i l l ；s c h e m ed e s i g n ； s t r u c t u r ed e s i g n 硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 钻杆排放系统研究的背景 钻探在国民经济的发展中发挥着至关重要的作用，其中尤以在石油天然气开 采领域中的发挥着最为关键的核心功能。石油天然气具有特殊的形成条件，具有 其它能源所没有的特性，由此也就决定了其采集作业方式的独特性。从发现油气 资源至今，石油的主要采集方式是钻井开采。由古代的手工开凿到现代的机械化 钻探，钻井工具和钻井方式发生了根本性的变化。随着工业化技术的发展，钻井 技术也将发生更大的改变。在现代工业自动化发展的进程中，石油设备的自动化 程度也在不断提高，工业机器人作为现代化生产的重要自动化设备也在逐步引入 到石油生产中去。传统的石油开采过程中，大量工作由工人人力进行操作，而野 外艰苦的工作环境和笨重的钻采设备，使石油生产变得艰苦而危险。 随着石油勘探开发力度的增加，石油钻井机械的自动化、智能化程度也在不 断提高。自动化钻井是国外在2 0 世纪9 0 年代发展起来的一项前沿钻井技术，是 2 1 世纪钻井技术的主要发展方向。自动化钻井主要包括井下闭环钻井技术，地 面钻机的自动化，钻井泥、液浆等钻材的装卸、配制和泵送自动化，钻井专家系 统四个方面。地面钻机的自动化，即钻井地面作业的自动化操作，钻杆处理系统 是其中非常重要的部分。钻杆自动排放系统是钻管处理系统的关键组成部分，是 伴随着钻井自动化技术的发展而产生的【。机械化减轻了钻井工人的体力劳动， 改变传统的提升卡瓦和人工钻杆处理装置，有力地扩大了钻井工人的安全工作范 围，使他们由劳动者变为操作者。半自动化系统利用信息技术和智能控制系统改 变现有的管子处理系统，在新的系统中可减少操作者的数量。随着海洋深水钻井 的开展，现在作业水深已达到7 0 0 0 至1 0 0 0 0 英尺：陆地钻机也由老旧的5 0 0 0 米钻机向1 5 0 0 0 米钻机发展。影响钻井时间增加的内在因素不仅仅是起下钻作 业，钻杆、套管和隔水管的搬运和排放也严重影响着钻井计划。在钻井的同时离 线接立根、自动传送和排放钻杆等操作将会大大节省钻井时间。钻杆处理系统正 在成为自动化，模块化钻井设备设计的工业标准【2 】。 在这个大背景下，钻杆排放系统也应运而生，从手动钢丝旋扣拉锁、起吊绞 车、提升卡瓦等发展到现在最先进的钻杆自动排放系统，从简单的手动设备发展 到了现代化的工业机器人。综合来看，钻杆自动排放系统能够能取代人力工作， z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 是能够实现自动控制、可重复编程的自动化生产设备，属于工业机器人范畴。 机器人技术是综合了计算机模拟、控制理论、机构学、信息和传感技术、人 工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，应用领域日益广泛。工业机器人由 控制器、执行机构、检测传感装置和伺服驱动系统构成，是一种仿生操作、自动 控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电液一体化自动化生产设备。 它对稳定提高产品质量和生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十 分重要的作用。 工业机器人自从6 0 年代初问世以来，经过了4 0 多年的发展，已经广泛应用 于各个工业生产领域，成为制造业生产自动化中主要的机电液一体化设备。在制 造业中采用机器人，可以提高劳动生产率、保证产品质量、缩短生产准备周期和 改善劳动条件。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特 长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析 判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种 意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务 性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备【3 j 。 1 2 钻杆排放系统研究的目的 常规的石油钻井生产过程中，钻井平台上方大钩，游车，液压大钳，立根等 重型设备往来频繁，且多数需要人力辅助，对工人体力要求很高，又存在一定的 安全隐患。目前国内使用传统的提升卡瓦和人工钻杆处理装置。虽然工序机械、 简单，技术含量低，但是体力消耗巨大，高度的往复操作对工人体力和耐力都是 很大的考验，上、卸钻具过程中井口又会伴随大量的泥浆喷出，会产生污染及安 全问题，工作环境比较恶劣，而钻杆自动排放系统的出现能够很好的解决这方面 问题。 本文的目的就在于通过对目前国内外市场常见类型钻杆排放机械的对比分 析，对钻杆排放设备的结构、工作原理、进行说明。同时结合我国实际生产研发 状况，通过对国外钻杆排放设备的工作原理、性能参数、设计方案的介绍分析， 探讨z j 5 0 d 型钻杆自动排放系统的设计方案。通过对钻杆自动排放系统的静力学 和动力学分析，确定具体的结构形式，对钻杆自动排放系统的主要部件进行了设 计及计算。以实现自动化钻杆排放操作的进行，并且可以根据实际生产环境进行 半自动切换。做大限度的减少司钻作业人员的数量与劳动强度，极大的提高生产 作业效率，减少作业人员安全风险，以提高钻井作业的经济性。 研制出适应于z j 5 0 d 钻机的自动排杆系统方案。z j g o d 钻机是兰州石油化工 2 硕十学位论文 机械厂上世纪9 0 年代开发投产的一种4 5 0 0 米钻机，这类钻机在国内很有代表性， 技术已经非常成熟，排除了因为钻机的原因而可能产生的不稳定因素。而且这种 钻机使用广泛，有利于在此基础上对自动排杆系统的推广。设计方案应该在下钻 时可以自动完成接单根( 9 m ) 的工作，即由钻台下方排杆架自动起吊钻杆上钻台 并且将钻杆自动输送到井口，此过程中要实现钻杆由地面到钻台，从低到高，由 水平到竖直的运动。在起钻时，能够提起立根( 2 7 m - 3 1 m ) ，将其输送n - - - 层台立 根盒，再次下钻时亦可相反运作。在钻井完成时可以自动拔单根，并将单根输送 到地面排杆架。全程无需人工，全部实现机械化。所以本课题即以“新型钻杆自 动排放系统 整个系统的方案设计为主要目标，建立一种合理的方案并对其进行 可行性分析，并对主要部件进行结构设计研究。 1 3 研究的意义 ( 1 ) 钻杆自动排放系统可以加快钻井速度，缩短钻井周期，提高生产效率。 c 2 ) 钻杆自动排放系统可省去井架二层台作业人员，减轻工人劳动强度，降低 事故风险，提高生产安全性。 ( 3 ) 钻杆自动排放系统可以由一人控制完成井口到立根盒之间钻杆排放操作， 以及与地面人员配合监控机械完成钻杆由地面到钻台的起升作业，减少作 业人员数量，实现自动化钻井。 ( 4 ) 钻杆自动排放系统能够有效地降低陆地钻井作业成本。 1 4 研究内容与方法 1 4 1 课题研究内容 ( 1 ) 根据所要实现的工作特征，以及陆地钻机实际工作环境和相应的工况，必 须先确定排杆系统的总体结构方案，夹取钻杆的方式，输送钻杆的方式， 以及钻杆在输送过程的各种位置与姿势。 ( 2 ) 相应主要部件的基本总体结构设计，尺寸设计 ( 3 ) 主要零部件运动与装配方式的设计 ( 4 ) 主要零部件结构预加载模拟载荷时的可靠性分析。 1 4 2 研究的方法 ( 1 ) 根据设计目标，对设计对象先做一个总体的设计方案； ( 2 ) 在总体设计上，对各部分进行分块设计，即根据各个部件所要完成的工作 进行分开设计，并对各分块部分进行关联设计，实现运动的合理性； z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 ( 3 ) 在各分块初步设计的基础上，对各分块的零部件进行初步设计，确定各零 部件的结构尺寸；并对其进行三维实体模型的建立与强度分析、合理性验证； ( 4 ) 在零部件初步设计上，若能满足要求，再进行详细零件设计； ( 5 ) 最后对各分块进行整体装配，要求能满足结构装配精度要求，并进行整体 结构的优化设计； ( 6 ) 仿真并反馈信息，以待后期的进一步修改与优化。 4 硕卜学位论文 第2 章钻杆排放系统发展及研究现状分析 2 1 钻杆排放系统发展历史 1 9 4 9 年，在研制半自动化钻机时就采用了钻杆排放系统。该系统可以通过液 压和气动阀来进行从而完成起下钻的各种常规操作【4 j 。 1 9 5 6 年，首套机械化钻杆操作系统开始安装在c u s s - 1 钻井船上。这是一个 卧式系统，用来操作甲板上的的钻杆立根。一个机械化的送管滑道将立根运送至 井口，然后由吊卡提起。与此同时，立式钻杆排放系统获得了进展，它可以用更 传统的方式在井架中操作钻杆。2 0 世纪4 0 年代末，h u m b l e3 0 号钻机上安装了 三臂立式钻杆排放系统，并且成功地钻进了2 2 8 6 0 m 5 。 1 9 6 8 年，o f f s h o r e 公司在d i s c o v e r e r 钻井船上安装立式钻杆排放系统，至 此，钻杆排放系统开始获得巨大发展1 6 】。采用该系统是为了降低由于船体振动而 引起的的人工操作的难度。该系统的成功引起了一系列相似系统的发展，包括类 似于c u s s - 1 的卧式系统。 2 0 世纪6 0 年代末，v a r c o 公司的b j - h u g h e s 三臂立式钻杆排放系统获得了 巨大成功。 1 9 7 3 年，全自动化钻杆排放系统首次安装于挪威s m e d v i gw e s tv e n t u r e 半 潜式钻井平台。然而安装该系统的目的与在钻井船上不同。由于该半潜式平台在 挪威北海进行钻井作业，采用该系统是为了降低强风和低温的影响，而不是船体 的振动。该系统同样获得了巨大成功1 7 1 。 1 9 7 4 年，首套商用卧式钻杆排放系统应用于w e s t e r ng e a r 的一艘s e d c o 钻 井船上。 1 9 8 6 年，第一套全立柱式钻杆排放系统应用于t r a n s o c e a n 的半潜式钻井平 上。 1 9 9 6 年，模块化钻杆排放系统开始应用于北海自升式钻机。目前，钻杆排 放系统所操作管子的范围不仅仅局限于钻杆和钻铤，也可以操作直径范围为 1 2 7 5 0 8 m m 的套管。 目前，钻杆排放系统的种类很多，包括固定在钻台上的单个操作臂以及固定 在井架中由密闭操作室进行控制的两臂或三臂系统。很多此类系统能够举升钻杆 立根，有些能够举升直径为5 0 8 n n 的套管。这些系统大都位于钻台与立根盒之间， 具有两到三个操作臂。由一人在密闭控制室中通过电脑进行控制，而不需要其他 的工作人员的参与。 美国v a r c o 公司研制的钻杆排放系统包括p r s - 3 i 、p r s - 4 i 、p r s - 5 、p r s - 6 i s 、 p r s 一8 8 i ，可以用来排放钻杆、钻铤和套管单根及立根，排放管子的直径范围为 8 8 9 m m 至5 0 8 r a m ；s r s 一2 型星形管子排放系统，下移放臂的升举能力为9 9 5 t ， 升举高度为l o m 。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 tr a c k e r ( v c r ) 。 德国b e n t e c 公司为挪威n o r s kh y d r o 公司设计制造的平台中，垂直钻杆排 放系统的举升能力为1 2 2 k n ，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。 5 z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 挪威a k e rk v a e r n e r 公司研制的产品有两臂立式钻杆操作系统和悬挂式钻杆 操作系统。排放管子的直径范围为7 3 n u n 至2 4 7 7 m m 。挪威石油局于1 9 8 1 年做出 规定：作业于其领海内的所有钻机必须配备自动化钻杆排放系统。 苏联从2 0 世纪6 0 年代起，在其钻机上安装自动化钻杆排放系统 g l 。 钻杆排放系统在美国和意大利都是成熟技术，可按客户的要求配置在不同的 钻机上。 2 2 典型钻杆排放系统结构简介【8 】 以n a t i o n a lo i l w e l lv a r c o 公司的钻杆排放系统为例。该公司的钻杆排放 系统设计非常成熟，已经实现模块化设计。 钻杆排放系统具有多种不同形式，但以立柱式为主。立柱可以从井口沿轨道 移动到排放架，通过立柱绕其轴线的旋转可以带动两到三个机械手臂朝向不同的 方向，手臂可以绕固定轴上下摆动从而使立根远离或靠近立柱。 钻杆排放系统根据排放架指梁的形式可分为x - y 型、平行型和星型( 如图 2 1 、2 2 、2 3 所示) 。 对于星型系统，其特殊的指梁结构不需要为每个立根设计独立的固定装置， 使结构大大简化，可以减少故障发生的几率。对于x _ y 型和平行型系统，必须为 每个立根设计独立的固定装置( 如图2 4 所示) ，使得结构非常复杂。也有的采 用气动固定装置，这就要求为每个立根单独配置一个气缸闩锁机构。由于采用上 述两种设计降低了指梁的强度，因此必须加大指梁的尺寸来满足强度要求。 ( 一) 星型 最早的钻杆排放系统采用星型结构，多应用于小型钻机。在该系统中，由液 压系统驱动排放架旋转从而带动钻杆旋转。立柱配合排放架只需旋转一定角度便 可以在井口与排放架之间移送钻杆，不需要另外设计轨道，从而大大节省操作空 间。s t a r 一1 、s t a r 一2 、s t a r - 3 均属于此种类型。 以s t a r r a c k e r 系统为例详细介绍其主要特点。s t a r r a c k e r 系统是n a t i o n a l o i l w e l lv a r c o 设计的一种安全高效的遥控系统，用于在井口与立根盒之间移动 钻杆立根。s t a r r a c k e r 系统是将钻杆立根排放于位于系统中心的星型排放架中： 指 井- 口- 、c ) 图2 1 】【- y 型 指粱 6 i j 轨道 队 并口 图2 2 平行型 硕 ：学位论文 图2 3 星型 指 图2 4 立根固定系统 s t a r r a c k e r 系统可以完成如下操作： 1 在井口与立根盒之间移送钻杆立根。 2 可以移送1 7 7 8 至3 5 5 6 m m 套管。 3 可以将钻杆移至接单根设备处或移开。 s t a r r a c k e r 系统有以下几个主要特点： 1 特殊的指梁结构不需要为每个钻杆立根设计单独的锁定机构，简化了系 统，降低物件掉落的危险。 2 其移动部件较少，使得该系统更安全，更迅速，也更容易操作。 3 还可以允许进行人工排放操作。 ( 二) x - y 型 由于井架结构的限制，目前大多数钻杆排放系统采用此种结构。无论是x - y 型还是平行型系统，排放架均需要固定到井架中，前者将会占据较大的井架空间， 在存放钻杆数量方面会受到井架空间的限制。本文将对其进行详细介绍。 p h m 一3 i 、p r s 一3 、p r s 一3 i 、p r s 一8 、p r s 一8 i 、h r x y 均属于此种类型 以h r - x y 系统为例详细介绍其主要特点。 h y d r a r a c k e r 具有排放钻杆立根，单根接成立根以及单根上钻台等功能。该 系统为半自动化操作，由司钻在控制室中进行控制。 h r x y 系统专门适用于x _ y 型排放架。 h r x y 系统具有如下几个主要特点： 1 由一人操作，是半自动化的钻杆排放系统。 2 钻进过程中可以进行离线接单根操作。 3 可操作井下工具。 4 操作管柱直径范围大，最大直径为5 0 8 m 。 5 钻具上钻台，如钻头、卡瓦等。 6 引导套管，直径可达8 1 2 8 m 。 7 支持引导隔水管，直径可达1 5 2 4 m m 。 8 支持隔水管接头操作。 7 z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 ( 三) 平行型 大型钻机广泛采用此种形式，因为其可以存放较大数量的钻杆、钻挺及套管， 而且可以与卧式钻杆操作系统实现完美的配合。其指梁可以调节，来满足不同直 径管柱的要求。采用此结构后，可以在轨道上同时安装两套排放系统，并且两套 系统可以独立工作，互不影响，特别适用于双井架钻机。由于近年来双井架钻机 的发展，使得平行型系统具有了更大的应用空间1 6 j 。 p r s 一4 i 、p r s - 5 、p r s - 6 i s 、h r - i i i 、h r - i v 均属于此种类型 h r - i i i 系统和h r - i v 系统与h r x y 系统除排放架结构外，具有相同的功能、 结构特点。 2 3x 型钻杆排放系统结构介绍【9 】 x y 型钻杆排放系统如图2 5 所示。设计该系统的最终目标是由微处理机自 动控制机械装置实现立根的排放，同时当控制系统失败时，也能够由人工操作。 现在几乎所有应用的立根排放系统均采用两个排放臂独立控制的布置方式，如果 采用这种方式，需要操作者使两条排放臂在三维方向上动作同步。为了解决这一 问题，决定不用井架做排放臂的支撑构架，而安装一个独立的支撑构架，该构架 上装有排放臂、操作室和自动化铁钻工。构架由从钻台n - 层台的一串柱状系统 组成，提供全部机械的水平运动。 构架运动由位于柱状系统两端的相同的电驱 动装置产生，柱状系统在井口和立根盒之间沿着钻 台上方和二层台下方的固定齿条运动。下端的驱动 装置还能在井口的任一边将柱状系统旋转9 0 。操 作者只需要控制柱状系统的运动和排放臂水平同 步就行了。 一种类似方法是将两条排放臂和支架用系杆 连接成一个四连杆机构使排放臂同步。两条排放臂 可以以其固定支撑架为轴旋转。排放臂的末端是钳 爪，如图2 6 所示。钳爪用于夹持钻杆或钻铤( 直 径为8 8 9 m m 2 4 1 3 m m ) 。排放臂上爪装有滚柱导轨 以使其在爪内旋转时保证钻杆在导轨内。下排放臂 爪装有夹钳，整个钻杆或钻铤的质量由排放臂下的 爪承受。排放臂由特殊的液缸驱动，液缸每一端都 有活塞。在一般的操作中，短活塞总是处于缩回状 态，排放臂处于“伸展”位置。在这一位置，主活 塞完全伸长，爪与连接设备在一条直线上。使主活 塞位于中间位置，转动排放臂，爪才能伸出或缩回。 短活塞伸长时，短活塞将使臂完全缩回到柱状 构架之间的某一位置，为特殊操作提供一个额外的 空隙。柱状构架顶部的一对液缸和两个排放臂支架 ( 由系杆连在一起) 连接，这对液缸能够产生垂直 向上的运动，行程可达4 9 m ，能够举升除系统自重 和动态力以外的11 3 4 0 k g 质量【l o j 。 8 图2 5 ) 型钻杆排放系统 硕士学位论文 图2 6 爪部件 两条排放臂下面是第三个支架，它上面安装有操作室、旋扣大钳和扭矩大钳。 该支架自下臂支架有一对液缸悬挂着，这对液缸可以产生相对于上支架的向上 3 m 高的垂直位移。液压扭矩大钳采用开口设计，消除了许多现有的液压大钳必 需的自动门或自动闩。扭矩大钳操作钻杆和钻铤的直径为1 0 1 6 m m - 2 4 1 3 m m ，能 够产生1 3 5 5 8 2 的连接扭矩。液压旋扣大钳位于扭矩大钳的正上方，操作直径为 8 8 9m - 2 4 1 3 m ，能够提供2 1 6 9 的扭矩。旋扣大钳安装在一个弹簧加载的滑块 上，这使它在下钻时可以用作对扣引鞋。扭矩大钳和旋扣大钳都安装在操作室下 方的一个独立支架上，支架能够产生一个相对于柱状构架附加的4 0 6 皿n 水平位 移。这一水平运动在操作单根或顶部连接( 即浮式平台上的顶部驱动连接) 是非 常有用的。系统由旋扣大钳上方的操作室操作。操作室内有所有工具功能的控制 元件，可视反馈屏幕显示器，可视反馈来自三个摄影机( 二爪及一指梁) ，状态 和诊断信息的文本显示。由于操作室直接安装在三个支架之一上，操作者操纵系 统运动就像起重机操作员操纵起重机一样。大量的反馈对没有经验和第一次使用 的操作者是很有帮助的。 二层台设计使用了一个可以人工操作的常规指梁和一个独特的自动指状闩 机构。自动指状闩机构如图2 7 所示，它由特殊的大节距滚链组成，每一节链作 为一个钻杆位置。他们连成了一条链，链穿过指梁每个指上开出的槽。链由一根 共用轴上的链轮驱动，轴有两个旋转激励器的其中之一带动( 二层台两边各有一 个激励器) 。每个链轮控制一排钻杆，通过共用轴上的气动离合器选择链轮，不 用时必须锁紧定位。另有一个单独的机构闩锁钻铤。 西 z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 图2 7 自动指状闩门机 大多数立根排放系统使用的远程操作吊卡与普通的中开闩人工吊卡没什么 不同，液缸能够拔掉闩并打开吊卡。这里为自动立根排放系统专门设计一个吊卡， 而不是将原来人工操作的吊卡改成自动吊卡。吊卡采用整体式结构，在其底部有 一整体式钟型对扣引鞋。吊卡内有4 个条形凸肩衬垫，衬垫可以更换，从而使这 一个吊卡可以操作8 8 9 m m 钻杆到2 4 1 3 m m 的带拉链槽钻铤。由于采用了对称设 计，重心较低和整体式对扣引鞋不用连接稳定装置吊卡就能够可靠地套住钻杆上 端。 2 4 国外典型的钻杆排放系统简介i n l 目前，在全球的石油钻具制造商中，美国n a t i o n a l o i l w e l l v a r c o ( n o v ) 公司、 a k e rk v a e r n e r 公司、o i l f i e l di n n o v a t o r sl i m i t e d ( o i l ) 公司和t e s c 0 公司 是钻杆自动排放系统的主要供应商，其产品最为成熟，代表了世界的先进水平，研 制出的一系列钻杆自动传送系统己得到了广泛应用。 n o v 公司的钻杆自动排放系统根据使用形式不同，n o v 公司的钻杆排放系统 分为水平型、垂直型、水平一垂直混合型3 种。水平型钻杆自动排放系统该系 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2 8 所示。 1 0 硕士学位论文 图2 8 水平型钻杆自动捧放系统 垂直型钻杆自动排放系统该系统包括柱状排放臂、多用途机械手、套管扶 正装置和单臂一双臂机械手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2 9 所 示。 图2 9 垂直型钻杆自动捧放系统 水平一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，又推出了水平一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 钻井平台一钻井船的结构设计，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 - - 3 、p l s - 5 和v 珈o o r m a c h i n e4 种类型。s t a n d h a n di i 型适合的最大套管直径为2 7 3m m ( 1 0 3 4 英寸) ，后3 种适合的最大套管直径均为 5 5 9m m ( 2 2 英寸) 。图2 1 0 给出了几种水平一垂直混合型钻杆排放系统。 图2 1 0 水平一垂直混合型钻杆排放系统 a k e r k v a e r n e r 公司的钻杆自动排放系统该公司推出了包括e a g l e e a g l e l i g h t 、g a n t r y c r a n e 、p i p e d e c kp i p e h a n d l e r 等在内的系列产品。其特点在于： 一方面利用机器人运动控制技术，提高产品的自动化程度：另一方面利用排放臂 z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 和夹钳的特殊结构，实现快速定位和夹持功能。在控制上有2 种操作模式，一种是 通过独立安装在钻台面上的操作箱一控制台来完成钻杆排放作业：另一种是将控 制部分集成到司钻控制房内，由司钻进行集中操控。a k e r k v a e r n e r 公司的部分钻 杆自动排放系统如图2 1 1 所示。 图2 iia k e r k v a e r n e r 公司的部分钻杆自动排放系统 o i l 公司设计开发的p a l 钻杆自动传送系统与井架相互独立，自成模块，可满 足远程控制的要求。主要由钻杆输送设备、传送举升设备和远程控制设备3 部分 组成。钻杆输送设备用于将钻杆由排放架输送至钻杆传送设备：钻杆传送举升设 备用于接收钻杆，并在支撑液压缸的作用下举升并沿底座导轨滑动，将钻杆输送 至钻台：远程控制系统主要完成钻杆上、下钻台的一系列操作过程的实时控制， 并确保传送过程快速、安全、平稳。如图2 1 2 所示。 拳镰耪巍动镱送系笺b 锤耨攀辫设备e 辜鬣式远程经铡室 图2 1 2o i l 公司p a l 钻杆自动传输系统 t e s c o 公司钻杆自动传送系统由t e s c o 公司开发研制的钻杆自动传送系 统目前己在c d r 2 5 0 h a 和c d r l 5 0 h a 钻井平台得到应用。该钻杆自动传送系统 大量应用了已开发的创新技术，包括先进的液压系统及电器元件，可编程逻辑控制 等。这些创新技术的应用减少了操作工人数，降低了钻井工作具有的潜在危险性， 提高了工作效率和安全性。控制上有2 种操作模式：一种是通过独立安装在钻台 面上的操作箱控制台来完成钻杆的自动传送作业：另一种是将控制部分集成到 1 2 硕士学位论文 地面车载控制室内，由地面排管工人控制。如图2 1 3 所示。 翟i 善西霸酰 ；霾 霪遗 隅 囊锗帆 b 锑释e 远程撮控窒 图2 1 3t e s c o 公司钻杆自动传送系统 除此之外，欧洲多国如德国、挪威、意大利、罗马尼亚等国的公司还开发了 多种钻杆自动排放系统，在海洋钻井平台中运用的较为广泛。 2 s 国内钻杆排放系统研发和使用现状。 钻杆自动排放系统虽然在国外有相对较长的研发和应用历史，但是国内对钻 杆自动排放系统的研发和使用比较少，目前大多数只安装于海上石油钻井平台， 而陆地钻机采用这一系统的钻机几乎没有。只有兰州石油机械研究所、宝鸡石油 机械有限责任公司( 原宝鸡石油机械厂) 、大港油田有限责任公司等单位做过一些 设计和研究，但均未投入生产和使用。据2 0 0 7 年底的调查，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【1 2 】。 直到最近两年才陆续有部分产品投产，但也主要为出口产品，国内鲜有使用。 而且其模式大多为是国外较早的半自动分段式，自动化程度有待提高。宝鸡石油 机械厂的g w - m 1 0 0 0 钻机采用了液压控制的钻杆盒、井口机械化工具、自动排 放钻杆等技术。海洋集团公司( t s c ) 生产有垂直排杆系统和水平排杆系统。上 海三高石油设备公司、中原油田股份有限公司以及中国石油大学等一些高校科研 机构也做了一些可行性方案设计研究等工作。 总体来讲我国在陆地钻机钻杆自动排放系统方面，还处于起步阶段，需要投 入大量的精力与资源进行设计研究。 2 6 推动钻杆排放系统发展的因素1 1 3 j 研制钻杆自动排放系统需要投入大量的资金和时间，但是近年来该系统仍取 得了巨大进展。促进其发展的因素主要包括以下四个方面： 一、安全性 在整个钻井过程中，有3 0 以上的时间花费在起下钻杆、钻铤、套管以及其 他钻具上。研究和事故分析表明，钻井工人在进行这些操作时面临很多的危险。 尤其是这些操作的重复性降低了工人的注意力，有可能导致致命事故。钻杆排放 系统的一个主要目标就是减少钻台上的操作人员，从而提高安全性。 二、经济性 1 3 z j 5 0 d 型陆地钻机钻杆自动排放系统方案设计研究 经济性不仅包括钻井作业人员的薪酬，还包括人员运输及其在作业地点的其 他费用，尤其在海上及沼泽等边远地区，后者的花费将会超过前者。减少钻井作 业人员可以降低总的钻井成本。 采用钻杆自动排放系统的第二个经济因素是钻井作业时间。在某些情况下， 经济因素迫使人们将钻井作业时间以分甚至以秒来考虑。在钻超深井或在超深水 海域进行钻井时，立根数目相应增多，起下钻将耗费大量的时间。如果缩短每个 立根的操作时间，那么整个起下钻过程耗费的时间将会明显减少。当然，钻杆自 动排放系统不是必须加快起下钻的速度，而是在其稳定的操作速度和安全的工作 环境共同作用下降低成本。 三、工业标准 1 9 8 1 年，挪威石油局的标准规定：作业于挪威领海内的钻机必须配备自动 钻杆排放系统。1 9 9 1 年，对该标准作了修改，规定钻杆排放系统所能操作的管 柱范围必须包括钻挺和套管。挪威2 0 0 3 年做的一项关于遥控管柱操作的调查表 明，钻杆自动排放系统在钻井工人安全、健康和工作环境方面等方面做出了明显 的改善【1 4 1 。 四、工业发展趋势 不仅仅是可测的因素( 如预算、时间和效率) 对人们作出的决定产生影响， 其他一些因素也会产生影响，如当前形势等。自动化和计算机控制目前已成为工 业发展趋势，并且深入人心，这在一定程度上也促进了钻杆自动排放系统的发展。 这虽然不是促进钻杆自动排放系统发展的最主要因素，但是也起到了一定的作 用。 本章小结 本章就钻杆自动排放系统的发展历史进行了回顾，可以看出钻杆自动排放系 统每一代的改进历程。并对国外一些典型的钻杆自动排放系统的产品进行了简要 介绍。综合国内的研发进程，对钻杆自动排放系统的发展因素进了简要总结。 可以看出，钻杆自动排放系统在国外已经有6 0 多年的研发运用历史，特别 是在海洋平台运用较为广泛。国外有许多大型的石油设备生产商都开发有相关的 产品，并且研发技术成熟，使用经验丰富。而国内在钻杆自动排放系统的生产研 发方面还处于初级起步阶段，相关研究和生产资料比较少，技术相对落后。 由于石油开采的自动化，机械化，智能化的客观发展需求，推动了国内钻杆 自动排放系统的研发，具有广阔的市场前景。 1 4 硕士学位论文 第3 章z j 5 0 d 型钻机钻杆自动排放系统设计方案 3 1 z j s o d 型钻机的简要介绍 z j 5 0 d 型钻机是陆地石油钻机中比较典型的电驱动钻机，在我国以及世界各 国运用十分广泛，技术也非常成熟。z j 5 0 d 钻机为大型电动机驱动钻机，采用 a c s c r d