海洋钻机钻杆液压自动排放系统的设计

凌云九天

海洋钻机钻杆液压自动排放系统的设计

摘要：随着传统矿物能源诸如煤和石油在陆地的储量逐渐减少，人类朝着海洋进行油气勘探开发成为了发展的必然趋势，与此同时海洋油气勘采的自动化设备与钻井平台的设计建造势在必行。本文主要针对海洋钻机钻杆液压自动排放系统的总体方案，驱动系统，结构设计等方面进行了研究。首先，论述了目前国内外在深海油气勘探开发领域的研究现状；其次，根据海洋钻机在油气开采所需要的功能，确定了海洋钻机钻杆自动排放系统的总体方案，包括结构设计、驱动系统等；最后提出了目前该领域存在的关键问题，并提出了初步的解决方案构想。

关键词：钻杆自动排放 总体方案 关键问题 液压驱动系统 结构设计

一、研究现状

1 .国内研究现状

国内对钻杆自动传送系统的研究和应用较少,只有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。

上世纪九十年代,在中原引进的2000m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180°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米左右。

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GW一MI000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AkerKvaemerMH公司组建北京宝石一MH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。

在大连船舶重工为中海油服建造的海洋石油941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。

2.国外研究现状

    20世纪40年代末，Humble oil和Byron Jackson公司联合研制了第一台三臂立式钻杆排放系统，必须由司钻和井架工共同操作。

1 956年，第一套机械化钻杆排放系统成功安装在CUSS．1钻井船上。这是一个卧式系统，用来排放甲板上的钻杆立根。与此同时，立式钻杆排放系统也获得了进展阴。1968年，Vareo公司的BJ．Hughes三臂立式钻杆排放系统获得了巨大成功，并被安装于offshore公司的“发现者II”钻井平台上。到目前为止，这种三臂立式排放系统已经被用于100多台钻井平台。至此，钴杆排放系统开始获得巨大发展。

从70年代中期到80年代中期，人们开始逐渐将计算机技术应用于机械化排放系统，新型的计算机技术对钻杆自动排放系统的发展产生了重要的影响。

1973年，全自动化钻杆排放系统首次安装到挪威Smedvig West Venture半潜式钻井平台。

1986年，第一套全立柱式钻杆排放系统应用于“Transocean 8"号半潜式钻井平台上。

目前，美国Varco公司研制的钻杆排放系统比较成熟，主要包括PRS．3i、PRS-4i、PRS．5、PRS．6i、PRS．8／8i，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88．9mm至508mm，是新一代的自动电驱钻杆排放装置的代表。

另外挪威盛世EDM公司、美国TSC海洋集团公司也提供钻杆自动化操作产品。

     

二. 研究方法

1.拟采取的研究方法：

本课题拟采用理论分析，模型建立，软件分析和实际试验相结合的研究方法。

2. 详细技术路线：

本课题计划先对钻井钻杆排放系统进行总体方案设计，包括包括原理设计、总体布局设计以及初步的结构设计，并在此设计的基础上对各个驱动系统机构进行详细设计，之后利用三维造型软件Pro/ENGINEE对各机构进行三维模型建立，利用Pro/MECHANICA对系统中的复杂零件进行结构分析，接着运用机器人学理论对系统中的主要部件折臂起重机进行运动学和动力学分析,推导出其运动学方程和动力学方程。最后,选用液压驱动作为整个系统的驱动方式,设计整个系统的液压驱动系统，对液压驱动系统进行元件选型和性能验算。

三. 存在的问题

与陆地和浅水钻井相比, 海洋钻井有着更为复杂的海况条件,面临着更多的难题,主要表现在3个方面:

1. 考虑海洋深水钻井平台的稳定性等因素,必须保证海洋钻井平台能够在较恶劣的情况下准确的完成钻杆的自动排放等动作；

2. 钻杆传送系统的运动学和动力学分析以及折臂起重机的运动学和动力学分析；

3. 液压驱动系统的设计，包括元件选型（要考虑到油气开采中的防爆安全问题）和整体性能验算等。

四. 总结

钻杆自动排放系统是实现自动化钻井的重要组成部分，本课题通过设备优选和关键设备研制，形成一套系统的钻柱自动化集成处理系统，包括钻进过程中钻柱自动输送到钻台，再通过井口自动化工具和机械手的辅助，完成钻柱自动输送与下放和钻柱上卸扣；起下钻过程中通过二层台立根排放系统和井口自动化工具配合完成立根的自动排放和存取。通过控制系统的衔接，实现各独立模块单元的协同工作，实现钻柱自动化处理系统的安全、高效运行。结合钻杆国内外主流及先进的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PLC和现场总线技术，可很好实现钻杆排放的自动化控制。课题实施过程中，通过借鉴国外在深水自动化钻机中钻柱自动化处理系统总体集成技术研究方面先进的设计理念、先进的设计技术、成熟的设计经验，确保深水钻机钻柱自动化处理系统总体设计技术的可行性、可靠性和先进性。要充分体现以人为本的健康、安全和环保的HSE 理念和有关规定和要求。

能源与动力工程学院  机械电子工程专业  刘文广  122080202015