海洋鉆機鉆桿自動排放驅動裝置方案設計

李富平，楊國家，石美玉，王運安，高學仕

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營257067） ①

海洋鉆機鉆桿自動排放驅動裝置方案設計

李富平1，楊國家2，石美玉1，王運安2，高學仕1

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營257067）①

海洋鉆機起下鉆需要井架工爬上二層臺進行手工操作，危險性高，時間長，效率低。在總結國內外鉆桿自動排放系統的基礎上，提出一種行走式驅動裝置方案，驅動方式簡單，易于自動化控制，能夠大幅增加操作的安全性，降低勞動強度，提高鉆機的工作效率，具有較好的發展前景。

鉆桿排放裝置；結構；方案

鉆桿自動排放系統的開發研制是石油鉆機自動化鉆井作業的發展趨勢，它能很大程度上增加鉆井作業的安全性、降低勞動強度、提高鉆井效率。目前的鉆桿自動排放裝置控制系統比較復雜，實現自動化鉆井作業比較困難。筆者在總結國內外鉆桿自動排放系統的基礎上［1－5］，提出了一種行走式驅動裝置的設計方案，具有操作簡單、易于控制、自動化程度高的優點，具有良好的工程實用價值。

1 國內外發展現狀

目前，國內外的鉆桿自動排放裝置的結構按照排放指梁的布置形式可以分為星型、平行型和X－Y型3種類型。

1.1 星型

星型鉆桿自動排放裝置是最初的設計方案，如圖1a所示。它不需要單獨設計鉆桿的運移軌道，由液壓系統驅動排放架旋轉，從而實現鉆桿在排放架和井口之間的移送，這種鉆桿排放裝置存放鉆桿較少，適用于小型鉆機。

1.2 平行型

平行型鉆桿自動排放裝置可在軌道上安裝2套排放系統，如圖1b所示。2套系統可獨立工作，提高了安全性和工作效率。該類型裝置可以存放大量的鉆桿、鉆鋌及套管，適用于大型鉆機，特別是雙井架鉆機。

1.3 X－Y型

X－Y型是目前常用的鉆桿自動排放裝置，如圖1c所示。鉆桿排放于井架的兩側，中間安裝有行走導軌。由于排放架需要固定在井架上，排放鉆桿的數量受到井架空間的限制，不能排放大量的鉆桿。

圖1 鉆桿自動排放裝置類型

2 結構方案設計

本課題是在研究海洋井架的基礎上，對海洋井架進行改造，以實現以下能力。

1） 海洋井架主體不能改變，結構改造不能影響海洋井架本身的性能。

2） 實現鉆桿的自動排放，降低井架工的勞動強度。

目前的海洋鉆機主要是采用X－Y型鉆桿自動排放裝置，國外鉆桿排放的驅動系統是采用U形口驅動方式，如圖2。當把鉆桿從排放架移送至井口中心時，這種驅動方式的工作流程是：

1） 機械手臂在排放格道的過程中，旋轉系統同時旋轉，兩者配合，到達預定鉆桿位置，機械手抓取鉆桿。

2） 機械手臂和旋轉系統再配合動作，鉆桿沿排放指梁方向直線運動。

3） 機械手臂與指梁成90°時，旋轉系統停止旋轉，機械手臂收縮至U形口中心。

4） 旋轉系統旋轉180°，機械手臂伸長，將鉆桿送至井口中心，完成將鉆桿從排放架移送至井口中心的流程，反之亦然。

圖2 U形口驅動鉆桿自動排放系統

在此期間，機械手臂和旋轉系統的動作配合得非常復雜，控制系統較難設計。為此，設計出了一種行走式鉆桿自動排放裝置，如圖3。該設計方案主要包括縱向驅動、旋轉驅動和機械手臂驅動3個驅動系統。當把鉆桿從排放架移送至井口中心時，這種驅動方式的工作流程是：

1） 縱向驅動系統驅動小車帶動旋轉裝置到達預定鉆桿所在的排放格道。

2） 機械手臂沿排放指梁直線運動，伸長至鉆桿位置，機械手抓取鉆桿。然后，機械手臂收縮，直至鉆桿到旋轉中心的距離為導軌寬度的槡2／2倍（保證機械手臂旋轉時鉆桿不與導軌干涉），機械手臂停止動作。

3） 縱向驅動液壓缸驅動小車到達最靠近井口中心的位置，然后機械手臂旋轉90°，正對井口中心。

4） 機械手臂伸長，將鉆桿送至井口中心，完成將鉆桿從排放架移送至井口中心的流程，反之亦然。

在此期間，機械手臂驅動系統、縱向驅動系統和旋轉驅動系統單獨工作，互不影響，控制系統比較簡單。

圖3 行走式驅動鉆桿自動排放系統

3 縱向驅動方案設計

海洋鉆機鉆桿自動排放裝置的縱向驅動裝置采用液壓缸驅動。為了不影響海洋井架本身的性能，設計了1個液壓缸支撐架，固定于井架橫撐上，如圖4。采用液壓缸驅動，主要考慮3個方面的因素：

1） 安全性 采用液壓作為動力，在石油鉆機上安全性能較高。

2） 精確性 精確控制定位，使機械手臂能夠精確對中排放指梁中心的鉆桿。

3） 平穩性 液壓控制比較平穩，避免較大沖擊。

圖4 液壓缸縱向驅動安裝示意

4 旋轉驅動方案設計

海洋鉆機鉆桿自動排放裝置的旋轉驅動裝置采用擺動液壓缸驅動。擺動液壓缸固定于箱體上，箱體坐于小車上，如圖5。它通過1個聯軸器連接主軸，主軸下部直接連接機械手臂。擺動液壓缸可以實現180°旋轉，精確定位，直接帶動機械手臂旋轉，滿足鉆桿自動排放裝置旋轉系統的要求。

圖5 擺動液壓缸旋轉驅動安裝示意

5 結語

海洋鉆機起下鉆勞動強度大，危險性高，效率低。鉆桿自動排放系統的開發研制是海洋鉆機自動化鉆井作業的發展趨勢，它能很大程度上增加鉆井作業的安全性，降低勞動強度，提高鉆井效率。本文設計的鉆桿自動排放驅動裝置有3個驅動系統，可單獨工作，運動簡單，易于自動化控制，具有良好的工程實用價值。

［1］ 劉文慶，崔學政，張富強.鉆桿自動排放系統的發展及典型結構［J］.石油礦場機械，2007，36（11）：74－77.

［2］ 姜 鳴，曹言悌，周聲強.陸地鉆機鉆桿自動排放系統的設計方案［J］.石油機械，2008，36（8）：95－98.

［3］ 崔學政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺立柱式排管機設計［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：45－49.

［4］ 尹曉麗，牛文杰，張中慧.鉆桿自動傳送系統及設計方案［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：42－46.

［5］ 王凌寒，肖文生，楊軼普.自動化管子處理裝置在海洋鉆井作業中的應用［J］.石油礦場機械，2009，38（2）：67－72.

Driving Device Project Designing of Offshore Rig Pipe Racking System

LI Fu－ping1，YANG Guo－jia2，SHI Mei－yu1，WANG Yun－an2，GAO Xue－shi1
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Shandong Kerui Petroleum Equipment Co.，Ltd，Dongying257067，China）

During the round trip operations on the offshore rig，workers have to climb to the racking board for handing operation.The work is more dangerous and taking more time with lower efficiency.A a walk type driving scheme is proposed by the conclusion of summering the pipe racking system at home and abroad.The scheme’s driving mode is simple.It is easier for automatic control and it can increase the security of operation，reduce the labor intensity，improve the working efficiency of the drilling rig.The scheme has very good prospect for development.

drill pipe racking back device；structure；project

1001－3482（2011）12－0048－03

TE952

A

2011－07－15

李富平（1987－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機械裝備的設計工作，E－mail：li－fp＠163.com。