談鉆井平臺鉆桿自動操作系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：對于鉆桿自動操作系統(tǒng)，其對促進鉆井效率以及優(yōu)化勞動條件等方面具有顯著作用。特別在條件惡劣以及成本高的鉆井平臺方面，運用該系統(tǒng)能夠使傳統(tǒng)體力勞動方式發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，同時節(jié)省鉆井成本。對此，本文對國外相關(guān)設(shè)計進行了簡單分析，對單根接立根設(shè)計進行了簡單介紹，最后提出了旋轉(zhuǎn)V形門系統(tǒng)與移動V形門系統(tǒng)方案。

關(guān)鍵詞：鉆井鉆桿；自動操作；系統(tǒng)設(shè)計

我國南海油氣資源非常豐富，相關(guān)部門數(shù)據(jù)顯示，油氣當量達到了500億噸。而周邊其他國家為了滿足自身需要，開始競相開采，致使我國每年流失超出500萬噸油氣資源，占我國年產(chǎn)量1/4，因此，我國油氣資源開采工作較為嚴峻。但是，我國在海洋油氣開采技術(shù)方面的研究時間較短，在具體開采作業(yè)中存在一定困難，所以需要積極開展相關(guān)研究工作。

1國外相關(guān)設(shè)計分析

1.1PLS系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一種鉆桿自動堆放和夾取裝置，廣泛用于自動鉆井平臺中，主要型號涵蓋PLS-3以及PLS-5等。在鉆研上獨立進行安裝，高度形成在11m左右，提升臂旋轉(zhuǎn)范圍達到90°，和井口、貓道等處于同一直線上。其主要是將鉆桿單根貓道機角度進行垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變，同時，放置于鼠洞上方，垂直鉆桿系統(tǒng)開展單根接立根的離線操作予以配合，不會對鉆進作業(yè)造成影響，促使鉆臺效率和安全性得到充分提升。

1.2VDM系統(tǒng)

在鉆臺井架V形門位置進行安裝，舉升形成最高值為27m，舉升荷載最大值為100kN。VDM系統(tǒng)和鉆桿傳送裝置引導機、動力鼠洞進行配合，能夠?qū)崿F(xiàn)單個接立根工作，無須采用垂直鉆桿系統(tǒng)。鉆桿舉升水藻通過系統(tǒng)中鋼絲繩以及絞車實現(xiàn)。絞車涵蓋盤式制動以及AC變頻馬達等裝置組成，通過這些裝置能夠?qū)μ嵘恢门c速度控制效果進行充分優(yōu)化。同時，該系統(tǒng)中還設(shè)置了一臺張力絞車，能夠?qū)ο到y(tǒng)進行保護，若是主絞車無法正常運轉(zhuǎn)，可以通過張力絞車實現(xiàn)舉升操作，防止提升裝置發(fā)生墜落事故。

1.3PRM系統(tǒng)

對于PRM系統(tǒng)，其運行模式一種涵蓋兩種，這也是PRM系統(tǒng)和其他系統(tǒng)最大的差異之處，同時，該系統(tǒng)并不在V形門位置進行安裝，屬于柱形系統(tǒng)，該技術(shù)較為成熟，在鉆井平臺中應用較為廣泛。PRM系統(tǒng)在水平/狀態(tài)下，能夠進行水平/垂直系統(tǒng)功能相關(guān)操作，促使鉆桿在垂直狀態(tài)和水平狀態(tài)中進行自由轉(zhuǎn)換。若是將該系統(tǒng)切換到垂直狀態(tài)，則能夠?qū)α⒏M行垂直傳輸，并可以展開單根接立根離線操作。

2鉆桿單根接立根設(shè)計

2.1鐵鉆工、單鼠洞與PRM結(jié)合方式

PRM涵蓋兩種運行方式，能夠進行垂直鉆桿和水平/垂直鉆桿的操作，所以能夠借助單動力鼠洞、鐵鉆工和貓道機結(jié)合方式對單根接立根展開離線操作，使V形門系統(tǒng)可以省略。

2.2鐵鉆工、夾管器、單鼠洞與VDM結(jié)合方式

貓道機導向裝置和VDM系統(tǒng)相結(jié)合，對第1單根進行抓取，并在鼠洞中放置，鐵鉆工和VDM系統(tǒng)配合進行第2單根抓取，之后和鼠洞內(nèi)單根展開上扣操作。之后VDM將2節(jié)單根抓取，向夾管器中輸送，運用VDM將第3單根抓起，并放置于鼠洞，同時，將夾管器中單根抓起，和鐵鉆工進行配合，同鼠洞中的單根展開上扣作業(yè)，即將立根上扣完成[3]。

2.3鐵鉆工、雙鼠洞、VDM結(jié)合方式

貓道機導向裝置和VDM系統(tǒng)相結(jié)合，對第1單根進行抓取，并在第1鼠洞中放置，鐵鉆工和VDM系統(tǒng)配合進行第2單根抓取，之后和鼠洞內(nèi)單根展開上扣操作。后VDM將2節(jié)單根抓取，向第2鼠洞中輸送，運用VDM將第3單根抓起，并放置于第1鼠洞，借助VDM對第2鼠洞中單個進行抓取處理，同時，和鐵鉆工進行配合，同第1鼠洞中的單根展開上扣作業(yè)，即將立根上扣完成。對于鐵鉆工、雙鼠洞、VDM設(shè)計，其與2.2中設(shè)計方案的特性較為相似，然而，并不需要設(shè)置夾管器，而是需要雙鼠洞。

2.4鐵鉆工、PRS、單鼠洞與PLS結(jié)合方式

運用PLS系統(tǒng)對貓道機中第1單根抓取，并放置于鼠洞中，完成第2單根抓取操作之后向PRS中傳送，鐵鉆工和PRS配合，之后開展上扣操作。通過PRS將2節(jié)單根提起，運動PLS對第3單根進行抓取，放置于鼠洞中，鐵鉆工和PRS配合，對前2節(jié)單個和鼠洞中的單根進行上扣處理，及將立根上扣工作完成。此方案需要和垂直鉆桿系統(tǒng)進行配合，非常復雜煩瑣，然而，PLS鉛錘方向具有小尺寸特點，空間占比非常小。

3V形門系統(tǒng)設(shè)計

3.1移動V形門系統(tǒng)

移動V形門系統(tǒng)涵蓋導軌、夾具手、液壓缸、提升臂、移動小車以及升降架等部分構(gòu)成，見圖1。1～15分別為鉆臺、鉆桿、貓道機、井架V形門、導軌、移動小車、平移液缸、升降架、提升液缸、提升臂、伸縮液缸、夾具手、井口和動力鼠洞。其伸縮功能、升降系統(tǒng)以及縱向旋轉(zhuǎn)等和旋轉(zhuǎn)V形門系統(tǒng)相同，其平移液缸能夠通過移動小車對提升臂進行左右移動操作，通過滾輪使升降架和移動小車接觸。該系統(tǒng)在井架V形門偏右位置安裝，并結(jié)合和其平行的鼠洞進行單根接立根工作。通過上圖能夠發(fā)現(xiàn)，貓道和井口呈直線分布于V形門中間位置，動力鼠洞偏右，和井口不在同一直線。夾具手、提升臂貓道機鉆桿進行抓取，使鉆桿提升，同時，進行旋轉(zhuǎn)操作，使其能夠保持垂直，通過平移液缸，促使移動小車對鉆桿和提升臂進行右移操作。該系統(tǒng)在動力鼠洞14中放置第1單根，在15中放置第2單根，通過鐵鉆工協(xié)助把抓取的第3單根和第2單根展開上扣操作，之后上提第2單個和第1單根展開上扣，促使接立根操作進一步完成。兩動力鼠洞和鐵鉆工處于同一執(zhí)行，能夠移動。

3.2旋轉(zhuǎn)V形門系統(tǒng)

在V形門內(nèi)部進行旋轉(zhuǎn)V形門系統(tǒng)安裝，主要涵蓋導軌、液壓缸、夾具手、提升臂、升降架等部分，見圖1。1～10分別為：井架V形門、伸縮液缸、夾具手、鉆桿、頂部夾管器、升降架、旋轉(zhuǎn)液缸、提升臂以及導軌。該系統(tǒng)主要借助液壓絞車促使升降架工作，實現(xiàn)鉆桿升降目標，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過提升液缸能夠?qū)μ嵘圻M行縱向旋轉(zhuǎn)操作，旋轉(zhuǎn)范圍為90°，通過伸縮液缸能夠?qū)崿F(xiàn)前后伸縮目標，通過旋轉(zhuǎn)液缸可以進行橫向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)V形門操作系統(tǒng)中，井口、動力鼠洞以及貓道等在同一中心線，其功能主要是對鉆桿單根進行抓取，使其從貓道機部分轉(zhuǎn)變成垂直狀態(tài)，同時，向動力鼠洞中傳送，開展單根接立根作業(yè)，或是向井口傳送。在鉆桿被貓道機以及其他傳送裝置送達鉆臺后，該系統(tǒng)對其進行抓取上提處理，通過提升液缸對提升臂進行旋轉(zhuǎn)操作，促使鉆桿能夠處于垂直狀態(tài)，并在動力鼠洞中放置，借助同樣操作方式對第2單根激進型抓取冰河鼠洞單根展開上扣操作，之后對2節(jié)單根進行上提處理，借助旋轉(zhuǎn)液缸促使提升臂旋轉(zhuǎn)到合適角度，向頂部夾管器傳送鉆桿，之后借助同樣方法對第3單根進行抓取處理，并在動力鼠洞中進行放置，對升降架進行上升操作，將2節(jié)單根取回，同時，和第3單根進行上扣處理，及結(jié)束單根接立根，立根拆卸時，只需對上述過程進行反向操作即可。移動V形門系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)V形門系統(tǒng)之間的特色存在一定差異，然而，兩者設(shè)計目的與完成的功能一致。對于旋轉(zhuǎn)V形門，動力鼠洞數(shù)量是1個，并且鉆臺結(jié)構(gòu)比較簡單，然而，需要將夾管器安裝于井架上部；而移動V形門需要將兩個鼠洞安裝于鉆臺上，不需要將夾管器安裝于井架上，使得井架結(jié)構(gòu)更加簡單。以對夾具手夾住的鉆桿運動形式角度分析，在移動系統(tǒng)中，需要將滾輪組件和平移液缸安裝于升降架中，所以，其升降架結(jié)構(gòu)較為復雜。

4結(jié)語

在自動化鉆臺中，鉆桿自動體系屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將鉆井人員直接與鉆桿接觸的工作替代，充分保證鉆井人員安全，并降低勞動強度，能夠在半自動與全自動之間進行切換，可以通過PLC進行編程控制。通過計算機系統(tǒng)對鉆桿操作過程進行監(jiān)控，保證鉆桿運移的精確性，進而實現(xiàn)自動操作。當前，在社會發(fā)展推動下，為我國鉆桿自動操作系統(tǒng)發(fā)展提供良好條件與空間，對相關(guān)技術(shù)進行研究時，應該積極借鑒國外成熟經(jīng)驗，以減少我國研發(fā)工作的彎路。

參考文獻：

[1]時培正，魏慶彩，李楊.一種深水鉆井平臺鉆井設(shè)備智能化操作系統(tǒng)探討[J].化工管理，2017(33):193-193.

[2]葛樂通，石浦，孫俊林，劉志剛.鉆井平臺中部鉆桿輸送機上輸方案與機構(gòu)研究[J].機械設(shè)計與制造，2017(11):165-168.

[3]伊偉鍇，李晨晨，于松周，何俊彬.海洋鉆井平臺自動排管系統(tǒng)模型樣機設(shè)計[J].油氣田地面工程，2016，35(05):46-48.

[4]王安義，楊秀菊，樊春明，張鵬，劉志桐.超深水半潛式鉆井平臺雙井架鉆機關(guān)鍵作業(yè)工藝分析[J].船舶，2019，30(01):69-73.

作者：白珊珊 單位：大慶鉆探工程公司機械修理廠工具分廠