（机械工程专业论文）钻井平台钻杆自动操作系统设计研究.pdf

摘要 钻杆自动操作系统是自动化钻井系统的重要组成部分。为了改变传统的钻杆操作方 式，提高工作的安全性和效率，降低工人的劳动强度，从上世纪4 0 年代起国外便开始 了相关技术的研究和运用。但国内对这项技术的研究相对落后，截止到目前，仍没有出 现完整意义上的全自动化钻杆处理系统。 钻杆自动操作系统在改善工人劳动条件和提高钻井作业效率方面有着明显的优势。 尤其对于作业成本高、作业环境恶劣的深水钻井平台而言，采用钻杆自动操作系统不仅 可以将工人从传统的体力劳动中解放出来，还降低了钻井作业的成本。本文针对第六代 深水半潜式钻井平台，设计了一种可以完成钻杆排放、传送、接立根等一系列操作的全 自动化钻杆操作系统。 本文主要完成了以下几个方面的内容： 首先，分析了本课题的研究目的和研究意义，并对自动化钻杆操作系统的发展历史 进行了论述。其次，对课题组成员已经完成的钻台排放系统部分，进行了进一步的补充 和完善，主要是钻杆立根盒的设计和螺纹补偿机构的设计。然后，对甲板堆场至钻台的 传送系统部分进行了机械系统的设计，包括桥式起重机和自动化猫道机两部分，并利用 三维建模软件完成了三维实体建模。最后，对钻杆传送系统部分进行了静力学分析、运 动学分析和动力学分析，计算了各机构的受力和运动速度，并在此基础上进行了液压系 统的设计，对相应的液压元件进行了设计和选择。 关键词：钻杆自动操作系统，机械系统，力学分析，液压驱动 r e s e a r c ho f a u t o m a t e dp i p eh a n d l i n gs y s t e mf o rt h ed r i l l i n gp l a t f o r m l i up i n g q u a n ( m e c h a n i c a le 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 eh a n d l i n gs y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tp a r to fa u t o m a t e dd r i l l i n gs y s t e m i na b r o a d ， t h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t e dp i p eh a n d l i n gh a sb e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e df r o m4 0 s ，i no r d e r t oc h a n g et h ew a yo ft r a d i t i o n a lp i p eh a n d l i n ga n di m p r o v es a f t ya n de f f i c i e n c y , a l s of o r r e d u c i n gt h ep h y s i c a ls t r e n g t ho fw o r k e r s b u t ，t h er e s e a r c ho ft h i st e c h n o l o g yi sj u s t b e g i n n i n gi nd o m e s t i c p i p eh a n d l i n gs y s t e mh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so ni m p r o v i n gw o r k i n gc o n d i t i o na n d d r i l l i n ge f f i c i e n c y p i p eh a n d l i n gs y s t e mn o to n l ys a v e sw o r k e r sf r o mt i r e ds i t u a t i o n ，b u ta l s o r e d u c e sc o s t so fd r i l l i n g ，t h i si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e s ed e e p w a t e rd r i l l i n g p l a t f o r m sw h i c h a lei np o o re n v i r o n m e n ta n dc o s th i g h l y t h i sp a p e rp r o p o s e daf u l l ya u t o m a t e dp i p eh a n d l i n g s y s t e mf o r6 也g e n e r a t i o nd e e p w a t e rs e m i s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r m ，t h es y s t e mc a n p e r f o r mas e r i e so fo p e r a t i o n ss u c ha st r a n s f e r r i n g ，r a c k i n ga n dm a k i n gt r i p l e s i nt h i sp a p e r ，t h o s et a s k sh a v eb e e na c c o m p l i s h e da sf o l l o w i n g ： f i r s t ，p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c tw a sa n a l y s e da n dd e v e l o p m e n to f a u t o m a t e dp i p eh a n d l i n gs y s t e mw a sp r e s e n t e d s e c o n d ，t h ep a p e ri m p r o v e dt h ep a r to fp i p e r a c k i n gs y s t e mo nd r i l l i n gf l o o rt h a th a db e e nc o m p l i s h e db yo t h e r so fr e s e a r c ht e a m ，p i p e s e t b a c ka n dt h r e a dc o m p e n s a t i o nd e v i c ew e r ea d d e d t h i r d ，t h ep a p e rd e s i g n e dm e c h a n i c a l s y s t e mo fp a r t o fp i p et r a n s f e r r i n gs y s t e mb e t w e e np i p e d e c ka n dd r i l l i n g f l o o rw h i c h c o m p o s e do fg a n t r yc r a n ea n dc a t w a l km a c h i n e ，a n di th a sb e e nm o d e l e db yu s i n g3 ds o l i d m o d e ls o f t w a r e l a s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e ds t a t i c s ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fp i p e t r a n s f e r r i n gs y s t e m ，a n dt h ef o r c ea n dt h ev e l o c i e t yo fe v e r ym e c h a n i s mw e r eg o t ，o nt h i s b a s i s ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fp i p et r a n s f e r r i n gs y s t e mw a sp r o p o s e da n dh y d r a u l i c c o m p o n e n tw a sd e s i g n e da n dc h o i c e d k e yw o r d s ：a u t o m a t e dp i p eh a n d l i n gs y s t e m ，m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e c h a n i c a l a n a l y s i s ，h y d r a u l i cs y s t e m 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已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。 学位论文作者签名：日期： 如l 萨#6 月 弓日 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 指导教师签名： 日期：加一年6 月3 日 日期：列0 年舌月3 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的来源及研究意义 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1 1 课题的来源 鉴于对油气资源需求量的不断增加，石油工业开始将注意力集中在新的未开发地 带，包括深海。目前，海洋油气资源的开发已成为石油工业的热点，勘探开发的范围已 从小于5 0 0 m 的浅海发展到大于1 5 0 0 m 的超深海。 我国的南海蕴含着丰富的油气资源，据相关部门统计约有油气当量5 0 0 多亿吨。为 了满足对石油的需求，周边国家竞相开采，导致我国南海油气资源每年流失5 0 0 0 多万 吨，相当于国内一年总产量的1 4 ，形式非常严峻。然而由于我国的海洋油气开采技术 相对落后，至今无法进行深水及超深水的油气资源开发和利用。南海水深一般在5 0 0 米 到2 0 0 0 米左右，然而截止到目前，国内已用于钻井作业的海洋平台最大作业水深仍不 足5 0 0 米，不具备进行南海油气资源开采的能力。 国家8 6 3 重大科研项目深水半潜式钻井船设计与建造关键技术正是针对这一现 状，对深水半潜式钻井平台的核心和关键技术进行研究，为我国自主设计和建造深水半 潜式钻井平台提供技术支持。 本课题来源于8 6 3 科研项目深水半潜式钻井船设计与建造关键技术的子课题“钻 井系统集成与重要设备研究 ，研究的目的是设计一套适用于深水半潜式钻井平台的自 动化钻杆操作系统，实现钻井过程中钻杆操作的全部自动化。 1 1 2 课题的研究意义 进行钻杆自动化操作系统设计研究的意义，主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 提高作业安全性。传统的钻井起、下钻作业时，必须要有井架工配合才能完成，井 架工要在高于钻台面二十多米的二层台上工作，同时还要面临与钻台工作人员交流困 难、工作环境更为恶劣等不利因素。这是钻井作业中最危险的工作之一，工作时稍有不 慎就可能会出现被吊卡撞击、被钻杆碰伤，甚至会从二层台跌落，危及生命l lj 。除了井 架工外，进行钻杆排放作业的其他工作人员也非常危险。根据英国1 9 9 8 年的一次调查， 钻杆操作( 包括起钻、下钻、钻杆排放以及上卸扣操作) 所引发的事故，占全部钻井事 故的7 7 ，如图1 1 所示。 第一章绪论 自动化钻杆操作系统对安全性的提高体现在三个方面：首先，自动化操作系统可以 减少钻台工作人员的数量【2 1 ，暴露在钻台上的工作人数明显减少；其次，自动化操作系 统可以将工作人员从危险的工作中解放出来【3 】，取消高空作业的井架工，钻台上的工作 人员也不需要与钻杆直接接触，所有操作均可通过遥控进行；最后，自动化操作系统可 以显著的降低工作人员的劳动强度，同时提高了工作的安全性。 载 手动工具有害物质 扣 1 8 起、下钻 2 1 图1 1 钻井事故率分布 f i g l 一1 t h ed i s t r i b u t i o no f d r i l l i n gi n j u r y ( 2 ) 降低作业成本。 海洋钻井作业的费用非常高昂，深水钻井作业时情况更为突出。根据以往调查显示， 用于钻杆操作的时间约占全部钻井时间的3 0 左右吲，具有很大的提升空间，因此，钻 杆操作效率的提高对于降低海洋钻井作业的费用意义重大。钻杆自动操作系统能够提 高工作效率，不仅是指提高其工作速度，更重要的体现在以下两个方面：一方面，自动 化操作系统能按照设定的工作速度，长时间持续工作，不会产生“疲劳 现象；另一方 面，自动化操作系统能够实现离线作业，在不影响钻进的同时可以完成钻杆单根接成立 根等操作。 ( 3 ) 符合国际规则 1 9 9 5 年，挪威石油局发布一条规定5 】：在其规定海域内作业的钻井船只，必须通过 遥控来实现全部钻井管具的处理，主要包括各类钻井管具在甲板与钻台之间的往返传 送，以及起、下钻和钻杆单根接立根等过程。随着科技的进步，越来越多更加趋向于人 性化的规则陆续出台，这些新的规定将会在一定程度上影响钻井作业的方式。 除了以上几点，采用自动化钻杆操作系统代替传统的人工方式进行钻杆处理，也是 世界工业发展的必然趋势。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 自1 8 9 5 年世界上第一台旋转钻机用于开采石油时，人们就开始寻找新的途径来减 轻工作强度和提高工作效率，直到1 9 4 9 年，h u m b l eo i l 和b y r o nj a c k s o n 公司推出了3 臂钻杆排放系统的原型机。 1 9 5 6 年，c u s s 1 号钻井平台安装了一套水平钻杆排放系统，这是钻杆操作系统 第一次得到了实际运用。排放系统将钻杆立根水平摆放在甲板上，通过一个机械化坡道 实现钻杆从甲板到井口的传送。与此同时，垂直钻杆排放系统也取得了较快的发展 6 1 。 1 9 6 8 年，d i s c o v e r e r 号钻井船为了消除因船体在海水中晃动而造成的钻杆操作困难 的问题，安装了一套垂直钻杆排放系统，该系统得到了成功的运用，并产生了较大影响， 很多钻井船只开始效仿。 从上世纪6 0 年代初n t o 年代末，钻杆操作系统获得了较快发展，据v t t r 报道，先 后有3 4 8 套钻杆操作系统被应用。 1 9 7 3 年，用于挪威北海地域作业的s m e d v i gw e s tv e n t u r e 号半潜式钻井平台上安装了 全机械化钻杆排放系统，这是钻杆排放系统首次安装在半潜式钻井平台上，同样获得了 巨大成功。在北海地域作业的其他钻井平台也开始安装这类排放系统。 1 9 7 4 年，s e d c 0 4 4 5 钻井船安装了另一种水平钻杆排放系统p i p em a s t e rp i p er a c k e r 。 从7 0 年代中期n 8 0 年代中期，人们开始逐渐将计算机技术应用于机械化控制系统， 新型的计算机技术对钻杆自动操作系统地发展产生了重要的影响。 1 9 8 6 年，第一个柱形管子排放系统p h m - 1 ( p i p eh a n d l i n gm a c h i n e ) 应用于“t r a n s o c e a n 8 号钻井平台上。 1 9 9 0 年，一种在甲板与钻台之间进行钻杆传送的新型钻杆处理设备被应用于 s m e d v i g 公司的m a e r s kg a l l a n t 号、w e s te p s i l o n 号自升式钻井平台上。该钻杆处理设备即 为后来的钻杆传送系统。 1 9 9 7 年，位于美国北海b r e n t 油田作业的c h a r l i e 号钻井平台，为满足新的工作需求进 行了升级改造，采用的钻杆操作设备包括甲板钻杆起重机、带式钻杆输送机、星形钻杆 排放系统等。虽然在试用初期由于工作人员的操作错误等问题导致该船的作业效率一度 下降，但经过几个月的使用后，c h a r l i e 号钻井船的钻杆排放作业效率明显提高，甚至超 过了原先的一倍【7 1 。 3 第一章绪论 1 9 9 9 年，挪威的o s e b e r gs o r 平台上安装了钻杆操作系统。 2 0 0 6 年，w e a t h e rf o r d 公司对s t a b m a s t e r 钻杆操作装置( 该装置主要用于升级和改造 传统钻井平台，可代替二层台的井架工进行钻杆排放作业) 的使用情况进行了调查，结 果发现该系统不仅提高了工作的安全性，也明显的降低了钻杆排放作业时间【8 1 。 2 0 0 8 年1 月，韩国造船厂为s t e n ad r i l l i n g 公司制造的第六代钻井船s t e n ad r i l l m a x ， 交付使用。该钻井船上安装有自动化钻杆操作系统，包括p i p eh a n d l i n gs y s t e m 、 h y d r a r r a c k e r 、g a n t r y c r a n e r 、c a t w a l k m a c h i n e 以及隔水管处理系统r i s e rh a n d l i n g e q u i p m e n t 9 1 。 2 0 0 9 年，m a e r s k 公司的第六代深水半潜式钻井平台m a e r s kd e v e l o p e r 在墨西哥湾下水 作业。m a e r s kd e v e l o p e r 钻井平台上安装有一整套全自动化钻杆处理设备，主要包括 v - d o o r m a c h i n e ，h y d r a r a c k e r ，u p p e rg u i d ea r m ，v e r t i c a lp i p ec h u t e ，p i n n i n gg u i d ea r m 等。与以往不同，新型全自动化钻杆操作系统的各个设备，不再作为独立的系统由工作 人员分别对其进行控制，而是作为一个整体系统，由m m c 系统统一协调控制，以实现 钻杆排放过程的全部自动化。m m c 系统自动检测和控制各操作设备，协调运作，避免 出现“碰撞”1 1 0 。 到现在为止，国外在钻杆自动化操作系统方面取得了较为显著的成果，已经形成了 一系列完善的设备。目前，在钻杆自动化操作系统方面具有世界领先水平的是n a t i o n a l o i l w e l lv a r c o 公司和a k e rk v a e m e rm h 公司。 美国v a r c o 公司研制的钻杆自动操作系统包括p r s 系统、p l s 系统、以及带式钻杆输 送机、自动化猫道机和甲板钻杆起重机等等，这些系统可以用来传送和排放钻杆、钻铤 以及套管等钻具。 挪威a k e rk v a e m e r 公司研制的产品有p h m 排放系统、2 - a r m 钻杆排放系统、e a g l e 排放系统、钻杆起重机等等。 1 2 2 国内研究现状 自动化钻杆操作系统在国外虽然有较长的研究和应用历史，而国内对该系统的研究 和设计工作才刚刚起步。 2 0 0 1 年，兰州石油化工机器厂研制成功的6 0 0 0 m 电驱动沙漠钻机采用钻杆排放系统。 2 0 0 4 年，中国石油物资装备( w o o l s a y e r ) 公司引进s r 2 5 0 e 型自动钻杆排放系统为 石油钻井及维修作业提供职业的安全保护，适用于陆上钻机、固定平台以及自升式钻井 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 平台。 2 0 0 6 年9 月下水作业的“海洋石油9 4 1 ”是大连船舶重工集团为中海油服建造的用 于海上石油和天然气勘探、开采作业的自升式钻井平台。其上配备了v a r c o 公司 h r ( h y d r ar a c k e r ) 柱形排放系统，以及折臂起重机、钻杆输送机、铁钻工等。该钻杆自 动处理系统能够实现平台上钻杆的一系列操作，明显的提高了工作安全性以及降低了工 作人员的劳动强度。 2 0 0 7 年9 月，南阳二机石油装备有限公司生产的液压动力猫道在加拿大北部地区进 行作业，该设备能实现钻杆低位排放、钻杆送入钻台、钻杆引回( 即甩钻) 等功能【l l 】。 2 0 0 8 年，上海三高石油设备有限公司针对陆地钻机，提出了一种轻型桅杆式钻杆排 放装置【1 2 1 ，并于0 8 年4 月前完成了机械结构设计和液压驱动装置的设计。 2 0 0 8 年，中油辽河宝石石油装备有限公司设计了一种适用于陆地钻机的自动化猫 道，并就此申请了国家专利【1 3 】。 近几年来，有一部分科研单位和装备制造企业陆续投入到了钻杆操作设备的研究和 设计工作，并取得了一定的成果。但这些研究工作往往是针对于某一个特定的钻杆操作 工序，面对某一个独立的钻杆处理设备进行研究，这样的结果是实现部分钻杆操作过程 的机械化，而无法实现钻杆操作过程的全部自动化。此外，国内所进行的部分研究工作， 基本上都是针对于陆地钻机，目前尚无一家单位推出适合于深水钻井平台的全自动化钻 杆处理设备。 1 3自动化钻杆操作系统主要分类【1 4 】 自动化钻杆操作系统根据其所处理管具的空间位置可分为：水平钻杆操作系统、垂 直钻杆操作系统和水平垂直钻杆转换系统。 1 3 1 水平钻杆操作系统 水平钻杆操作系统即为钻杆传送系统，其主要作用是在钻台和甲板之间进行钻杆及 其他管具的传送，主要有甲板起重设备与钻杆传送设备两部分组成。甲板起重设备的作 用是将排放在甲板上的钻杆移送至钻杆传送设备上，或反向操作。 悬臂起重机主要有主体部分、悬臂装置和机械手等构成。起重机本体可以沿着轨道 做水平移动，举升装置可以带着悬臂垂直上下移动。除此之外，为方便对钻杆的抓取， 悬臂还可以自由伸缩一定距离。这种起重机结构简单、安装方便，但只能沿着轨道进行 单排钻杆的操作，一次只能传送一根钻杆，由于自身结构限制，其举升高度一般较低。 5 第一章绪论 折臂起重机的塔身可以绕其自身轴线旋转，各关节臂可以绕铰接轴做一定角度的转 动，末端回转装置可以绕其轴线转动，通过对塔身、关节臂以及末端回转装置等机构的 调整可以实现对末端夹持机构的精确定位。该起重机塔身固定连接在甲板上，对安装的 定位精度要求相对较低，工作时不需要沿甲板做平面移动，因此产生的动载荷相对要小。 折臂起重机具有一定的冗余自由度，可以灵活的进行钻杆的移送操作。 门桥式起重机通过大车行走机构的平面移动、小车行走机构的平面移动、提升机构 的垂直上下直线运动，来实现末端夹持器的定位。门桥起重机的机械结构简单，容易实 现自动化；其工作范围较大，工作只受轨道行程的限制和起重机跨度的限制。 带式钻杆输送机是钻杆和其他相关管具的传送机械，可以在钻台和甲板之间安全可 靠的往复传送钻杆。输送机在甲板上进行钻杆操作时，需要甲板起重设备的配合；在钻 台上进行钻杆处理时，需要水平垂直钻杆转换系统的协助来完成操作。该系统使用一种 防油污的多层橡胶带来实现钻杆的水平传送，在输送机的尾部安装有一个驱动滚筒，另 一端安装有一个拉紧筒。通过液压马达带动驱动滚筒旋转，从而驱动传送带运行，以实 现钻杆的传送。输送机的尾部还配备了一个引导装置，用以引导钻杆从水平位置到达倾 斜的位置，以便钻杆的抓取。 该设备的优点是结构简单，可以快速连续的传递钻杆，并且输送带在工作过程中会 对钻杆起到很好的保护作用，不需要安装钻杆护丝；缺点是受风力影响较大，风过大时， 会出现钻杆从传送带滚落的现象。由于这种传送设备结构相对简单独立，所以可用来对 现有钻台进行改造，带式钻杆输送机常与悬臂起重机配合作为一套轻巧、灵便的钻杆传 送系统使用。 1 3 2 水平垂直钻杆转换系统 水平垂直钻杆转换系统安装在钻台入口处，其主要作用是将在其下方水平放置的钻 杆提起并转换至垂直状态，或将钻台上处于垂直状态的钻杆转换至水平位置并下放到钻 杆传送设备上。此外，还可以辅助垂直钻杆操作系统完成单根接立根操作或独立完成单 根接立根操作。水平垂直钻杆转换系统的结构形式不同，但基本功能都是作为水平钻杆 操作系统与垂直钻杆操作系统的衔接装置使用，下面介绍两种较典型的设备。 v - d o o r m a c h i n e 安装在井架的v 形门处，与动力鼠洞和钻杆传送设备尾部的引导机 构配合，即可完成单根接立根操作，并可以在井口和钻杆传送设备之间往返移送钻杆， 而不需要钻杆排放系统的涉及。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 e a g l e e a g l el i g h t 两种系统采用机器人控制原理实现其运动的控制，属于全自动化处 理设备。其中e a g l e 系统最大伸出范围可达1 l m ，并具有接立根的功能。 1 3 3 垂直钻杆操作系统 垂直钻杆操作系统又称为钻杆排放系统，其功能是在钻台上对钻杆或其它管具进行 操作，主要包括在井口与立根盒之间移送钻杆立根、钻杆单根连接成立根等操作。按其 结构形式和工作原理可分为柱形排放系统、桥式排放系统、机械手式排放系统。 桥式排放系统基本具有四个自由度，横梁的两端可以在支撑架的轨道上平行移动， 中间垂直柱形结构可以随着小车在横梁上做直线移动，柱形结构可以绕自身轴线做回转 运动，机械手可以沿柱形结构上下移动。横梁的支撑导轨一般安装在井架上，因此工作 时会对井架产生一定动载荷，其主要功能是在井口与立根盒之间进行立根的移送，这种 排放系统一般不具备离线接立根的功能。 机械手式排放系统是将不同类型的机械手安装在钻台、二层台以及井架等位置，通 过系统的平面移动或机械手的伸缩功能来实现钻杆的移送。v a r c o 的c o m p a c tr a c k e r 是 采用的机器人控制原理实现对其机械手运动的精确控制，来达到准确移动钻杆的目的。 m h 的2 - a r ms y s t e m 是将上下两个机械手分别安装到二层台和钻台上，通过两个机械手 的配合来实现立根在井口和立根盒之间的移送。机械手式排放系统既可以作为辅助设备 与其它排放系统配合使用，也可以单独进行钻杆的操作，由于系统结构比较简单，安装 也相对简单，除了可以作为自动化钻井平台的钻杆操作系统，还可以用来对现有的一些 平台进行改造。 柱形排放系统的结构特征是将两个或多个机械手安装在一个独立支撑的柱形结构 上，这种排放系统功能比较强大，适合在多种钻井平台上进行钻杆操作。柱形排放系统 p i p er a c k i n gs y s t e m 与水平垂直钻杆转换系统p i c k u pa n dl a y d o w ns y s t e m 相互配合可 以实现钻台上钻杆的全自动化处理，并在t r a n s o c e a ns e d c of o r e x 的超深水钻井船“d i s c o v e r e re n t e r p r i s e ”上得到成功运用。柱形排放系统多用于新型的自动化钻井平台或钻井 船上【1 5 1 ，作为管具的自动化排放设备使用，相对于其它排放系统，有如下优点： ( 1 ) 柱形排放系统结构独立，工作时不会对井架等设备产生附加载荷； ( 2 ) 大多数柱形排放系统可以在钻台上移动，作业范围大； ( 3 ) 功能强大，部分柱形排放系统兼具有水平垂直钻杆转换系统的功能； ( 4 ) 多数柱形排放系统可与水平垂直转换系统配合来完成离线单根接立根的操作，提高 7 第一章绪论 了工作效率。 钻杆操作系统是否具有离线单根接成立根功能是衡量其自动化程度以及工作效率 的一个重要因素。如果垂直钻杆操作系统是具有单根接立根功能的柱形系统，则相应的 水平垂直转换系统就不需要具有单根接立根能力，只起到辅助作用；如果垂直钻杆操作 系统本身不具备离线单根接立根功能，则相应的水平垂直钻杆转换系统是否具有单根接 立根功能就显得十分重要。 1 4 课题的研究内容与研究方法 1 4 1 研究内容 钻杆自动操作系统主要有钻杆自动排放系统和钻杆自动传送系统两大部分组成，研 究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 钻杆自动传送系统的机械结构设计 根据钻杆传送的操作过程，结合深水半潜式钻井平台的工作环境，确定钻杆自动传 送的合理方案；在此基础上针对系统要执行的各种操作，对系统的各个组成部分进行合 理的结构设计，确定各主要机构的尺寸参数。 ( 2 ) 钻杆自动传送系统的设计计算与静力分析 对钻杆传送系统进行设计计算，为实现执行构件的各种功能，驱动构件所应输出的 驱动功率；并针对部分运动速度慢，重量小的机构进行静力学分析。 ( 3 ) 钻杆自动传送系统的运动学与动力学分析 对运动构件进行运动学分析，求出机构终端与机构关节之间的位置映射关系和速度 映射关系；对起重机进行动力学分析，求出连杆的运动速度与关节力之间的函数关系。 ( 4 ) 钻杆自动传送液压系统设计 根据钻杆传送系统要完成的各项动作，设计出液压系统原理图，并结合工作载荷的 大小，对各液压元件进行设计和选择。 ( 5 ) 钻杆自动排放系统部分的进一步发展和完善 在课题组成员设计的钻杆自动排放系统部分已经基本成形的基础上，针对其细节进 行补充和完善，使其能够与钻杆自动传送系统实现良好配合。 ( 6 ) 系统的建模以及运动仿真 用p r o e 对钻杆传送系统的全部内容以及钻杆排放系统的新增内容进行建模，并针 对部分运动机构，进行运动仿真。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 2 研究方法 本课题所采用的研究方法是：首先，广泛调研国内外相关资料，吸收一些先进的设 计思想；其次，充分了解钻杆操作的流程，在此基础上对钻杆操作系统进行合理的设计； 最后，对操作系统进行理论计算和分析。 9 第章钻杆排放系统介绍压部分机构的设汁 第二章钻杆排放系统介绍及部分机构的设计 本章将对钻杆排放系统的主体内容进行介绍，并在此基础上对部分机构进行设汁。 钻杆排放系统的主体部分包括排管机p r s 和水平垂直钻杆转换系统p l s ，这部分内容 是由课题组成员刘文庆先期完成的本文在此引用，并将在本章第二节中对其进行详细 介绍。在p r s 和p l s 已基本成形的基础上，本文补充设计了部分执行机构，使钻杆排放 系统得到了进一步的完善。此外，本章还对p r s 机械手的移送动作进行了运动仿真。 21 钻杆操作系统总体功能分析 本文针对深水半潜式钻井平台，提出一种钻杆操作系统，该操作系统既适用于传统 的单井架结构形式，也适用于双井架结构。钻杆操作系统总体示意图、总体靠局图分别 立u 图2 1 、2 - 2 所示。 图2 - 1 钻杆操作系统三维示意图 f i 9 2 1 3 ds k e t c ho f p i p e h a n d b a gs y s t e m 钻杆操作系统根据要求应具有如下功能： 中国油 学( 华东) 蚀i 哔位论文 ( 1 ) 钻朴传送部分：能够在甲板堆场上排放管具；能够在甲板和钻台m 往返传送管具。 处，1 1 管具范围：直径2 i n 5 l n 的钻杆、直径3 必i n 1 0 i n 的钻铤、直径4 l n 2 0 i n 的套管i “。 ( 2 ) 钻朴排放部分：能够在井口和立根盒之i b j 往返移送钻杆和钻铤立根；能够离线完成 单橄接立根操作。处理管只范围：直径2 i n 一51 2 i n 的钻杆、直径3 i n 一1 0 i n 的钻铤。 f i e , z - 2 g e n e r a l i a y o u t o f p i p eh a n d l i n gs y s t e m 钻朴操作系统用于双井架时，钻台布局图如2 - 3 所示。本文仅提出一种典型的柿置 方式，具体应用时，可根据钻井工艺的要求，重新配置。 第钻杆摊m 缝介镕部分0 l 构0 勺挫 f i g2 - 3g e n e r a l l a y o u t o f p i p eh a n d l i n gs y s t e mo bd u a ld e r r i c k 中 半( * $ 】碰l 孝也论盅 2 2 钻杆排放系统介绍 钻杆自动排放系统魁钳制操作系统的重要组成部分，其功能足：实现钻台上全部钻 相处理的自动化。包括柱形钻杆排放系统p r s 和水平垂直钻杆转换装簧p l s 。 p l s ( p i c k u pa n dl a y d o w l s y s t e m ) 如图2 _ 4 所示，安装在井架v 形门处。其功能是实 j 见锚剌的上、f 钻台过程自动化。泼装置可以将猫道机上的钻杆提上钻台，将钻杆由水 平状态转换为垂卣状态或反向操作。此外，p l s 还可以辅助p r s 实现钻杆单根接成立 根操作。 目2 一p l s 系统 f i 9 2 - 4 p i c k n pa e dl a y d o w l s y s t e m p l s 立 ：2 提升臂支架：3 一提升液j 最缸：4 一拦动液压缸 5 一伸缩液压缸；6 一夹持机构 p r s 是一种血柱形铺杆排敢设备，主体结构如图2 - 5 所示。主要具有两个功能：一 矗面，p r s 可以在井口和立根盒之问往返移送钻杆：另一方面，p r s 可以在不影响钻进 的同时，实现钻丰1 单根接立根操作。 第二章钻杆排放系统介绍部丹机构的设计 健 图2 - 5 捧管机 f 啦- 5p i p er a c k i n gs y s t e m i 一顶部导轨；2 一顶部小车：3 一枉形结构：4 一举升臂： 5 一引导臂；6 一底部小车；7 底部导轨 p r s 柱形结构的上下两端，分别安装有两个驱动小车，工作时两个小车同速运行， 以实现柱形结构的移动。底部小车安装有一个旋转装置，可以实现柱形结构在0 1 8 0 。内 旋转。此外，柱形结构上安装有举升手臂和引导手臂用来夹持和移动钻杆。 p r s 举升臂结构如图2 4 5 所示。伸缩液压缸的缸体和活塞杆分别固定在举升臂上支 架和举升臂下支架上，通过液压缸的伸出或缩回便能控制夹持手爪远离或靠近立柱。两 个平行四边形机构确保钻杆始终保持垂直，椭圆仪机构保证钻杆在移送过程中不发生上 下移动。举升臂下支架与举升机构支架通过两个螺纹补偿液压缸连接，螺纹补偿液压缸 的功能将在第三节详述。举升机构支架上，安装有驱动装置和锁紧装置，驱动装置通过 液压马达带动齿轮齿条机构运行，驱动举升臂沿立柱上下移动；锁紧装置可以将举升支 1 4 中国6 * 学( 华东) 硬学位论文 架锁定l i 柱形结构上。 宣 第二章钻杆捧放系统卉绍及部分机构的设计 图2 - 7 举升臂夹持器 n 9 2 - 7g r i p p i n g j a w e f g o i s ta r m i 一夹持器顶部；2 一夹持器中部；3 一夹持器底部 引导臂结构如图2 - 8 所示，支架与立柱固定连接。移送钻杆立根时，引导臂夹持器 夹持立根底部，防止立根产生摆动。此外，引导臂夹持器只起引导作用，不承受钻杆立 报的重量，立根的重量由举升臂来承担。 图2 - 8 引导臂 f i 窖2 - 8 g u i d e a r w i 一引导臂夹持器，2 叫十缩液压缸：3 一引导臂支架 中田目油人学( 牛东) 硕士学位论2 2 3 螺纹补偿机构的设计 p r s 在工作过程中要进行钻杆单根接立根的操作，在接立根时，螺纹要承受上部钻 杆咀及举卿于臂的重量，若载荷过大，会造成螺纹磨损加重乃至损坏。为解决这一问题， 设汁一个螺纹补偿机构。 23l 螺纹补偿机构的工作原理 蝶纹补偿机构的结构如图2 - 9 所示，该机构由两个螺纹补偿液压缸组成，液压缸缸 体0 举引机构支架刚性连接，活塞杆与举升臂下支架剐性连接，液压缸伸长时可以实现 举列臂沿立柱上行，或反向操作。 。一董 图2 - 9 螺纹补偿机构 n 9 2 - 9t h r e a dc o m p e n s a t i o ns y s t e m l 一举升臂下支架：2 一螺纹补偿液压缸i3 一举升机构支架 进行钻杆上、卸扣操作时，螺纹补偿液压缸要承受部分或全部钻杆的重量，防止钻 杆螺纹因承受的压力过大而损坏。具体的实现方法是：控制和调节压力控制阀，根据需 要来改变液压系统的供油压力，从而改变液压缸的工作压力，进而改变补偿力的大小。 螺纹补偿力的大小根据钻杆的型号而定，根据大量试验证明，在按立根时，补偿液压缸 禹舢珊 第二章钻杆排放系统介绍及部分机构的设计 要克服8 0 左右的重力载荷，其余2 0 的重力载荷作用于钻杆螺纹，便于铁钻工上扣； 在拆分立根时，补偿液压缸要克服1 2 0 的重力载荷，即钻杆螺纹要承受2 0 的反方向 作用力【1 7 】。 该机构除了具有螺纹补偿的功能，还可以精确控制举升臂的下降速度，这一功能在 进行钻杆对扣操作时具有重要意义，可以避免因两钻杆螺纹碰撞而造成的螺纹损坏。此 外，由于液压缸具有缓冲、吸振等功能，在移送钻杆过程中还可以吸收振动，使工作更 加可靠和平稳。 2 3 2 螺纹补偿液压系统原理图 螺纹补偿机构的液压系统原理图如图2 1 0 所示。定量泵2 与先导式比例电磁溢流 阀3 组成调压回路，通过控制溢流阀3 可以改变系统的供油压力。二位二通换向阀4 与 液压泵2 并联组成卸荷回路，当换向阀处于左位时，液压泵直接卸荷，系统处于待机状 态；换向阀处于右位时系统正常工作。6 为三位四通换向阀，当处于左位机能时，系统 进行上卸扣操作；处于右位机能时，举升臂下行；处于中位机能时，举升臂位置锁定。 电液比例调速阀9 可以连续控制回油路的流量，从而控制液压缸的伸出或缩回速度。 图2 1 0 液压系统原理图 f i 9 2 - 1 0 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fh y d r a u l i cs y s t e m 卜一过滤器；2 一定量液压泵；3 一比例电磁溢流阀；4 、6 一电磁换向阀； 5 一单向阀；7 、8 一螺纹补偿液压缸；9 一调速阀 根据p r s 的工作程序，可以得出螺纹补偿系统具有有载上行、空载上行、有载下行、 p r s 移动时保持锁定、空载下行等工作模式。下面对各种工作模式进行具体分析。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 ( 1 ) 有载上行。电磁溢流阀3 调定系统供油压力，使补偿液压缸能承受所处理钻杆重量 的1 2 0 。液压油由液压泵2 流出，进入电磁换向阀6 的左位，进入液压缸无杆腔，此 时液压缸的举升力大于钻杆重量，液压油从有杆腔流出，经电液比例调速阀流回油箱。 可以通过调节调速阀的开口大小控制螺纹补偿液压缸的举升速度。 ( 2 ) 空载上行。与工作模式( 1 ) 相似，液压泵一电磁换向阀一举升液压缸一电液比例调速 阀。因此时为空载上行，可调定电磁溢流阀3 ，系统工作压力满足空载上行即可。 ( 3 ) 有载下行。调定电磁溢流阀3 改变系统供油压力，使补偿液压缸能承受所处理钻杆 重量的8 0 。在钻杆重力的作用下，螺纹补偿液压缸要收缩。油箱一调速阀一液压缸有 杆腔( 补油) ；无杆腔一电磁换向阀一溢流阀一油箱。 ( 4 ) 位置锁定。电磁溢流阀3 全部打开，使液压泵处于待机状态。电磁换向阀6 处于中 位，由其中位机能的特点，确保液压缸7 、8 位置锁定。 ( 5 ) 空载下行。电磁换向阀6 转换至右位，液压油经过滤器一液压泵一电磁换向阀右位 一电液比例调速阀一油箱，通过调整电液比例调速阀可改变举升臂下降速度。 2 3 3 螺纹补偿液缸设计计算 ( 1 ) 液压缸直径的计算 以重量最大的10 i n 钻铤为例进行计算，钻铤立根重量为1 0 1 2 5 k g 。 最大工作载荷为 g = m g = 1 0 1 2 5 x 9 8 = 9 9 2 2 5 n 螺纹补偿机构的最大举升力应为 f = g 1 2 = 1 1 9 0 7 k n 考虑到举升臂自身重量以及工作中的动载荷，取安全系数k = i 5 ，则 y g = k f = 1 5 x 1 1 9 0 7 0 1 8 0 k n 因为液缸伸出速度较慢，忽略c 、日，得 乃= 名= 1 8 0 k n 活塞工作时受压 f ：盈：1 8 0 0 0 0 ：2 0 0 k n 0 9 单个活塞受力为 1 9 第二章钻杆排放系统介绍及部分机构的设计 液缸直径d 为 d = f ，：至：1 0 0 l ( n 2 ( 2 1 ) 式中，f = 1 0 0 0 0 0 n ；墨为系统工作压力，选择墨= 2 0 m p a ；最为背油压力，取1 m p a ； 矽为杆径比，取0 7 。 将各参数代入式( 2 1 ) ，得d = 8 1 n u n ，取d = 9 0 m m ，d = 6 3 n u n 。 ( 2 ) 确定液缸最大行程 液压缸行程应大于相应管具的外螺纹长度，所处理全部管具的最大外螺纹长度为： 钻杆螺纹长度为1 6 5 1 m m ，螺纹代号为n c 7 7 ；钻铤最大螺纹长度为1 3 9 7 m m ，螺纹类 型n c 7 0 ；套管最大螺纹长度为9 4 3 6 m m 。考虑到p r s 对扣、放置钻杆等工序要求，取 液压缸的最大行程l = 5 0 0 m m 。 ( 3 ) 计算系统所需流量 q = 4 v ( 2 2 ) 上式中，4 为无杆腔面积，4 = 等= 6 3 6 1 0 3 m 2 ； v 为伸缩速度，v ：三，结合铁钻工旋扣速度取户5 s ，计算得v ：0 1 m s 。