陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯學(xué)軍 高德利

（1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

鉆桿排放系統(tǒng)（Pipe Handling System），又稱自動(dòng)排管機(jī)、二層臺(tái)機(jī)械手，是海洋鉆井平臺(tái)、鉆井船上重要的井口機(jī)械化設(shè)備之一。

自20世紀(jì)40年代，鉆桿排放系統(tǒng)在國外開始研究。1949年，研制的由液壓和氣動(dòng)閥控制的鉆桿排放系統(tǒng)，安裝在半自動(dòng)化鉆機(jī)上，完成起下鉆的各種常規(guī)操作；1956年，第1套臥式機(jī)械化鉆桿操作系統(tǒng)安裝在CUSS-1鉆井船上，該系統(tǒng)由鉆桿移運(yùn)臂和水平傳動(dòng)鏈組成；1968年，Offshore公司在轉(zhuǎn)塔系泊鉆井船Discoverer II號(hào)上配備了立式鉆桿排放系統(tǒng)［1］，自動(dòng)化鉆桿排放系統(tǒng)開始得到迅速發(fā)展，1973年，全自動(dòng)化鉆桿排放系統(tǒng)首次安裝到挪威的Smedvig West Venture半潛式鉆井平臺(tái)上，對(duì)解決平臺(tái)在挪威北海鉆井時(shí)強(qiáng)風(fēng)和低溫的影響問題上獲得了成功，此后，大量其他同級(jí)別的鉆機(jī)配備類似系統(tǒng)也獲得了成功；直到1980年，才開始出現(xiàn)了各種不同設(shè)計(jì)的立式鉆桿排放系統(tǒng)［2］；90年代，形成了成熟的鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)，產(chǎn)品也呈現(xiàn)出機(jī)械手式、立柱式、橋架式、起豎式等多形式，水平型、垂直型、水平垂直混合型等多類型的發(fā)展態(tài)勢(shì)［3］，但主要是面向海洋鉆井平臺(tái)—鉆井船而開發(fā)的，陸地鉆機(jī)應(yīng)用較少。

國內(nèi)對(duì)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較少，只有蘭州石油機(jī)械研究所、寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（原寶雞石油機(jī)械廠）、大港油田有限責(zé)任公司等少數(shù)單位做過一些設(shè)計(jì)和研究［4］。到目前為止，國內(nèi)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)仍然主要是針對(duì)環(huán)境惡劣的海洋鉆井，而陸地鉆井的鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)基本被人忽略［5］，因此絕大部分陸地鉆井鉆桿排放還是傳統(tǒng)的人工操作方式。

1 鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于上述情況，在全面分析海洋鉆井鉆桿排放系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對(duì)陸地鉆井常用的A型、K型（或Π型）井架，在鉆井平臺(tái)和二層臺(tái)之間，主要以步進(jìn)電機(jī)、液壓馬達(dá)為主動(dòng)力機(jī)構(gòu)，以PCL-839運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)IPC為主要控制單元，設(shè)計(jì)出一種立式三坐標(biāo)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)［6］，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的自動(dòng)夾持、提升、下放和平移，并結(jié)合液控、氣控，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆具在井口與排放架之間的移運(yùn)、定位、排放、儲(chǔ)運(yùn)等作業(yè)流程；同時(shí)，通過控制區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示和記錄作業(yè)工序、設(shè)備的工作狀況以及鉆具的檔案資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的科學(xué)化和系統(tǒng)化管理；該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，安裝方便，成本低廉等特點(diǎn)，可使用配套在A型、K型（或Π型）井架陸地石油鉆機(jī)上。

1.1 結(jié)構(gòu)

國外1975年就出現(xiàn)過類似的結(jié)構(gòu)［7，8］，只不過是針對(duì)海洋鉆井平臺(tái)的塔式井架設(shè)計(jì)的；現(xiàn)在海上鉆進(jìn)平臺(tái)上也是立式的結(jié)構(gòu)，大多是利用液壓驅(qū)動(dòng)，如第6代鉆井船上的全自動(dòng)鉆桿排放系統(tǒng)［9］。筆者研制的鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)與海洋平臺(tái)或鉆井船上同類產(chǎn)品有明顯的不同：其一，主要適合配套在A型、K型（或Π型）井架陸地石油鉆機(jī)上；其二，主要是利用步進(jìn)電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)；其三，主要是利用PCL-839運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)IPC為主要控制單元進(jìn)行軌跡數(shù)控控制。其主要部件如圖1所示，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主夾鉗伸縮臂滑軌、主夾鉗伸縮臂、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主夾鉗左右移動(dòng)雙滑軌、主夾鉗左右移動(dòng)單滑軌、右立柱滑軌、左立柱滑軌、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助左右移動(dòng)雙滑軌、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助夾鉗伸縮臂滑軌、輔助夾鉗伸縮臂、輔助夾鉗左右移動(dòng)單滑軌、液壓夾鉗等主要構(gòu)件組成。整個(gè)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)安裝在鉆井平臺(tái)和二層臺(tái)之間，如圖2所示。

圖1 鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)安裝位置示意圖

1.2 功能

鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成按功能可分為主夾鉗及平移系統(tǒng)、輔助夾鉗及平移系統(tǒng)、豎直（Z向）滑道系統(tǒng)、以PCL-839控制卡和IPC工控機(jī)為主體的控制系統(tǒng)（圖中無顯示）等4大主要部分。主夾鉗及平移系統(tǒng)主要起夾緊并提起重量較大的立根作用。輔助夾鉗平移系統(tǒng)有兩個(gè)作用：一是在主夾鉗夾起立根時(shí)，配合主夾鉗，扶正立根下端，限制其擺動(dòng)，并隨主夾鉗平移到井口對(duì)扣或者平移到立根盒指定位置，這個(gè)過程中，輔助夾鉗系統(tǒng)不起加持和提升作用，僅起扶正平移作用，而且其平移量的大小、方向、時(shí)間必須和主夾鉗系統(tǒng)同步；二是在接單根時(shí)，扶正方鉆桿與小鼠洞鉆桿對(duì)扣，扶正鉆桿與井口鉆具對(duì)扣，并配合鐵鉆工緊扣。豎直（Z向）滑道系統(tǒng)主要起引導(dǎo)主夾鉗及平移系統(tǒng)、輔助夾鉗及平移系統(tǒng)沿豎直（Z向）平移運(yùn)動(dòng)；同時(shí)起支撐整個(gè)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的作用［10］。

控制系統(tǒng)由PCL-839運(yùn)動(dòng)控制卡一塊、IPC 工控機(jī)一臺(tái)、帶光電隔離的16位輸入輸出卡PCLD-782/785各1塊、傳感器、數(shù)據(jù)線等主要部件組成。傳感器接收到的主輔夾鉗坐標(biāo)（X、Y、Z）、位移、速度、方向、開關(guān)/閉合等信號(hào)通過數(shù)據(jù)線經(jīng)PCLD-782輸入卡輸送到IPC工控機(jī)，經(jīng)工控機(jī)IPC分析處理后的信號(hào)經(jīng)PCLD-785輸出卡輸送到PCL-839，PCL-839發(fā)送步進(jìn)電機(jī)控制指令經(jīng)數(shù)據(jù)線輸送到各滑道步進(jìn)電機(jī)，控制各步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而形成不同的位移（DX、DY、DZ）的同時(shí)也得到不同的主輔夾鉗新坐標(biāo)點(diǎn)（x'，y'，z'）=（X+DX、Y+DY、Z+DZ），由連續(xù)不同的點(diǎn)（x'，y'，z'）連成線就形成了不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于每次起下鉆按先后順序各立根在二層臺(tái)指粱和立根盒中的位置是有序且固定，所以只要事先通過工控機(jī)IPC設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡，配合鉆桿自動(dòng)卸扣/緊扣裝置和二層臺(tái)鉆桿自動(dòng)鎖定/解鎖裝置，就可以在整個(gè)起下鉆中實(shí)現(xiàn)無人全自動(dòng)化鉆桿立根排放及反操作。

1.3 工作原理

鉆桿排放系統(tǒng)各部件之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3所示，主輔夾鉗分別固定在主輔夾鉗伸縮臂的前端，在液壓的作用下可進(jìn)行張開和夾緊動(dòng)作，主輔伸縮臂在不同的步進(jìn)電機(jī)的作用下，分別在主輔夾鉗滑道上作X向和Y向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿立根在平面內(nèi)的平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)主輔夾鉗X向滑道也可通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在Y向滑道上移動(dòng)，增加Y向移動(dòng)范圍。主夾鉗及平移系統(tǒng)和輔助夾鉗及平移系統(tǒng)作為2個(gè)整體，都裝在2根豎直（Z向）的滑道上，在步進(jìn)電機(jī)的作用下，都可沿豎直滑道有控制地做起升、下放運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)夾鉗夾持鉆桿后的起升和下放運(yùn)動(dòng)。

圖3 鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖

主輔夾鉗及平移系統(tǒng)沿X、Y、Z 3個(gè)方向的自由移動(dòng)是通過PCL839運(yùn)動(dòng)控制卡和IPC工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，夾鉗的夾緊、松開是靠其控制液壓馬達(dá)和液壓缸提供動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)的，下面分別以接單根、起立根為例，介紹鉆桿排放裝置工作原理。接單根：（1）控制輔助夾鉗平移系統(tǒng)的X、Y、Z 3個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)，平移輔助夾鉗到井眼上方鉆桿下接頭附近；（2）閉合夾鉗，扶持方鉆桿下端，控制X、Y、Z 3個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)，移動(dòng)方鉆桿下端與小鼠洞鉆桿單根對(duì)扣；（3）配合鐵鉆工緊扣后，半松開夾鉗，使方鉆桿和鉆桿能在夾鉗中上下移動(dòng)；（4）用鉆井起升系統(tǒng)起升方鉆桿及鉆桿離開小鼠洞；（5）閉合夾鉗，控制X、Y、Z 3個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)，移動(dòng)鉆桿下端與井口鉆柱對(duì)扣；（6）配合鐵鉆工緊扣后，松開夾鉗，控制X、Y、Z 3個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)，回到安全位置，輔助夾鉗及平移系統(tǒng)接單根作業(yè)完畢。

起立根：（1）控制主輔夾鉗平移系統(tǒng)的X、Y、Z 3個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)，分別同步平移主輔夾鉗到井口上方立根的上下端附近；（2）同步張開主輔夾鉗后，主夾鉗夾緊立根上端接頭附近，同時(shí)輔助夾鉗半閉合并圈住立根下端；（3）控制主夾鉗系統(tǒng)Z向步進(jìn)電機(jī)提升立根到設(shè)計(jì)高度；（4）控制主輔夾鉗的平移系統(tǒng)X、Y 2個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)，主夾鉗及平移系統(tǒng)平移立根上端到排管架指粱指定位置，輔夾鉗及平移系統(tǒng)同步平移立根下端到立根盒指定位置；（5）控制主夾鉗Z向步進(jìn)電機(jī)，下放立根到立根盒里，在排管架上固定好立根后，主輔夾鉗同時(shí)松開，返回到初始位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下一起立根作業(yè)。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

該鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)是專門針對(duì)陸地鉆機(jī)設(shè)計(jì)的，有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。

（1）能廣泛地適用于陸上鉆井的A型、K（或Π）型井架，且在安裝使用時(shí)，不用對(duì)原鉆井井架結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行改造，并能充分利用原井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，直接安裝使用，節(jié)約成本。海洋鉆井平臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)主要是針對(duì)海洋平臺(tái)用的塔式井架，如果用在陸地上，必須對(duì)鉆桿排放系統(tǒng)及陸上井架做較大的改動(dòng)，增加成本，效果也不好，而且有些海洋平臺(tái)鉆桿排放系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)等限制，即使經(jīng)過改造也無法在陸上A型、K（或Π）型井架上使用。

（2）其功能可與當(dāng)前海上鉆井平臺(tái)最先進(jìn)的鉆桿排放系統(tǒng)的功能相媲美，可進(jìn)行陸地鉆井起下立根作業(yè)、輔助接單根作業(yè)等具有多重作業(yè)功能，降低陸地鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度，增加陸地鉆井安全性能，提高陸地鉆井效率［11］。

（3）該系統(tǒng)采用X、Y、Z三向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，把鉆具夾鉗運(yùn)動(dòng)分解成X、Y、Z 3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這樣可以通過對(duì)X、Y、Z三向步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)鉆桿立根主輔夾鉗運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)字控制，即排管時(shí)鉆桿的運(yùn)動(dòng)軌跡可以隨意控制，對(duì)井架的空間適應(yīng)性比較強(qiáng)；當(dāng)前海洋平臺(tái)最先進(jìn)的排管系統(tǒng)排管軌跡大多由沿一條滑道的直線運(yùn)動(dòng)和繞一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，不能實(shí)現(xiàn)任意排管軌跡的自由控制，對(duì)井架的空間、排管架指梁形狀和立根盒都有特殊的要求，適用面窄。

（4）運(yùn)用PCL-839運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)IPC相結(jié)合，采用NC嵌入PC的開放式結(jié)構(gòu)，便于集成到司鉆操作臺(tái)進(jìn)行集中數(shù)控控制和新功能的開發(fā)。大部分海上平臺(tái)排管系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）［12］，也能實(shí)現(xiàn)與司鉆操作臺(tái)集成控制，但相應(yīng)控制軟件開發(fā)工作量大。PCL-839自帶豐富的運(yùn)動(dòng)函數(shù)指令，運(yùn)動(dòng)控制軟件開發(fā)難度小，效果好，同時(shí)與工控機(jī)結(jié)合的NC嵌入PC的開放式結(jié)構(gòu)，不僅便于與其他鉆井軟件集成，還給鉆井系統(tǒng)提供了更多的開發(fā)空間。

（5）以電驅(qū)動(dòng)為主，液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)為輔，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且克服了海洋平臺(tái)鉆桿排放系統(tǒng)以液壓驅(qū)動(dòng)為主所帶來的問題：液壓管線連接比電線連接復(fù)雜問題、壓力管線清潔問題、壓力油雜質(zhì)問題、壓力管線疲勞碎屑堵塞問題、壓力管路堵塞、壓力管線刺破造成的安全問題等。

3 結(jié)束語

（1）針對(duì)鉆桿排管系統(tǒng)當(dāng)前主要應(yīng)用在海洋鉆井的現(xiàn)狀，結(jié)合陸地鉆井常用A型、K（或Π）型井架，對(duì)陸地鉆井自動(dòng)排管系統(tǒng)進(jìn)行了基本結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)、部件功能解釋說明、工作原理分析介紹、工藝流程簡(jiǎn)單說明，并初步設(shè)計(jì)出適合陸地鉆井常用A型、K（或Π）型井架的包含主夾鉗及平移系統(tǒng)、輔助夾鉗及平移系統(tǒng)、豎直（Z向）滑道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4部分的鉆桿自動(dòng)排管系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)排管自由軌跡的數(shù)字控制。

（2）把設(shè)計(jì)的陸地鉆機(jī)鉆桿排管系統(tǒng)和當(dāng)前先進(jìn)的海洋平臺(tái)排管系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析技術(shù)優(yōu)勢(shì)，得出該設(shè)計(jì)的鉆桿自動(dòng)排管系統(tǒng)適用性比較強(qiáng)，以電作為主要驅(qū)動(dòng)力優(yōu)于海洋以液壓作主要驅(qū)動(dòng)力，三向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)排管運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)字控制，PCL-839嵌入IPC式控制系統(tǒng)優(yōu)于PLC控制系統(tǒng)，具有功能較強(qiáng)等多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（3）該陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)可直接代替井架工和內(nèi)外鉗工完成起下鉆立根自動(dòng)排放功能和輔助接單根功能，能節(jié)省因人工操作所占用的大量時(shí)間，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，安全性得到提高，工作效率明顯增強(qiáng)。

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