海洋鉆井平臺鐵鉆工主要結構形式淺析*

吳愛萍,趙世剛,劉翠潔,張 建

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司,山東青島 266520)

海洋鉆井平臺鐵鉆工主要結構形式淺析*

吳愛萍,趙世剛,劉翠潔,張 建

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司,山東青島 266520)

鐵鉆工是海洋鉆井平臺管子自動化處理裝置的組成部分之一,能實現(xiàn)對鉆具的上、卸扣作業(yè),有效提高管子處理的自動化水平。介紹了鐵鉆工上、卸扣的工藝流程,并根據(jù)運移裝置的不同,對國內(nèi)外現(xiàn)有鐵鉆工的主要結構形式進行了歸類,對各類鐵鉆工的特點進行了分析。

鐵鉆工;海洋鉆井平臺;管子處理;運移裝置

0 引 言

在鉆、修井過程中,鐵鉆工能夠安全有效實現(xiàn)鉆具的上、卸扣作業(yè),是石油鉆機鉆井工藝過程必備的設備之一[1-2]。目前,海洋鉆井平臺一般均配備兩套鐵鉆工,分別用于井口與鼠洞的管子作業(yè),同時作為冗余設計,一套設備出現(xiàn)故障,另一套仍可替代其工作,降低故障風險。

1 鐵鉆工上卸扣工藝流程

鐵鉆工主要由底座、運移裝置、鉗體(旋扣鉗、扣鉗、背鉗,如圖1所示)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。

圖1 鐵鉆工鉗體示意圖

鐵鉆工處理的管子對象主要有鉆桿、鉆鋌、小管徑套管等,以鉆桿為例,其上扣作業(yè)流程具體如下:上下鉆桿對接后,鐵鉆工運移裝置運送鉗體到達工作位置,閉合背鉗固定下鉆桿接箍(母接頭),閉合旋扣鉗夾緊上鉆桿,啟動液壓馬達進行旋扣,達到設定扭矩后停止并張開旋扣鉗,同時閉合扣鉗夾緊鉆桿接箍(公接頭),通過液缸推動,旋緊鉆桿,上扣完成[3]。旋扣過程中鉗頭的相對位置發(fā)生變化[4],故設計調(diào)節(jié)機構,補償螺紋行程。卸扣過程中,背鉗固定鉆桿接箍(母接頭),由扣鉗沖開旋合的螺紋,然后再由旋扣鉗旋開螺紋完成卸扣[3]。

2 國內(nèi)外鐵鉆工主要結構形式

目前,國外市場上海洋鉆井平臺用鐵鉆工產(chǎn)品技術成熟、類型廣泛、系列全面,如美國NOV公司設計生產(chǎn)的 AR、ARN、ST、MPT系列鐵鉆工,挪威 Aker Kvaerner MH公司主推的動力鉗系列鐵鉆工,美國TSC公司推出的IRN、IR系列鐵鉆工,加拿大Canrig公司的TM系列鐵鉆工產(chǎn)品等。

國內(nèi)也有多所廠家開始研制海洋鉆井平臺用鐵鉆工產(chǎn)品,如寶石石油機械公司研發(fā)的TZG 9 3/4-140S、TZG 20-200G鐵鉆工、宏華石油設備公司生產(chǎn)的LM-120鐵鉆工、南陽二機石油裝備公司生產(chǎn)的手臂式鐵鉆工、江蘇如石機械公司研發(fā)的ZQF216-110鐵鉆工、遼寧陸海石油裝備研究院設計的TZG-130 I鐵鉆工等,且多數(shù)廠家已完成上述樣機的試制。

海洋鉆井平臺應用各種鐵鉆工鉗體的結構原理基本類似,只是運移裝置有所差異,根據(jù)運移裝置的不同,現(xiàn)將海洋鉆井平臺用鐵鉆工分為手臂式鐵鉆工、軌道式鐵鉆工以及手臂軌道結合式鐵鉆工三種形式。分別對三種結構形式的鐵鉆工的結構以及特點進行分析。

2.1 手臂式鐵鉆工

如圖2所示,手臂式鐵鉆工主要結構包括支撐總成(基座、升降裝置)、伸縮手臂、鉗體、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等[5]。

手臂式鐵鉆工基座配備旋轉(zhuǎn)裝置,通過單節(jié)、雙節(jié)或者三節(jié)伸縮臂的伸縮運動,同時配合機械臂垂直運動,實現(xiàn)鉗體在三維空間中的定位,到達井口或鼠洞上方。

此類鐵鉆工的優(yōu)勢在于結構緊湊,質(zhì)量輕,操作簡單,旋扣速度快,位移范圍大,可到達多個目標操作位置,不工作時鐵鉆工占用空間小,多用于鉆桿、小管徑套管等鉆具連接,能滿足海上鉆井的需求[2]。

其缺點在于控制較為復雜(尤其是多節(jié)伸縮臂鐵鉆工),處理范圍受機械臂行程影響,而且此種結構要求鉗體機構緊湊、質(zhì)量輕,因此不利于進行大管徑、大扭矩作業(yè)。

目前比較典型的產(chǎn)品主要有NOV生產(chǎn)的ST系列(ST-100、ST-120、ST-160)鐵鉆工以及Canrig公司的TM系列(Torq-Matic TM 80、TM 120)鐵鉆工,另外,國內(nèi)寶石TZG 9 3/4-140S鐵鉆工、宏華LM-120鐵鉆工、南陽二機鐵鉆工、如石ZQF216-110鐵鉆工、遼寧陸海石油裝備研究院TZG-130 I鐵鉆工均為手臂式形式。

2.2 軌道式鐵鉆工

如圖3所示,軌道式鐵鉆工主要結構包括軌道、底座、功能架、鉗體、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等[3]。

圖2 NOV ST-160手臂式鐵鉆工

圖3 TSC軌道式鐵鉆工

此類鐵鉆工主體不具備伸縮功能,整體坐于軌道之上,鐵鉆工可沿軌道水平行進,鉗體置于功能架上,到達合適位置后,鉗體在功能架上垂直運動調(diào)節(jié)高度,從而實現(xiàn)鉗體的空間定位,進而進行鉆柱操作。

軌道式鐵鉆工相對于伸縮臂式鐵鉆工操作更為方便,對管徑的適應能力強,輸出扭矩高,運行平穩(wěn)。

由于需要在鉆井平臺上鋪設軌道,因此軌道式鐵鉆工占用的空間較大,且重量較重[2]。另外其運動范圍受到軌道的限制,運動軌跡不靈活。如果鐵鉆工需要操作多個工作目標位置,就需要鋪設多條軌道,變軌操作工序復雜,同時占據(jù)鉆臺空間,容易造成工人行走的安全隱患。

目前比較典型的軌道式鐵鉆工產(chǎn)品主要有MH生產(chǎn)的 1898(手動)、1899(自動)、Torque Master、4160(輕型)動力鉗以及TSC公司的IRN系列(IRN 1000、IRN 2000)、AR系列(AR3200)鐵鉆工,國內(nèi)寶石研究的TZG 20-200G鐵鉆工也屬于軌道式形式。

2.3 手臂軌道結合式鐵鉆工

手臂軌道結合式鐵鉆工主要由軌道、底座、伸縮手臂、功能架、鉗體、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成[5]。

手臂軌道結合式鐵鉆工能夠在鋪設好的軌道上水平運行,同時配備伸縮手臂結構能夠帶動鉗體進行伸縮,綜合了軌道式以及手臂式鐵鉆工的結構特點。

根據(jù)手臂伸縮方向與軌道方向的相對位置,結合式鐵鉆工又分為手臂軌道平行式、手臂軌道垂直式、手臂軌道偏斜式三類。

2.3.1 手臂軌道平行式

如圖4(a)所示,此類鐵鉆工手臂伸縮方向與鋪設軌道方向一致。

鐵鉆工主體在軌道上移動,到達合適位置時,液缸驅(qū)動伸縮臂,帶動鉗體繼續(xù)向前運移,同時,鉗體可沿功能架上的導軌垂直移動,從而使鉗體到達目標操作位置。NOV公司的ARN-200型鐵鉆工即為典型的手臂軌道平行式鐵鉆工。

當鐵鉆工軌道無法鋪設到目標位置或與其他設備(如動力貓道)發(fā)生干涉時,即可使用此種類型的鐵鉆工,靈活操作鉆柱。

2.3.2 手臂軌道垂直式

如圖4(b)所示,此類鐵鉆工的手臂伸縮方向與軌道方向垂直。

鐵鉆工主體可以在鋪設的軌道上水平運動,到達合適位置時,液缸驅(qū)動機械臂伸縮,同時調(diào)節(jié)鉗體的垂直高度,實現(xiàn)鉗體的三維定位。

此類鐵鉆工鋪設的軌道與井口鼠洞平行,能夠來回操作井口以及鼠洞的鉆具,無需安裝多套軌道和設備,節(jié)省鉆臺空間,提高安全性。

2.3.3 手臂軌道偏斜式

手臂軌道偏斜式鐵鉆工結構如圖4(c)所示,此類鐵鉆工手臂伸縮方向與軌道能夠偏斜一定角度。

鐵鉆工能夠在軌道上水平運移,伸縮臂與底座非剛性連接,伸縮臂能夠在底座上整體偏轉(zhuǎn),同時,手臂能夠進行伸縮,從而實現(xiàn)鉗體的定位。NOV公司的ARN-270型鐵鉆工是典型的手臂軌道偏斜式鐵鉆工結構。

這類鐵鉆工鉗體定位更加靈活,可操作的目標工位更多,同樣減少了多套軌道的鋪設,節(jié)省空間,提高安全性能。

圖4 手臂軌道結合式鐵鉆工

3 結 論

(1)每種形式的海洋鉆井平臺用鐵鉆工有其各自的特點,可根據(jù)用戶實際需求配備。

(2)國外海洋鉆井平臺用鐵鉆工價格較高,國內(nèi)鐵鉆工市場需求巨大。

(3)國內(nèi)海洋鉆井平臺用鐵鉆工產(chǎn)品類型很少、不成系列、可靠性較差。國內(nèi)廠家僅對手臂式鐵鉆工產(chǎn)品進行了研制,對于軌道式鐵鉆工以及結合式鐵鉆工的研發(fā)較少(僅寶石一家,未試制樣機),還沒有廠家對結合式鐵鉆工進行研究。

(4)國內(nèi)可開展對海洋鉆井平臺用軌道式鐵鉆工以及結合式鐵鉆工的研究,填補技術空白。

[1] SY/T 5074.1-2009,石油鉆井和修井用動力鉗[S].

[2] API Spec.7K-0048,鉆井和修井設備規(guī)范[S].

[3] 李繼志.石油鉆采機械概論[M].東營:中國石油大學出版社, 2012.

[4] 張洪生,于 昊,趙金峰.鐵鉆工的現(xiàn)狀與展望[J].石油礦場機械,2008,37(1):12-16.

[5] 任福深,王 威,劉 曄,等.石油管柱上卸扣裝置技術現(xiàn)狀[J].石油機械,2012,40(5):15-19.

Analysis on Main Structure Forms of Iron Roughneck in the Offshore Drilling Platform

WU Ai-ping,ZHAO Shi-gang,LIU Cui-jie,ZHANG Jian
(Qingdao Branch of Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co.,Ltd,Qingdao Shandong 266520,China)

As component of the automatic pipe handling device,the iron roughneck can make up and break out the drill string connection,thus the iron roughneck can improve the automation level of pipe handling effectively.This article introduces the technological process of making up and breaking out the drill string connection,then classifies the main structure forms of existing iron roughneck according to the different moving devices,and analyzes characteristics of these kinds of iron roughnecks.

iron roughneck;offshore drilling platform;pipe handling;moving device

TE928

A

1007-4414(2015)05-0016-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.006

2015-08-13

吳愛萍(1989-),女,山東安丘人,助理工程師,主要從事石油機械的研發(fā)設計工作。