陆地钻机钻杆自动排放系统设计

侯学军 高德利

（1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2.重庆科技学院，重庆 401331）

钻杆排放系统（Pipe Handling System），又称自动排管机、二层台机械手，是海洋钻井平台、钻井船上重要的井口机械化设备之一。

自20世纪40年代，钻杆排放系统在国外开始研究。1949年，研制的由液压和气动阀控制的钻杆排放系统，安装在半自动化钻机上，完成起下钻的各种常规操作；1956年，第1套卧式机械化钻杆操作系统安装在CUSS-1钻井船上，该系统由钻杆移运臂和水平传动链组成；1968年，Offshore公司在转塔系泊钻井船Discoverer II号上配备了立式钻杆排放系统［1］，自动化钻杆排放系统开始得到迅速发展，1973年，全自动化钻杆排放系统首次安装到挪威的Smedvig West Venture半潜式钻井平台上，对解决平台在挪威北海钻井时强风和低温的影响问题上获得了成功，此后，大量其他同级别的钻机配备类似系统也获得了成功；直到1980年，才开始出现了各种不同设计的立式钻杆排放系统［2］；90年代，形成了成熟的钻杆自动排放系统，产品也呈现出机械手式、立柱式、桥架式、起竖式等多形式，水平型、垂直型、水平垂直混合型等多类型的发展态势［3］，但主要是面向海洋钻井平台—钻井船而开发的，陆地钻机应用较少。

国内对钻杆自动排放系统的研究和应用较少，只有兰州石油机械研究所、宝鸡石油机械有限责任公司（原宝鸡石油机械厂）、大港油田有限责任公司等少数单位做过一些设计和研究［4］。到目前为止，国内钻杆自动排放系统仍然主要是针对环境恶劣的海洋钻井，而陆地钻井的钻杆自动排放系统基本被人忽略［5］，因此绝大部分陆地钻井钻杆排放还是传统的人工操作方式。

1 钻杆自动排放系统设计

鉴于上述情况，在全面分析海洋钻井钻杆排放系统基础上，针对陆地钻井常用的A型、K型（或Π型）井架，在钻井平台和二层台之间，主要以步进电机、液压马达为主动力机构，以PCL-839运动控制卡和工控机IPC为主要控制单元，设计出一种立式三坐标钻杆自动排放系统［6］，可实现对钻具的自动夹持、提升、下放和平移，并结合液控、气控，自动实现钻具在井口与排放架之间的移运、定位、排放、储运等作业流程；同时，通过控制区的监控系统，可实时显示和记录作业工序、设备的工作状况以及钻具的档案资料，实现对钻具的科学化和系统化管理；该系统结构简单，布局合理，安装方便，成本低廉等特点，可使用配套在A型、K型（或Π型）井架陆地石油钻机上。

1.1 结构

国外1975年就出现过类似的结构［7，8］，只不过是针对海洋钻井平台的塔式井架设计的；现在海上钻进平台上也是立式的结构，大多是利用液压驱动，如第6代钻井船上的全自动钻杆排放系统［9］。笔者研制的钻杆自动排放系统与海洋平台或钻井船上同类产品有明显的不同：其一，主要适合配套在A型、K型（或Π型）井架陆地石油钻机上；其二，主要是利用步进电机的电驱动；其三，主要是利用PCL-839运动控制卡和工控机IPC为主要控制单元进行轨迹数控控制。其主要部件如图1所示，由步进电机驱动主夹钳伸缩臂滑轨、主夹钳伸缩臂、步进电机驱动主夹钳左右移动双滑轨、主夹钳左右移动单滑轨、右立柱滑轨、左立柱滑轨、步进电机驱动辅助左右移动双滑轨、步进电机驱动辅助夹钳伸缩臂滑轨、辅助夹钳伸缩臂、辅助夹钳左右移动单滑轨、液压夹钳等主要构件组成。整个钻杆自动排放系统安装在钻井平台和二层台之间，如图2所示。

图1 钻杆自动排放系统结构示意图

图2 钻杆自动排放系统安装位置示意图

1.2 功能

钻杆自动排放系统结构组成按功能可分为主夹钳及平移系统、辅助夹钳及平移系统、竖直（Z向）滑道系统、以PCL-839控制卡和IPC工控机为主体的控制系统（图中无显示）等4大主要部分。主夹钳及平移系统主要起夹紧并提起重量较大的立根作用。辅助夹钳平移系统有两个作用：一是在主夹钳夹起立根时，配合主夹钳，扶正立根下端，限制其摆动，并随主夹钳平移到井口对扣或者平移到立根盒指定位置，这个过程中，辅助夹钳系统不起加持和提升作用，仅起扶正平移作用，而且其平移量的大小、方向、时间必须和主夹钳系统同步；二是在接单根时，扶正方钻杆与小鼠洞钻杆对扣，扶正钻杆与井口钻具对扣，并配合铁钻工紧扣。竖直（Z向）滑道系统主要起引导主夹钳及平移系统、辅助夹钳及平移系统沿竖直（Z向）平移运动；同时起支撑整个钻杆自动排放系统的作用［10］。

控制系统由PCL-839运动控制卡一块、IPC 工控机一台、带光电隔离的16位输入输出卡PCLD-782/785各1块、传感器、数据线等主要部件组成。传感器接收到的主辅夹钳坐标（X、Y、Z）、位移、速度、方向、开关/闭合等信号通过数据线经PCLD-782输入卡输送到IPC工控机，经工控机IPC分析处理后的信号经PCLD-785输出卡输送到PCL-839，PCL-839发送步进电机控制指令经数据线输送到各滑道步进电机，控制各步进电机运转状态，从而形成不同的位移（DX、DY、DZ）的同时也得到不同的主辅夹钳新坐标点（x'，y'，z'）=（X+DX、Y+DY、Z+DZ），由连续不同的点（x'，y'，z'）连成线就形成了不同的运动轨迹。由于每次起下钻按先后顺序各立根在二层台指粱和立根盒中的位置是有序且固定，所以只要事先通过工控机IPC设定运动轨迹，配合钻杆自动卸扣/紧扣装置和二层台钻杆自动锁定/解锁装置，就可以在整个起下钻中实现无人全自动化钻杆立根排放及反操作。

1.3 工作原理

钻杆排放系统各部件之间的相互运动关系如图3所示，主辅夹钳分别固定在主辅夹钳伸缩臂的前端，在液压的作用下可进行张开和夹紧动作，主辅伸缩臂在不同的步进电机的作用下，分别在主辅夹钳滑道上作X向和Y向的移动，实现钻杆立根在平面内的平移运动，同时主辅夹钳X向滑道也可通过步进电机驱动在Y向滑道上移动，增加Y向移动范围。主夹钳及平移系统和辅助夹钳及平移系统作为2个整体，都装在2根竖直（Z向）的滑道上，在步进电机的作用下，都可沿竖直滑道有控制地做起升、下放运动，从而实现夹钳夹持钻杆后的起升和下放运动。

图3 钻杆自动排放系统相互运动关系示意图

主辅夹钳及平移系统沿X、Y、Z 3个方向的自由移动是通过PCL839运动控制卡和IPC工控机控制步进电机实现的，夹钳的夹紧、松开是靠其控制液压马达和液压缸提供动力来实现的，下面分别以接单根、起立根为例，介绍钻杆排放装置工作原理。接单根：（1）控制辅助夹钳平移系统的X、Y、Z 3个方向步进电机，平移辅助夹钳到井眼上方钻杆下接头附近；（2）闭合夹钳，扶持方钻杆下端，控制X、Y、Z 3个方向步进电机，移动方钻杆下端与小鼠洞钻杆单根对扣；（3）配合铁钻工紧扣后，半松开夹钳，使方钻杆和钻杆能在夹钳中上下移动；（4）用钻井起升系统起升方钻杆及钻杆离开小鼠洞；（5）闭合夹钳，控制X、Y、Z 3个方向步进电机，移动钻杆下端与井口钻柱对扣；（6）配合铁钻工紧扣后，松开夹钳，控制X、Y、Z 3个方向步进电机，回到安全位置，辅助夹钳及平移系统接单根作业完毕。

起立根：（1）控制主辅夹钳平移系统的X、Y、Z 3个方向步进电机，分别同步平移主辅夹钳到井口上方立根的上下端附近；（2）同步张开主辅夹钳后，主夹钳夹紧立根上端接头附近，同时辅助夹钳半闭合并圈住立根下端；（3）控制主夹钳系统Z向步进电机提升立根到设计高度；（4）控制主辅夹钳的平移系统X、Y 2个方向步进电机，主夹钳及平移系统平移立根上端到排管架指粱指定位置，辅夹钳及平移系统同步平移立根下端到立根盒指定位置；（5）控制主夹钳Z向步进电机，下放立根到立根盒里，在排管架上固定好立根后，主辅夹钳同时松开，返回到初始位置，准备进行下一起立根作业。

2 技术优势

该钻杆自动排放系统是专门针对陆地钻机设计的，有其独特的技术特点。

（1）能广泛地适用于陆上钻井的A型、K（或Π）型井架，且在安装使用时，不用对原钻井井架结构部件进行改造，并能充分利用原井架结构特点，直接安装使用，节约成本。海洋钻井平台自动排管系统主要是针对海洋平台用的塔式井架，如果用在陆地上，必须对钻杆排放系统及陆上井架做较大的改动，增加成本，效果也不好，而且有些海洋平台钻杆排放系统受结构等限制，即使经过改造也无法在陆上A型、K（或Π）型井架上使用。

（2）其功能可与当前海上钻井平台最先进的钻杆排放系统的功能相媲美，可进行陆地钻井起下立根作业、辅助接单根作业等具有多重作业功能，降低陆地钻井工人劳动强度，增加陆地钻井安全性能，提高陆地钻井效率［11］。

（3）该系统采用X、Y、Z三向步进电机驱动，把钻具夹钳运动分解成X、Y、Z 3个方向运动，这样可以通过对X、Y、Z三向步进电机的控制，实现钻杆立根主辅夹钳运动轨迹的数字控制，即排管时钻杆的运动轨迹可以随意控制，对井架的空间适应性比较强；当前海洋平台最先进的排管系统排管轨迹大多由沿一条滑道的直线运动和绕一点的旋转运动组成，不能实现任意排管轨迹的自由控制，对井架的空间、排管架指梁形状和立根盒都有特殊的要求，适用面窄。

（4）运用PCL-839运动控制卡和工控机IPC相结合，采用NC嵌入PC的开放式结构，便于集成到司钻操作台进行集中数控控制和新功能的开发。大部分海上平台排管系统采用PLC（可编程逻辑控制器）［12］，也能实现与司钻操作台集成控制，但相应控制软件开发工作量大。PCL-839自带丰富的运动函数指令，运动控制软件开发难度小，效果好，同时与工控机结合的NC嵌入PC的开放式结构，不仅便于与其他钻井软件集成，还给钻井系统提供了更多的开发空间。

（5）以电驱动为主，液压、气压驱动为辅，不仅结构简单，而且克服了海洋平台钻杆排放系统以液压驱动为主所带来的问题：液压管线连接比电线连接复杂问题、压力管线清洁问题、压力油杂质问题、压力管线疲劳碎屑堵塞问题、压力管路堵塞、压力管线刺破造成的安全问题等。

3 结束语

（1）针对钻杆排管系统当前主要应用在海洋钻井的现状，结合陆地钻井常用A型、K（或Π）型井架，对陆地钻井自动排管系统进行了基本结构部件设计、部件功能解释说明、工作原理分析介绍、工艺流程简单说明，并初步设计出适合陆地钻井常用A型、K（或Π）型井架的包含主夹钳及平移系统、辅助夹钳及平移系统、竖直（Z向）滑道系统、控制系统4部分的钻杆自动排管系统，能实现对排管自由轨迹的数字控制。

（2）把设计的陆地钻机钻杆排管系统和当前先进的海洋平台排管系统进行比较，分析技术优势，得出该设计的钻杆自动排管系统适用性比较强，以电作为主要驱动力优于海洋以液压作主要驱动力，三向步进电机驱动可实现排管运动轨迹的数字控制，PCL-839嵌入IPC式控制系统优于PLC控制系统，具有功能较强等多项技术优势。

（3）该陆地钻机钻杆自动排放系统可直接代替井架工和内外钳工完成起下钻立根自动排放功能和辅助接单根功能，能节省因人工操作所占用的大量时间，降低工人劳动强度，安全性得到提高，工作效率明显增强。

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［8］ WARD Donald H, THALE James S, TOMASKEK James, et al. A computer controlled system for automated racking of pipe on drilling vessels［C］. SPE 5460, 1976.

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［12］ BOYADJIEFF G I, MERIT MA. Experiences in automating pipe-handling functions［C］. SPE/IADC 21956, 1992.