海洋钻井平台猫道机的典型结构及分析*

陆 辉,赵世刚,张 建,张彦秋

(兰州兰石能源装备工程研究院青岛分院,山东青岛 266000)

海洋钻井平台猫道机的典型结构及分析*

陆 辉,赵世刚,张 建,张彦秋

(兰州兰石能源装备工程研究院青岛分院,山东青岛 266000)

猫道机的主要功能是井场管具的自动运移,经历了从人工操作到自动化的演变过程,目前国内外钻采公司制造的自动猫道的主要类型有举升式猫道、机械臂管子处理系统和平移式猫道三种。举升式猫道运行平稳可靠,安全性好,占地面积小,但是结构较复杂。机械臂管子处理系统处理管子的速度快,工作效率高,缺点是,控制系统的稳定要求高,制造与维护成本昂贵等。平移式猫道是目前应用范围最广的猫道机,结构简单并且易拆卸和安装,易维护,并且可将钻台设备运送到钻台内。目前平移式猫道主要有两种结构,并且对这两种结构的猫道机进行了对比分析。

钻井平台;自动化;自动排管系统;猫道机

0 引 言

为了减少钻井作业时间、费用和提高作业的安全性,自动管具处理系统正在逐步取代传统的人工管具操作。自动管具处理系统减少了操作者的人员数量并提高了钻井的效率,在钻井的同时进行离线接单根、自动输送和排放钻杆等操作将会大幅降低钻井时间。自动化管具操作系统操作过程是指采用自动化管具处理系统代替人工来完成的管具操作过程。自动化管具处理系统由水平管具操作系统、水平/垂直管具转换系统和垂直管具操作系统三个子系统组成,猫道机是自动化管具处理系统配套设备之一,属于水平管具操作系统,它的主要功能是实现井场管具自动运移。顶驱的液压吊卡或机械手与猫道机相互配合使用,可以实现钻杆、钻铤和套管等的自动操作。

1 猫道机发展历史

钻井作业经过人工向自动化的转变,猫道也由原先人工操作的简易猫道逐渐转变为如今可远程控制的自动猫道,人工向自动化的转变提高了作业效率和工人的安全。

1.1 简易猫道

简易猫道是连接钻台面与甲板面的坡道,通过钻台面的气动绞车和甲板吊将放置在甲板面的管具拖拽到钻台面。这种操作的缺点显而易见,自动化,智能化程度偏低,上下钻台都需要至少4名工人配合完成而造成操作效率不高,同时工人劳动强度大,安全却得不到保证,而且钻具在互动过程中极易造成不同程度的损坏而影响使用寿命,如图1所示。

图1 简易猫道

1.2 带式钻杆传送机

为了克服人工作业的缺点,研发出带式钻杆输送机,在钻台和甲板间可,通过带式钻杆输送机传送钻杆,钻杆放置在传输机的多层橡胶带上传输钻杆,多层橡胶带通过安装在头部和尾部的驱动滚筒和张紧滚筒。通过液压马达带动驱动滚筒旋转,从而驱动传送带运行。输送机的尾部安装了扶正导向机构将钻杆倾斜一定角度,以便钻杆的抓取。但是带式传输机传输钻杆不稳定,钻杆容易从传送带上脱落。为了克服以上缺点,研发出猫道机替代了带式钻杆传送机[1],如图2所示。

1.3 猫道机

猫道机通过安装在猫道中的V型槽作为钻具的运输轨道,靠V型槽中的推车推动钻具沿着猫道的V型槽滑动,安装在尾部举升机构升起配合机械手,实现钻杆在猫道和钻台之间的相互传递,它的优点是结构较为简单,易于实现自动控制,传送过程快速、安全、平稳[2],如图3所示。

图2 带式钻杆传送机

图3 猫道机

2 国内外海上猫道机发展现状

根据猫道机的钻具承载平台、坡道与猫道地面平台三者之间的相对位置关系,以及传送钻杆的方式,国外常见的海上猫道机有举升式猫道、机械臂管子处理系统和平移式猫道3种类型[3]。

2.1 举升式猫道机

举升式猫道主要特点是猫道机与钻台面不在同一水平面,钻具承载平台中的V型槽可以根据需要举升到一定的高度。因此,举升式猫道机可以与不同高度范围的钻井平台相互匹配。举升式属于液压驱动的猫道机,能够迅速地将钻杆或者套管从钻杆架上运移到钻台上,然后通过小车将V型槽中的钻杆推向钻台面。两侧安装的排管架与翻转机构可以将钻杆移出V型槽,尾部安装有折臂吊可将钻杆放入到V型槽中,举升式猫道的优点是运行平稳可靠,安全性好,占地面积小,但是运动形式较复杂,如图4。

2.2 机械臂管子处理系统

与传统猫道机相比,机械臂管子处理系统没有猫道地面平台、钻具承载平台与坡道,可直接实现管子在地面与平台之间的运移,并且具有接立根的功能。其均采用机器人运动控制原理提高系统的自动化程度,利用排放臂和夹钳的特殊结构实现其快速定位和夹持功能,属于全自动化处理设备。机械臂管子处理系统处理管子的速度快,可以使用无线远程控制,工作效率高,缺点是液压元件的制造精度与安装精度高,控制系统的稳定要求极高,制造与维护成本昂贵,运移与拆装繁琐,如图5所示。

图4 举升式猫道机

图5 机械臂管子处理系统

2.3 平移式猫道机

平移式猫道机是广泛应用于海洋钻井平台的一种钻具运移装置。这种猫道机的特点猫道机分为两大部分,猫道机支架与猫道机滑车,支架的高度与钻台面的高度相同,折臂吊将钻具放置在猫道机滑车中,猫道机滑车从猫道机支架水平移动到钻台面上,当猫道机滑车移动到钻台面的一定位置,设置于猫道机滑车V型槽中的钻具推送装置将钻具推送到井口的预定位置。排管机械手将钻具取出。平移式猫道相对于其他类型的猫道机最大的特点是可以将一些钻台设备从甲板运送到钻台面上。平移式猫道机主要分为两种结构,分别为CAMERON公司和NOV公司生产。目前绝大多数钻井平台使用的猫道机为平移式猫道机。

CAMERON公司生产海上猫道机的排管架与猫道机本体为一体式,钻杆排放在猫道机滑车上,体积较大,重量较重。后端装有推车,可以向前推送管具,侧面装有分离机构向V型滑道推送钻杆,前端安装有抬升机构,将钻杆端部抬起。猫道机可以将钻具和其他设备高效和安全地在钻台面和甲板之间传送。猫道机可以同时运送4根6-5/8钻杆。CAMERON公司的猫道机通过折臂吊来装卸管具。猫道机通过安装在钻台面和甲板面的导轨前后移动。猫道机配有扶正机构,可以配合水平垂直转换系统将钻杆放入井眼中[4],如图6、7所示。

图6 CAMERON公司猫道机

图7 NOV公司猫道机

NOV公司生产猫道机将排管架与猫道机滑车分离,猫道本体用来推送钻杆,钻杆储存在排放架上,体积较小,重量较轻。后端装有小车,可以向前推送管具,V型槽装有翻转机构向排管架推送钻杆,前端安装有举升机构和扶正机构,配合水平垂直转换系统将钻杆放入井眼中[5],如图7所示。

3 平移式猫道机的主要结构分析

目前,由于平移式猫道机结构简单,工作效率高,所以大部分海上平台安装的是平移式猫道机。平移式猫道机主要有CAMERON公司和NOV公司这两种,通过对这两种猫道机的对比分析,改进现有平移式猫道机的现有结构。

3.1 翻转机构对比分析

CAMERON公司猫道机翻转机构由推杆和翻转块完成翻转管具的过程,NOV公司猫道机由倾斜块和翻转块完成翻转管具的过程。NOV公司猫道机的翻转机构相较于CAMERON公司猫道机结构更加简洁,在翻转管具的过程中翻转液压缸的伸缩相同的距离便可以将排管架上的不同尺寸的管具翻转到V型槽中,而CAMERON公司猫道机在翻转管具的过程中需要控制推杆液压缸的不同的伸缩距离将不同尺寸管具推送到V型槽中,所以NOV公司猫道机翻转管具的过程更容易操作,如图8～11所示。

图8 CAMERON公司猫道机翻转机构

图9 CAMERON猫道机翻转管具过程

图10 NOV公司猫道机翻转机构

图11 NOV公司猫道机翻转管具过程

3.2 猫道机小车传动机构对比

NOV公司猫道机和排管架与CAMERON公司猫道机均采用液压马达驱动链条带动小车在V型槽中前后移动。CAMERON公司猫道机采用了双侧的链传动,NOV公司猫道机因为翻转机构与本体的连接安装在本体一侧,所以采用了单侧链传动。小车的双侧链传动比小车的单侧链传动运行稳定,但单侧链传动比双侧链传动结构简单,如图12、13所示。

图12 CAMERON猫道机小车传动系统

图13 NOV公司猫道机小车传动系统

3.3 猫道机本体运行机构对比

如图14、15分别为CAMERON和NOV公司猫道机传动系统。

图14 CAMERON公司猫道机传动系统

图15 NOV公司猫道机传动系统

NOV公司猫道机通过齿轮齿条机构实现对猫道机本体的前后移动,齿轮通过安装在猫道机本体底部的液压马达驱动,齿条安装在猫道机支架上。CAMERON公司猫道机通过安装在底部的液压缸伸缩来实现猫道机本体的前后移动,并且通过液压缸可以将本体倾斜一定角度,配合机械手抓取钻杆。通过两种结构对比发现,液压缸驱动要比齿轮齿条式驱动结构简单,运行平稳,但是成本要比齿轮齿条式的高。

5 结 语

海上猫道机是自动排管系统的重要组成部分,通过自动化的运送钻杆代替人工与钻杆的直接接触,提高了钻井人员的安全性和钻井效率。海上猫道机在国外经过长期的研究和应用,其技术和产品相对成熟,其设计经验也值得我们借鉴,所以,充分了解国外各种海上猫道机操作系统的特点、基本类型等,并且通过对比分析猫道机的结构对研究和改进猫道机有很大帮助。

[1] 高建强.全液压自动猫道提升系统研究[D].长春:吉林大学, 2014.

[2] 沙永柏,朱吉良,李志东,等.钻杆自动化操作系统的典型结构[J].机械制造,2011,49(562):60-62.

[3] 赵淑兰,李文彪,聂永晋.动力猫道技术国内外现状和发展趋势[J].石油矿产机械,2010,39(2):13-15.

[4] 张富强.钻井平台钻杆自动传送系统设计研究[D].青岛:中国石油大学,2010.

[5] 刘平全.钻井平台钻杆自动操作系统设计研究[D].青岛:中国石油大学,2010.

Typical Structure and Analysis of Catwalk Machine in Marine Drilling Platform

LU Hui,ZHAO Shi-gang,ZHANG Jian,ZHANG Yan-qiu
(Qingdao Branch of Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute,Qingdao Shandong 266000,China)

The main function of catwalk machine is to automatically transport the well site pipes,and the catwalk machine has experienced the evolution process of manual to intelligent.At present,there are three kinds of catwalk which are produced by companies at home and abroad:lifting catwalk,mechanical arm processing system and translational catwalk.Lifting catwalk operates smoothly and reliably,and it is security and small land occupation,but complicated structure.Mechanical arm processing system is fast in processing speed,it is high efficiency but the control system needs stability and its manufacturing cost is expensive.Translational catwalk is the most widely used at present,which is simple structured and easy to be maintained,and it could carry equipments into the drilling platform.Now the translational catwalk has two constructions,which would be contrastively analyzed in this paper.

drilling platform;automation;automatic exhaust pipe system;automatic catwalk

TE951

A

1007-4414(2015)05-0032-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.011

2015-07-28

陆 辉(1986-),男,山东青岛人,硕士,助理工程师,主要从事钻机机械设计方面的工作。