深水勘察船管子处理控制系统研制及应用

徐炜华 周建峰 吕拴明

【摘 要】深水勘察船（海洋石油“708“）钻井及取样提升系统利用折臂抓管机和鹰爪机之间的协调配合工作，将管子堆场中水平放置的钻杆移动到井口，翻转为竖直状态，并对钻杆在对扣过程中进行扶持；或者将井口上方拆卸下的竖直钻杆，翻转并移运到管子堆场。本文将介绍宝鸡石油机械有限责任公司国内首次联合研发、配套的管子处理控制系统，着重介绍折臂抓管机和鹰爪机的技术特点和功能操作，作为国内首次配套其意义不言而喻。

【关键词】深水勘察船 管子处理系统 折臂抓管机

1引言

深水勘察船项目是我国自主研发的第一艘3000米水深的石油资源勘查船，是国家重大海洋工程项目之一，也是国家深水重大科技攻关项目的综合配套项目之一，其将作为深水半潜式钻井平台“海洋石油981”辅助船支[3]。[2]本文将着重介绍国内首次联合研发配套的关键设备：机械化钻杆处理系统，即：管子处理系统。

管子处理系统，起步于上世纪50年代，随着科技进步和技术创新，其在海洋石油勘探开发领域已被广泛应用，提高作业效率、降低劳动强度，充分保障人员安全，这些设备得天独厚的优势都已被认可。管子处理系统根据作业区域和功能的不同，大致分为垂直式和水平式两类，主要作业区域有：钻台面、二层台、管子堆场，其中典型垂直式，如：钻杆排管系统（XY Column Racking Systems）、星型二层台排管结构（Star Racker）、鹰爪机（Eagle Light）等；而水平式主要以钻杆传递运输为主，如：折臂抓管机（Pipedeck Pipehandler）、动力猫道（Catwalk Machine）等。

2深水勘察船管子处理系统技术分析

深水勘察船管子处理系统（Pipe Handling Systems）是利用折臂抓管机和鹰爪机[1]之间的协调配合工作，将管子堆场中水平放置的钻杆移动到井口，翻转为竖直状态，并对钻杆在对扣过程中进行扶持；或者将井口上方拆卸下的竖直钻杆，翻转并移运到管子堆场。该系统由折臂抓管机、液压系统、鹰爪机、管子处理系统集成控制、钻杆支架、钻杆盒等组成。其系统特点是：安全性、可靠性、实用性、高效性、经济性的实现钻杆搬运操作。

2.1 设备使用环境

（1）海洋环境 环境温度及湿度：在环境温度-20℃～+50℃，湿度≤90% （+20℃时）的海洋工况下，设备可正常工作；（2）船体工作升沉参数：浪3m/9s、船 2.4m/9s；（3）最大工作风速：36m/s，自存风速：55m/s；（4）安装位置：船体露天甲板。

勘察船管子处理系统的布局图

2.2折臂抓管机（Pipedeck Pipehandler）

2.2.1 主要性能参数（表二）

序号 名 称 参 数 备 注

1 最大负载 3000kg 工作幅度≤9.6 m 运动速度≤1/s

2 常规工作负载 500kg 工作幅度≤10.m 运动速度≤6/s

3 抓取负荷直径范围 4 1/2”～8 1/4” 长度3-9.5m

4 重复精度 ±9mm

5 重量 12.5T

表二

2.2.2 组成介绍

折臂抓管机本体由基座、转台、主臂及抓管轭组成；基座与甲板法兰螺栓连接；转台与基座采用回转支撑连接，由带减速机的液压马达驱动回转支撑旋转；主臂分由3个液压缸驱动，完成俯仰运动；抓管轭（末端执行器）采用夹持式卡爪。液压系统为折臂抓管机和鹰爪机的各个动作提供所需动力、同时能将控制系统给定的输入信号转化为响应的位置和速度输出，从而实现折臂抓管机和鹰爪机按照操作路径工作。执行机构主要由液压缸和液压马达组成。采用设备操作室和现场无线遥控操作盒两种操作方式，通过电液比例控制阀、传感器和编码器等检测元件，提高了系统的自动化程度和精度，又简化了系统，实现功能完整。

2.3 鹰爪机 （Eagle）

2.3.1 主要技术参数

（1）适用钻具尺寸：4 1/2”～8 1/4”；（2）最大提升钻具重量：3000Kg；（3）主臂有效摆动角度范围：70.92°、副臂有效摆动角度范围：19.09°；（4）额定提升速度：250mm/s；（5）驱动方式：液压驱动、系统额定压力25MPa。

2.3.2 工作原理

YZJ-3000鹰爪机，主要配合折臂抓管机一起工作，由司钻房控制，其按照预制的操作路径进行作业。工作步骤是：⑴ 液压绞车准确定位鹰爪机位置；⑵通过扶正钳头和夹紧钳头复合作用，准确加持钻杆；⑶ 主臂、副臂联合作用，确保钻杆位置与井口中心线重合，同时顶驱下放利用动力吊卡将钻杆卡住；⑷ 夹紧钳头、扶正钳头相继松开，返回至初始位置抓取下一根钻杆。

3结语

以上对深水勘察船的管子处理系统从功能到配套，进行了简单的介绍，与国外海洋装备相比，我国的海洋装备尚处于起步阶段，中国海洋石油总公司副总经理周守为曾谈到，“向海洋深水领域进军，向深水技术挑战”将是今后工作的核心之一，深水海洋装备势必成为国家能源的保障，对于国内石油装备制造企业来说，不断学习吸收和技术创新的路，任重而道远。

参考文献

[1]深水勘察船折臂抓管机、鹰爪机.《操作维护手册》及相关技术资料.

[2]王维旭等.深水工程勘察船研制.《石油机械》.

[3]维基、NOV、MH等网络媒体有关管子处理系统的资讯.

作者简介：徐炜华（1978-）男，工程师，2002年毕业于西南科技大学机械制造及自动化专业，主要从事海洋装备生产工作。