复合功能轨道式铁钻工系统集成设计

，

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

铁钻工是海洋石油钻井平台上自动化排管系统的重要组成设备，用于进行钻具的上扣、卸扣作业。按照移动类型分为伸缩臂式铁钻工和轨道式铁钻工2大类[1-2]。其中，轨道式铁钻工具有输出转矩高，运行平稳，可以满足大尺寸管具的上卸扣要求，处理管具的规格系列范围较广，移动距离可根据钻台布置安装不同长度的轨道进行调节，特别适用于井口的作业[3]。

泥浆防喷盒也是海洋钻井平台上必备设备，用于在起下钻拆卸钻杆的过程中，收集钻杆中泥浆，防止泥浆喷溅，污染钻台面，并能将残存泥浆导入泥浆池，加以循环利用，节约成本，同时也可以提高工人在井口操作的的安全性[4]。

各种管具在上扣之前，需要对钻具的螺纹进行维护。主要工作为清除螺纹表面异物，并涂抹丝扣油，以达到保护钻杆接头，防止出现烧扣的目的[5]。

通过对钻井流程和钻台面设备构成的研究，发现上述3种功能都是与管具相关，可以将它们进行集成化设计，以实现减少空间占用，提高作业效率和自动化程度的目的，所以提出了复合功能轨道式铁钻工的设计构想。

1 复合功能轨道式铁钻工的构成和功能

复合功能轨道式铁钻工将泥浆防喷盒结构以及螺纹清理抹油装置与传统的轨道式铁钻工进行了集成设计，其包含了3大功能：①能实现钻具的上扣和卸扣，配合排管系统相关设备完成接单根/立根操作；②可以在起下钻拆卸钻杆过程中进行泥浆收集；③在钻具上扣前对螺纹进行清理并涂抹油。具体是将泥浆防喷盒集成到铁钻工基座上，提高钻台面的空间利用率，同时在铁钻工本体上设计一套全自动的螺纹处理装置，取代人工操作，完成螺纹清理和油脂涂抹，提高作业效率[6]。

1.1 结构组成

复合功能轨道式铁钻工的结构组成如图1所示。泥浆防喷盒结构安装在铁钻工基座的右侧，通过伸缩臂可以将泥浆防喷盒推送到井口作业位置，不工作时将其收回。在铁钻工的扭力钳[7]和旋扣钳之间布置螺纹处理装置，管具在上扣前，通过驱动油缸将螺纹处理装置运送到管具下方位置，对螺纹表面进行清理并涂抹油脂。

图1 复合功能轨道式铁钻工

1) 基座。轨道式铁钻工的基座可以沿轨道移动，将旋扣钳和扭力钳运送到井口作业位置。基座还具有垂直移动功能，满足不同管具的不同上卸扣界面高度，以及螺纹清理作业位置。

2) 动力钳。旋扣钳实现管具的上扣和卸扣。扭力钳实现管具的松扣和紧扣。钳口定心机构实现对管具上卸扣界面高度的判定[8]。

3) 泥浆防喷盒。包含伸缩臂和泥浆盒。伸缩臂后端固定在轨道式铁钻工的基座上，前端连接泥浆盒，通过伸缩臂结构中的油缸驱动，可以将泥浆盒运送到作业位置或收回到储存位置。泥浆盒两侧布置有油缸，驱动泥浆盒的开合。如图2～3。

图3 泥浆防喷盒运动轨迹

4) 螺纹处理装置。包含驱动油缸、喷头盒、润滑油箱。其中，喷头盒结构及其导轨安装在扭力钳上方，驱动油缸缸体也安装在扭力钳上方。驱动油缸活塞杆端固连在喷头盒的下方。驱动油缸的伸缩可以将喷头盒沿其导轨运送到工作位置，或者收回到储存位置。喷头盒内部分3层布置了喷水、喷气、喷油装置，喷头盒下端接软管将产生的污水引至污水箱，所需水气来自平台的水气系统。润滑油来自设置在基座上的润滑油箱，润滑油箱设置油泵和加热装置。如图4～5。

图4 螺纹处理装置

图5 螺纹处理装置工作位置示意

1.2 技术参数

复合功能轨道式铁钻工的主要技术参数如表1～3所示。

表1 铁钻工的主要技术参数

表2 螺纹处理装置的主要技术参数

表3 泥浆防喷盒的主要技术参数

1.3 设备的工作流程

1) 上扣流程(以井口铁钻工为例，下同)。行走马达驱动铁钻工沿轨道到达井口位置，通过钳口定心机构对井口中钻杆位置进行检测，确定作业位置。顶驱将需要连接的管具运送至井口上方，驱动油缸将螺纹处理装置运送到管具下方，基座提升油缸驱动旋扣钳和上卸扣钳向上移动，带动螺纹处理装置向上移动。当安装于旋扣钳下方的红外感应装置感应到钻具之后，基座提升油缸切换到慢速模式。在到达设定好的时间之后，提升油缸停止提升，此时钻具接头已完全进入到喷头盒之内，即开始对钻具螺纹表面进行清理和抹油操作。完成后，基座提升油缸收缩带动螺纹处理装置向下移动到铁钻工工作位置，然后螺纹处理装置退回零位，管具下移进入连接位置，旋扣钳夹住上端管具上扣。完成后，退回零位，上卸扣钳进入作业位置，完成紧扣。

2) 卸扣流程。行走马达驱动铁钻工沿轨道到达井口位置，通过钳口定心机构完成对井口中钻杆位置的检测，确定作业位置，上卸扣钳进入作业位置完成松扣。旋扣钳夹住上端管具进行卸扣。作业完成后，退回零位。铁钻工后退，让开井口位置，泥浆防喷盒伸出并打开，到达井口后泥浆盒闭合将管具抱住，顶驱提升上部管具，下部管具中溢出的泥浆从泥浆防喷盒导入泥浆池，待泥浆缓慢溢流或不再溢出时将泥浆盒打开并退回零位。

2 控制系统

2.1 液压系统

复合功能轨道式铁钻工的液压系统包括液压动力站、液压马达、油缸、控制阀组、压力传感器以及管线。其中，压力传感器用来判断上卸扣是否达到需要的转矩值。设置的增压系统[9]，可以让铁钻工具备更大的上卸扣转矩。泥浆防喷盒的伸缩臂和泥浆盒的动作由油缸驱动实现。螺纹处理装置具备的喷水、喷气、喷油功能，其所需水、气动力来自平台的水、气系统，润滑油来自设置在基座上的润滑油箱。

2.2 电气控制系统

采用本地控制、远程控制和司钻房控制3种控制模式。电气控制采用西门子的PLC编程系统，将液压系统中的动力开关信号、压力信号、位移信号集成，以及各个功能部件的位置信号集成，按照工况编制成控制程序，实现3种控制模式。

由于复合功能轨道式铁钻工具有3种功能，因此，控制系统中设置有互锁功能，防止错误操作，例如泥浆防喷盒作业时，螺纹处理装置就不能进入作业位置，每种功能部件内部的动作点也设置有互锁功能，例如铁钻工需要移动时，旋扣钳和上卸扣钳就不能在工作状态，互锁功能的设置可以确保设备使用中的安全性[10]。

3 设计创新点

复合功能轨道式铁钻工是将原来3种功能的操作进行了集成，实现了结构集成、控制集成和使用集成，为钻井平台有限的区域节省了空间，使得整个操作流程时间得到节省，提高了作业效率，实现了自动化操作，降低了人工成本。

3.1 系统集成化程度提高

1) 结构集成。将原来单独的3个功能集成在一台设备上，为平台节省了安装空间和操作空间。

2) 控制集成。原来铁钻工和泥浆防喷盒有相互独立的控制系统，例如泥浆防喷盒有独立的本地控制和远程控制，集成后控制环节减少、控制设备减少、故障隐患点减少。

3) 使用集成。原来3个功能的操作分别在3个地点操作。集成后，在1个地点就可以完成3个功能的操作。

3.2 系统的工作效率提高

首先是在3种功能集成一体化后，各个功能操作可以连续进行，节省了时间；其次，3种功能的操作，原来需要2～3人，现在仅需要1个人，降低了人工成本。

在卸扣流程中，铁钻工完成卸扣退回到待命位置的同时，泥浆防喷盒就可以伸出，而原来流程要求铁钻工退回到待命位置必须有信号确认，泥浆防喷盒才能伸出，因此新方案节省了时间。

3.3 系统自动化程度提高

首先是管具螺纹的清理和抹油实现了自动化，节省了时间和人工；其次，控制系统的集成化设计，让3个功能的转换实现无缝对接；而互锁系统的嵌入，确保了整个系统操作的安全性。

4 结论

1) 设计的复合功能轨道式铁钻工具有上卸扣、泥浆收集、管具螺纹的清理和涂抹丝扣油4种功能。

2) 控制系统集成化，减少了操作环节，提升了设备使用的可靠性。互锁系统的嵌入，提升了设备使用的安全性。

3) 功能转换无缝对接，压缩了操作时间，为用户节省了时间成本。设备的集成化，减少了钻台面的空间占用，为用户节省了空间成本。3个功能的集成操作，减少了操作人数，降低了用户的使用成本。