陆地钻机二层台自动排管系统研制

鲍泽富，胡广珊

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

0 前言

在石油钻井过程中，立根需要不断地存入或移出二层台指梁架。每提起一个立根，就需要将钻杆从井口吊卡位置移送到钻杆立根盒中。每下放一个立根，就需要将钻杆从立根盒移送到井口吊卡位置，这个过程经常重复进行[1]。整个过程需要井架工在二层台上伸出机械手到井口中心位置将立根接到游车上或者拆下来，还需要平台钻工进行上卸扣操作。钻杆排放操作需要多人合作共同完成，在进行起下钻时，钻井工作人员(司钻、井架工和钻工)必须密切合作，任何一人操作失误，都可能导致其他人员受到伤害。另外，二层台距离井台约26.5 m，井架工高空作业的安全得不到保证[2]。可见在传统钻井工作中，工作环境安全性差，工作过程繁琐耗费人力，钻井效率不高，体现出一套完整稳定、适应性强的自动化排管系统在钻井作业中存在的必要性。

最早这种自动排管技术投入应用是在海上钻井，在海洋钻井作业中常遇风浪，工作环境恶劣，安全情况更为突出[3]。同时，海洋钻井作业成本很高，加快钻井速度，缩短钻井周期显得十分重要。因此，海洋钻井平台配备自动排管系统较多[4]。在上世纪初技术人员开始研究钻杆自动排放方案，1968年，Offshore公司在其discoverer号钻井船上配备了立式钻杆排放系统，此后，自动化钻杆排放系统开始得到迅速发展[5]。这套系统获得成功后，许多其他钻井船开始安装类似系统。挪威石油局于1981年做出规定:作业于其领海内的所有钻机必须配备自动化钻杆排放系统[6]。此后，排管机得到了较大的发展和广泛的应用。但是由于海洋平台所用自动排管系统体积庞大，不适用于陆地钻井平台常用的K型井架[7]，加之成本较高，因此在陆地钻井平台配备还较少。之后随着HSE标准的提出和实施以及对钻井效率的要求，陆地钻机也逐步开始配置立根排放装置[8]。

经过几十年许多国家的不断努力，自动排管技术得到了迅速的发展。目前国外具有代表性的公司，美国NOV公司和挪威的MH公司[9]，都是全球最大的钻井设备制造商。两家公司的技术均主要用于海洋大型钻井平台，部分产品(比如NOV公司的PRS系列管具自动排放系统)也只用于大型陆地深井钻机。由于系统笨重和结构复杂，无法在中深井和浅井陆地钻机使用[1]。但是之后的美国Weatherford公司代号为Lron Derrickman的排管系统，在陆地钻机和海洋钻机都可以配备使用，并且该技术已在美国致密气、页岩气藏的钻井作业中得到成功应用，这套系统应用率目前很高[10]。我国石油钻机近年来相继成功研制出了特深井9 000 m和12 000 m石油钻机[4]，率先在国际上完善了1 000 m到12 000 m钻深系列钻机的无缝覆盖。由于钻机的自动化程度不高，不但影响钻井作业效率，继续加大钻井工人的操作强度，而且还会对操作人员的安全带来严重威胁，对贯彻执行HSE相关要求也有很大的影响[5]。自动排管系统在国内陆上钻机也有应用，但由于成本相对钻机主机而言增加较大，其推广应用速度较慢。国内一些石油装备公司、高校和科研机构也都纷纷着手研制陆地钻机自动化钻杆排放装置。

经过长期的工作研究与实地考察，本文提出了一种可直接安装于二层台与钻台之间适用于陆地上常用的K型井架和X-Y型排管架结构的陆地二层台自动排管系统。该系统主要工作是完成立根从二层台指梁到井口中心之间的往复移动，自动完成钻杆的排放工作。基于成熟的PLC技术[11]，系统可以根据预先设定的程序进行安全高效地工作。再通过人机接口软件，在实现对立根的自动转移和排放等工作过程中，对立根盒中钻杆的存放位置与数量进行监控和记录，从而使操作人员脱离繁重的体力劳动，提高作业效率、实现钻机自动化，完成对钻杆的自动化排放和科学化管理。

1 总体结构方案

1.1 总体结构布局和技术参数

陆地钻机自动排管系统主要用于井口到立根盒之间往返自动排放钻杆立根。陆地钻机自动排管的系统主要由二层台机械手与钻台辅助机械手两部分组成，工作时安装于二层台上的二层台机械手与安装于钻台上的钻台辅助机械手相互配合共同完成钻具的排放。其中二层台机械手可实现横向平移、纵向平移、机械臂旋转、夹持等功能，钻台机械手可完成机械臂的伸缩、旋转、升降以及夹持等。控制系统由检测传感器、增量传感器、运动控制卡、执行电机和动力液压缸等组成，能够控制上下机械手协同工作。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

陆地钻机二层台排管系统主要技术参数为

机械手电机电源 380VAC±5%

适应管径 4～9英寸

机械手运行速度 0.2～0.5 m/s

最大操作半径 2 600 mm

回转角度 ±90°

一次取或排钻杆时间 ≤35 s

1.2 二层台机械手

如图2所示，二层台机械手主要由平移机构、旋转机构、伸展臂以及机械手爪四部分组成，分别由三个相对应的防爆电机和一个电推杆提供动力。平移机构为丝杠螺母结构，悬挂于二层台上，在滑块和导轨上安装有位移传感器，时刻反馈滑块的位置。旋转机构与滑块连接，由步进电机提供动力，每次整体旋转90°，在旋转机构前侧与导轨水平方向之间安装有角位移传感器。伸展机构与旋转机构连接，在伸展机构与旋转机构铰接部分之间安装有角位移传感器。机械手爪由电推杆提供动力控制开合，内侧安装有接触式传感器，用于检测管柱与机械手之间的相对位置，当管柱接触到传感器探头后，系统向机械手发出夹紧信号，于是机械手爪便合上抓紧管柱。在工作过程中各部分由控制系统协调调度依次动作共同完成钻杆排放任务。

图2 二层台机械手

1.3 钻台辅助机械手

如图3所示，钻台辅助机械手安装于钻台上，由一个支撑臂和两个伸展臂以及夹持部分与底座四部分组成。钻台辅助机械手分别由一个步进电机、一个电推杆和三个液压缸提供动力源，其中步进电机控制工作台的旋转角度，1#、2#液压缸调节机械臂运动相互配合控制机械手伸展的程度，3#液压缸控制机械手伸出的长度，夹持部分的开合由电推杆控制。伸展臂与旋转底座和伸展臂与1#伸展臂之间铰接处，安装有角位移传感器，夹持部分内测安装有位移传感器。钻台辅助机械手主要任务是在二层台机械手起立根时，将立根送入吊卡后，配合夹持扶正立根下端，限制其摆动，并跟随二层台机械手移动到井口辅助对扣或者移动到排管架的指定位置。在此过程中，钻台辅助机械手不起夹持和提拉的作用，只提供扶正和平移的功能，并且在移动的过程中，要与二层台机械手相配合，故移动量，速度，加速度两者须相互协调。

图3 钻台辅助机械手

2 控制系统

2.1 工作原理

控制系统基于成熟的PLC可编程逻辑控制技术，设计了一套自动化控制系统。控制系统模块划分如图4所示，该系统主要分为二层台机械手和钻台辅助机械手以及外部交接设备吊卡三部分。在二层台靠近吊卡位置和吊卡内部安装了位移传感器，分别检测机械手是否到达位置。所有传感器测量的动态参数都用于计算机械手移动的位移、速度和加速度，并通过各项参数的反馈来调整机械手的运动，从而实现管柱的自动夹持、下放、提升、平移等全程无人数字化自动控制过程，全程只需一名工人在司钻房中操作，操作过程可通过显示屏上监控画面监管。

图4 控制系统模块图

2.2 工作流程

图5所示为自动排管系统程序设计逻辑。

图5 自动排管程序设计逻辑

陆地钻机二层台自动排管系统工作过程包括取钻杆和排钻杆两个过程。取钻杆的过程是将排管架中的指定钻杆取出送入井口上方的吊卡，排钻杆动作是取钻杆动的逆动作，是将吊卡处的钻杆移动转存到排架管指梁中排好。当系统发出取钻杆命令，二层台机械手平移机构移动到导轨指定位置，然后伸展部分伸出，当机械手爪内部传感器检测到钻杆已到达位置，机械手爪闭合抓紧钻杆，伸展臂缩回将钻杆送入二层台靠近井口的一端，当二层台上的传感器检测到机械手到达位置，旋转机构旋转，带动钻杆面向吊卡，旋转到位后，机械臂继续伸展将钻杆送入吊卡，吊卡中传感器检测到钻杆到达位置，吊卡闭合抓紧钻杆；吊卡接过钻杆后，钻台机械手伸出抓住立根底部，将立根摆正，同时二层台机械手松开钻杆回到初始位置等待下一个命令，钻台机械手继续配合完成后续所需辅助工作。排钻杆流程刚好与之相反。

3 技术特点

(1) 以电驱动为主，液压为辅，管线布置简单，安全性强。液压管线连接比电器线路的连接要复杂，并且液压油的杂质和液压管的疲劳碎屑会使压力管堵塞或者刺破，安全问题得不到保证。

(2) 该系统是在原有的钻机上进行改造，有效的利用资源，避免浪费。二层台机械手直接安装于二层台上，钻台机械手直接安装在钻台上，拆卸维护都很方便。

(3) 该系统控制部分采用PLC技术，软件开发简单，控制程序编译容易。

(4) 全程数字化控制，节省人力，效率高。本系统适用于陆地上常用的K型井架和X-Y型排管架结构，工作过程可取代井架工，由司钻房统一控制。科学规范化的管理，保障了工人安全，节省排放时间。

4 结束语

目前该项目已完成总体方案设计。机械结构部分已完成各部分的机械结构设计和关键受力部分的强度校核与优化，控制系统部分已完成控制流程设计和液压电器元件的选型，以及确定了各部分工作路线。后续工作主要围绕试验台的设计和样机的制造来开展，进行实验并作出分析与优化，改进机械结构与控制逻辑，使该系统更加稳定可靠。并考虑在现场利用ZJ50D钻机井架进行实验。