谈钻井平台钻杆自动操作系统设计

摘要：对于钻杆自动操作系统，其对促进钻井效率以及优化劳动条件等方面具有显著作用。特别在条件恶劣以及成本高的钻井平台方面，运用该系统能够使传统体力劳动方式发生巨大转变，同时节省钻井成本。对此，本文对国外相关设计进行了简单分析，对单根接立根设计进行了简单介绍，最后提出了旋转V形门系统与移动V形门系统方案。

关键词：钻井钻杆；自动操作；系统设计

我国南海油气资源非常丰富，相关部门数据显示，油气当量达到了500亿吨。而周边其他国家为了满足自身需要，开始竞相开采，致使我国每年流失超出500万吨油气资源，占我国年产量1/4，因此，我国油气资源开采工作较为严峻。但是，我国在海洋油气开采技术方面的研究时间较短，在具体开采作业中存在一定困难，所以需要积极开展相关研究工作。

1国外相关设计分析

1.1PLS系统

该系统是一种钻杆自动堆放和夹取装置，广泛用于自动钻井平台中，主要型号涵盖PLS-3以及PLS-5等。在钻研上独立进行安装，高度形成在11m左右，提升臂旋转范围达到90°，和井口、猫道等处于同一直线上。其主要是将钻杆单根猫道机角度进行垂直状态转变，同时，放置于鼠洞上方，垂直钻杆系统开展单根接立根的离线操作予以配合，不会对钻进作业造成影响，促使钻台效率和安全性得到充分提升。

1.2VDM系统

在钻台井架V形门位置进行安装，举升形成最高值为27m，举升荷载最大值为100kN。VDM系统和钻杆传送装置引导机、动力鼠洞进行配合，能够实现单个接立根工作，无须采用垂直钻杆系统。钻杆举升水藻通过系统中钢丝绳以及绞车实现。绞车涵盖盘式制动以及AC变频马达等装置组成，通过这些装置能够对提升位置与速度控制效果进行充分优化。同时，该系统中还设置了一台张力绞车，能够对系统进行保护，若是主绞车无法正常运转，可以通过张力绞车实现举升操作，防止提升装置发生坠落事故。

1.3PRM系统

对于PRM系统，其运行模式一种涵盖两种，这也是PRM系统和其他系统最大的差异之处，同时，该系统并不在V形门位置进行安装，属于柱形系统，该技术较为成熟，在钻井平台中应用较为广泛。PRM系统在水平/状态下，能够进行水平/垂直系统功能相关操作，促使钻杆在垂直状态和水平状态中进行自由转换。若是将该系统切换到垂直状态，则能够对立根进行垂直传输，并可以展开单根接立根离线操作。

2钻杆单根接立根设计

2.1铁钻工、单鼠洞与PRM结合方式

PRM涵盖两种运行方式，能够进行垂直钻杆和水平/垂直钻杆的操作，所以能够借助单动力鼠洞、铁钻工和猫道机结合方式对单根接立根展开离线操作，使V形门系统可以省略。

2.2铁钻工、夹管器、单鼠洞与VDM结合方式

猫道机导向装置和VDM系统相结合，对第1单根进行抓取，并在鼠洞中放置，铁钻工和VDM系统配合进行第2单根抓取，之后和鼠洞内单根展开上扣操作。之后VDM将2节单根抓取，向夹管器中输送，运用VDM将第3单根抓起，并放置于鼠洞，同时，将夹管器中单根抓起，和铁钻工进行配合，同鼠洞中的单根展开上扣作业，即将立根上扣完成[3]。

2.3铁钻工、双鼠洞、VDM结合方式

猫道机导向装置和VDM系统相结合，对第1单根进行抓取，并在第1鼠洞中放置，铁钻工和VDM系统配合进行第2单根抓取，之后和鼠洞内单根展开上扣操作。后VDM将2节单根抓取，向第2鼠洞中输送，运用VDM将第3单根抓起，并放置于第1鼠洞，借助VDM对第2鼠洞中单个进行抓取处理，同时，和铁钻工进行配合，同第1鼠洞中的单根展开上扣作业，即将立根上扣完成。对于铁钻工、双鼠洞、VDM设计，其与2.2中设计方案的特性较为相似，然而，并不需要设置夹管器，而是需要双鼠洞。

2.4铁钻工、PRS、单鼠洞与PLS结合方式

运用PLS系统对猫道机中第1单根抓取，并放置于鼠洞中，完成第2单根抓取操作之后向PRS中传送，铁钻工和PRS配合，之后开展上扣操作。通过PRS将2节单根提起，运动PLS对第3单根进行抓取，放置于鼠洞中，铁钻工和PRS配合，对前2节单个和鼠洞中的单根进行上扣处理，及将立根上扣工作完成。此方案需要和垂直钻杆系统进行配合，非常复杂烦琐，然而，PLS铅锤方向具有小尺寸特点，空间占比非常小。

3V形门系统设计

3.1移动V形门系统

移动V形门系统涵盖导轨、夹具手、液压缸、提升臂、移动小车以及升降架等部分构成，见图1。1～15分别为钻台、钻杆、猫道机、井架V形门、导轨、移动小车、平移液缸、升降架、提升液缸、提升臂、伸缩液缸、夹具手、井口和动力鼠洞。其伸缩功能、升降系统以及纵向旋转等和旋转V形门系统相同，其平移液缸能够通过移动小车对提升臂进行左右移动操作，通过滚轮使升降架和移动小车接触。该系统在井架V形门偏右位置安装，并结合和其平行的鼠洞进行单根接立根工作。通过上图能够发现，猫道和井口呈直线分布于V形门中间位置，动力鼠洞偏右，和井口不在同一直线。夹具手、提升臂猫道机钻杆进行抓取，使钻杆提升，同时，进行旋转操作，使其能够保持垂直，通过平移液缸，促使移动小车对钻杆和提升臂进行右移操作。该系统在动力鼠洞14中放置第1单根，在15中放置第2单根，通过铁钻工协助把抓取的第3单根和第2单根展开上扣操作，之后上提第2单个和第1单根展开上扣，促使接立根操作进一步完成。两动力鼠洞和铁钻工处于同一执行，能够移动。

3.2旋转V形门系统

在V形门内部进行旋转V形门系统安装，主要涵盖导轨、液压缸、夹具手、提升臂、升降架等部分，见图1。1～10分别为：井架V形门、伸缩液缸、夹具手、钻杆、顶部夹管器、升降架、旋转液缸、提升臂以及导轨。该系统主要借助液压绞车促使升降架工作，实现钻杆升降目标，旋转系统通过提升液缸能够对提升臂进行纵向旋转操作，旋转范围为90°，通过伸缩液缸能够实现前后伸缩目标，通过旋转液缸可以进行横向旋转。旋转V形门操作系统中，井口、动力鼠洞以及猫道等在同一中心线，其功能主要是对钻杆单根进行抓取，使其从猫道机部分转变成垂直状态，同时，向动力鼠洞中传送，开展单根接立根作业，或是向井口传送。在钻杆被猫道机以及其他传送装置送达钻台后，该系统对其进行抓取上提处理，通过提升液缸对提升臂进行旋转操作，促使钻杆能够处于垂直状态，并在动力鼠洞中放置，借助同样操作方式对第2单根激进型抓取冰河鼠洞单根展开上扣操作，之后对2节单根进行上提处理，借助旋转液缸促使提升臂旋转到合适角度，向顶部夹管器传送钻杆，之后借助同样方法对第3单根进行抓取处理，并在动力鼠洞中进行放置，对升降架进行上升操作，将2节单根取回，同时，和第3单根进行上扣处理，及结束单根接立根，立根拆卸时，只需对上述过程进行反向操作即可。移动V形门系统与旋转V形门系统之间的特色存在一定差异，然而，两者设计目的与完成的功能一致。对于旋转V形门，动力鼠洞数量是1个，并且钻台结构比较简单，然而，需要将夹管器安装于井架上部；而移动V形门需要将两个鼠洞安装于钻台上，不需要将夹管器安装于井架上，使得井架结构更加简单。以对夹具手夹住的钻杆运动形式角度分析，在移动系统中，需要将滚轮组件和平移液缸安装于升降架中，所以，其升降架结构较为复杂。

4结语

在自动化钻台中，钻杆自动体系属于关键环节，将钻井人员直接与钻杆接触的工作替代，充分保证钻井人员安全，并降低劳动强度，能够在半自动与全自动之间进行切换，可以通过PLC进行编程控制。通过计算机系统对钻杆操作过程进行监控，保证钻杆运移的精确性，进而实现自动操作。当前，在社会发展推动下，为我国钻杆自动操作系统发展提供良好条件与空间，对相关技术进行研究时，应该积极借鉴国外成熟经验，以减少我国研发工作的弯路。

参考文献：

[1]时培正，魏庆彩，李杨.一种深水钻井平台钻井设备智能化操作系统探讨[J].化工管理，2017(33):193-193.

[2]葛乐通，石浦，孙俊林，刘志刚.钻井平台中部钻杆输送机上输方案与机构研究[J].机械设计与制造，2017(11):165-168.

[3]伊伟锴，李晨晨，于松周，何俊彬.海洋钻井平台自动排管系统模型样机设计[J].油气田地面工程，2016，35(05):46-48.

[4]王安义，杨秀菊，樊春明，张鹏，刘志桐.超深水半潜式钻井平台双井架钻机关键作业工艺分析[J].船舶，2019，30(01):69-73.

作者：白珊珊 单位：大庆钻探工程公司机械修理厂工具分厂