钻杆自动排放系统的发展及典型结构
钻杆自动化操作系统的典型结构
收稿 日 ：０ ０ １ 月 期 ２１ 年 ２
最 早 的 钻 杆 排 放 系 统 采 用 星 型 结 构 ，多 应 用 于 小
型 钻 机 。 该 系 统 中 ， 液 压 系 统 驱 动 排 放 架 旋 转 从 而 在 由
钻 模 槽 贴 实 ．后 顶 丝 和 下 顶 丝 的 使 用 是 零 件 加 工 中 重 要 的 一 环 ，零 件 主 要 尺 寸 的 保 证 就 是 通 过 后 顶 丝 和 下 顶 丝 来 实 现 的 。 钻 模 底 板 通 过 四 个 沉 头 螺 钉 固 定 在 钻
文 章 编 号 ：０ ０ ４ ９ ￣０ ０ — ０ ０ ０ １０ — ９ ８ １）６ ０ ６ — ３ １
在 钻 机 钻 杆 升 降 过 程 中 需 要 进 行 将 钻 杆 送 到 钻 台 或 将 钻 杆 送 下 钻 台 的 往 复 操 作 。 传 统 的钻 杆 排 放 操 作 方 式需 要 工作 人 员 与钻 杆 直接 接 触 ， 司钻 、 工 、 由 钻 井 架 工 等 人 员 密 切 配 合 ， 有 不 慎 便 可 能 造 成 事 故 。这 是 稍
［ ］ 编 委 会 编 ． 械 加 工 工 艺 装 备 设 计 手 册 ［ ． 京 ： 械 工 ２ 机 Ｍ］ 北 机
业 出版 社 ．９ ８ １９ ． △
这 套 钻 模 在 使 用 中 其 优 点 非 常 明 显 ： １加 工 精 度 （） 好 ， 产 效 率 高 ， 装 拆 卸 方 便 ； ２） 构 稳 定 性 好 ， 生 安 （ 结 易 维 护 。 该 钻 模 的 直 接 工 作 部 分 钻 套 采 用 白 钢 刀 刀 具 材
钻井新技术及发展方向分析
钻井新技术及发展方向分析1 钻井技术新进展1.1石油钻机钻机是实现钻井目的最直接的装备,也直接关系到钻井技术进步。
近年来,国外石油钻机能力不断增强,自动化配套进一步完善,使钻机具备更健康、安全、环保的功能,并朝着不断满足石油工程需要的方向发展。
主要进展有:(1) 采用模块化结构设计,套装式井架,减少钻机的占地面积,提高钻机移运性能,降低搬家安装费用。
(2) 高性能的“机、电、液”一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。
(3) 采用套管和钻杆自动传送、自动排放、铁钻工和自动送钻等自动化工具,提高钻机的智能化水平,为提高劳动生产率创造条件。
1.2随钻测量技术1.2.1随钻测量与随钻测井技术21 世纪以来, 随钻测量(MWD) 和随钻测井(LWD) 技术处于强势发展之中,系列不断完善,其测量参数已逐步增加到近20种钻井工程和地层参数,仪器距离钻头越来越近。
与前几年的技术相比,目前,近钻头传感器离钻头只有0.5～2 m 的距离,可靠性高,稳定性强,可更好地评价油、气、水层,实时提供决策信息,有助于避免井下复杂情况的发生,引导井眼沿着最佳轨迹穿过油气层。
由于该技术的市场价值大,世界范围内有几十家公司参与市场竞争,其中斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯3 家公司处于领先地位。
1.2.2电磁波传输式随钻测量技术为适应气体钻井、泡沫钻井和控压钻井等新技术快速发展的需要,电磁波传输MWD(elect romagnetic MWD tool s ,EM MWD) 技术研究与应用已有很大进展,测量深度已经达到41420 km。
1.2.3随钻井底环空压力测量技术为适应欠平衡钻井监测井筒与储层之间负压差的需要,哈里伯顿、斯伦贝谢和威德福等公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（annular pressure measurement while drilling, APWD) ,在钻井过程中可以实时测量井底环空压力,通过MWD 或EMMWD 实时将数据传送到地面,指导欠平衡钻井作业。
钻杆自动排放转运和移运系统分析及结构设计
第４ ２卷
第 ９期
张
敬： 钻 杆 自动排 放转 运 和 移 运 系 统 分 析 及 结 构 设 计
Ｓ ｕ ｍ ｍａ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｄｒ ｉ ｌ ｌ Ｐｉ ｐ ｅ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＺＨＡ ＮＧ Ｊ ｉ ｎ ｇ
张 敬
（ 渤海 装 备辽 河 重 工有 限 公 司 ， 辽 宁 盘锦 ｌ ２ ４ ０ １ ０ ）
摘要： 针 对海 上钻 井作业 工作环 境 恶劣 、 钻杆排 放操 作 具有 危 险性 等 问题 ， 设 计 了钻 杆排 放 自动 转
运 和 自动移运 系统 。在钻 杆转 运和移 运过程 中都 采 用了液压 系统 ， 以 实现 较 高的稳 定性 和精 确性 。
２ Ｏ １ ３， 十 第 ４ ２卷 第 ９期 第 ４ ４页
石 油 矿 场 机 械
ＯＩ Ｌ Ｆ １ ＥＩ Ｄ ＥＱＵＩ Ｐ Ｍ ＥＮＴ
文章编号 ： １ Ｏ ０ １ — ３ ４ ８ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ ０ ０ ４ ４ ０ ４
钻 杆 自动排 放 转 运 和移 运 系统 分 析 及 结构 设 计
机 的动力传 动模 式 ， 它 没有游 动 系统 ， 提 升装置通 过 电机驱 动齿轮 与 固定在 井架 上 的齿 条 啮合转动来 实
现 提 升 装 置 上 下 游 动 。 动 力 装 置 通 过 顶 驱 与 钻 柱 直
接 连接 ， 便 于控 制钻 柱 方 位 ， 既 具有 提 升 能力 ， 又 可
～
４ Ｏ ｍｍ， 其屈服 强度 一６ ７ ０ ＭＰ ａ ， 故
～
参考文献 ：
Ｌ ｏ ＇ Ｊ 一 一
钻杆自动排放系统的发展及典型结构
井过 程 中井 口到排 放 架 之 间 钻 杆 排 放 的 自动 化操 作， 避免人 与 钻杆 的直 接 接 触 ， 可 加快 起 下 钻 速 并 度 ， 降低海 上钻井作 业成本 发挥 了重要作 用 。 对
似 。２ ０世纪 ４ ０年代末 ， 一套样 机系统 安装到 Ｈｕ ｍ～
ｔａ ｄ ｅ ｒ — ｅ ｐｗａ ｅ ｉｌ ｉ ｓ Ｔｈｉ ａ ｅ ｎｔｏｄ ｃ ｄ ｔ ｉ ｔ ｒ ｆｐｉ ｅ ｒ ｃ ｉ ｙｓ ｅ ，ｆ ｃ ｏ ｆｉｓ ｔ ｒｄｒｌｉ ｒｇ ． ｎｇ ｓｐ ｐ ｒｉ ｒ ｕ ｅ ｈｅ ｈ ｓ ｏ ｙ ｏ ｐ ａ ｋ ｎｇ ｓ ｔ ｍ ａ ｔ ｒｏ ｔ ｄｅ ｅ ｏ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｔａ ｅ ｅ ａ ｙ ｃ ｌｓ ｔ ｍ ｓａ ｏ ｄ ｎ ｎｄ ｓ ｖ ｒ ｌｔ ｐｉａ ｙｓ ｅ ｂｒ ａ ． Ｋ ｅ ｒ ｓ：ｐ ｐｅｒ ｃ ｉ ｇ ｓ ｔ ｍ ；ｍ ｅ ｈ ｎｉａ ｉ ｎ ｉ ｅ ｌｏ ｅ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ａ ｋ ｎ ｙｓ ｅ ｃ ａ ｚ ｔｏ ｎ ｗ ｌ ｐ ｎ ｎｇ；ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ；ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ — ｖ ｌｐ ｎｔ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｈｅ
ｏｒ Ｙ
在起 下钻过 程 中需 要将钻杆 从井 口移送 到排放
架 或从排放 架移 送 到井 口 ， 即钻 杆排 放 操作 。特 点
是具 有危 险性 ； 一个 重 复性 高
１４ ９ ９年 ， 研制半 自动化 钻机 时就 采 用 了钻杆 在 排放 系统 。该 系统 可 以通 过 液压 和 气动 阀来进 行 ，
ｐｒ ｖ ｎｇ ｔ ａ ｅ ｙ ａ ｃ ｏ ｙ ｏ ｉｌｎ ｐ ｒ ｔｏ ｏ ｉ ｈｅ ｓ ｆ ｔ ｎｄ ｅ ｏｎ ｍ ｆｄｒｌｉ ｇ ｏ ｅ ａ ｉｎ，ｈ ｓ ｂｅ ｎ ｗｉ ｅ ｙ ｕ ｅ ｎ ｄｅ ｐ ｔ ｒ ａ ｄ ｕｌ ａ ｅ ｄ ｌ ｓ ｄ ｉ ｅ ｗａ ｅ ｎ —
钻井平台钻杆自动化排放系统方案设计
管机移动及 回转完成钻杆 在井 口与指梁 间运送 ， 根 立 设 计独立的 固定装置 ， 这种 布局 有效利用 了井架 内空
点是 具有 危险性 ； 一 个 重 复性 高 而 劳动 强 度 大 的 是
过程 ， 多人合 作共 同完成 。在海 上钻 井作业 中 ， 要 常 遇风浪， 工作 环 境恶 劣 ， 全 问题 更 为突 出 。 同时 ， 安 海 上钻 井成本 很高 ， 加快 钻井速 度 ， 短钻 井周期 显 缩 得 尤为 重要 。因此 钻杆 自动化 排放 系统将 会发挥 重 要 作用 。 钻 杆 自动 化排 放 系 统主 要 由排 管 机 、 指梁 ２部
钻杆 运送 排放 工作 ， 指梁存 放立 根 。
２ ２ １ 排 管 机 方 案 分 析 ．．
排 管机 由排 放臂 、 柱 、 立 扶持 臂 、 吊卡 、 驱 动 、 下
上 驱 动 及 上 、 驱 动 轨 道 组 成 ， 液 压 驱 动 。 排 管 机 下 全
为立柱 结构 ， 在立 柱 顶 端 和底 端 各 有 １个 驱 动 机 构
何 鸿
（ 鸡石 油机 械 有 限责 任 公 司 ， 宝 陕西 宝 鸡 ７ １ ０ ） ２０ ２
摘 要 ： 杆 自动 排 放 系 统 在 提 高钻 井 效 率 、 低 作 业 成 本 方 面 成 效 显 著 。通 过 对 国 内 外 技 术 调 研 ， 钻 降
分析排 管 系统典 型结构 ， 出一种适 用 于海上钻 井平 台的 自动化 钻 杆排 放 系统 总体 方案 。通 过 方 提
使 其沿 轨道 移 动 ， 部 小 车 可 使 立 柱 旋 转 ２ ７ ， 底 ９ 。排
放 臂安 装在立 柱 导轨 上， 过 安 装 于立 柱 底 部排 放 通
陆地钻机桅杆式钻杆自动排放系统研究
道 ， 时 需要 对猫 道 进行 改 造 ， 原 有 的猫 道 凹槽 加深 同 将
１ 总体 结构 方 案 设 计
１１ 技 术 参 数 ． 最 大 起 升 重 量 ： ０ ｇ； ３０ ０ｋ
系 统 的 主要 供 应 商 ， 产 品最 为 成熟 ， 表 了世 界 的先 其 代 进 水 平 。研 制 的 一 系 列 钻 杆 自动 传 送 系 统 已得 到 了 广 泛应 用 ， 产 品线 主要 为 海钻 平 台使 用 的排 杆 系统 ， 其 陆 地 钻 机 所 用 排 杆 系 统 较 为 少 见 。 国 内 对 钻 杆 自动 传 送 系 统 的 研 究 和 应 用 较 少 ，只 有 个 别 单 位 做 过 一 些 研 究 和 设 计 的 尝 试 ， 均 未 投 入 批 量 生 产 和 使 用 。目 前 国 内 但 尚 无 一 家 制 造 企 业 正 式 推 出 面 向 市 场 的 钻 杆 自动 排 放
１２ ． 总 体 结 构 方 案
如 图 １ 桅 杆 式 钻 杆 自 动 排 放 系 统 具 有 桅 杆 式 柱 ． 形立 式 结构 ， 杆 是该 系统 的核心 承重 部 件 ， 时 也是 桅 同 中 心 回 转 轴 。 １０ 回转 。 统 顶 部 和 底 部 各 有 一 个 可 可 ８。 系 滑 动小 车 系统 ， 部小 车 为整 个 系统提 供 牵 引动 力 ， 底 可 沿 钻 台 上 的 轨 道 凹 槽 水 平 运 动 ， 部 小 车 为 从 动 ， 随 顶 伴 桅杆 移 动 ， 要 起 平衡 作用 ， 过 顶部 滑轨 使桅 杆 保持 主 通 竖 直 。 顶 部 小 车 上 同 时 安 装 有 两 部 绞 车 。 部 的 绞 车 在 顶 系 统 主 要 控 制 整 个 上 悬 臂 的 高 度 ， 以 适 应 不 同 长 度 钻 具 的 高 度 需 求 。 杆 上 桅 安 装 两 套 悬 臂 式 伸 缩 机 械 手 ， 中 上 悬 臂 可 其
钻杆分级自动排放系统优化设计
摇杆端部做成钩 型， 通过该 曲柄摇杆机构 杆 成 品 台 。通 过 钻 杆 分 级 自动 排 放 系统 优 化 设 计 ， 采用 Ｐ Ｌ Ｃ机 电 杆再将动力传递到摇杆， 从 而 实现 将 钻 杆 从 输 送 自动 线翻 至 成 品台 上 。 体化控制 ， 操 作 简便 ， 自动 化 程 度 高 ， 降低 劳 动 强度 ， 提 高生 产 效 的运 动 ， 率， 实现 了生 产线 的 自动 化 、 智能化。 （ 二） 自动 控 制 系 统 自动 控 制 系 统 主 要 由电控 柜 、 操 作台、 室外操作箱、 光 电 开关 、 【 关键词 】 钻杆分级 自动排放 系统 Ｐ Ｌ Ｃ控制 优化设计 接近 开关 等 组 。电控 柜 由 Ｐ Ｌ Ｃ 、 继 电器 、 空气 开 关 和 接 触 器 等 组成 。 操作 台上设置有选择开关、 按钮、 指示灯、 显示屏等 。 室外操作箱设 从 井 队 回 收 后 的钻 杆 要 经 过 除 锈 、 清洗、 检测 、 检验分级 、 螺 纹 有 开关 、 急停 按钮等就地操作元件， 用于应急处理 意外情况 。 修复 、 弯钻杆校 直等程序 ， 之 后形成钻杆成 品， 然后按不 同的规 格 钻 杆 自 动 排 放 系 统 的 过 程 控 制 采 用 德 国 西 门 子 公 司 的 分级分类存放到成品台， 以便 于 再 次 供 井 。 以往 钻 杆 成 品台 ， 由 人 Ｓ ７ — ３ ０ ０系 列可 编程 控制 器 ， 实 现 钻 杆 自动 排 放 的逻 辑 控 制 和 顺 序 工在户外操作， 通 过 操 纵气 缸 的升 降来 实 现 钻 杆 的 摆 放 操 作 ， 而 每 控制 ， 通过可编程控制器和工控机组成人机界面 。 不同型号 的钻杆 个 人 只 能 控 制 两 个 台架 ， 且采 用 气 缸 举 升 ， 由 于 气压 控 制 存 在 反应 堆 放 在 待 分 类 台架 上 ， 由管理 人 员从 操 作 台遥 控 依 次 放 到 正 在 运 滞后 的问题， 经 常导致前后两处气缸动作不 同步 ， 钻 杆翻 转 失 败 ， 行的 自动线上 ，进入分检 控制 区后 ，管理人员根据钻杆 的规格型 掉下来砸坏设备， 甚至伤人的事 故。因此 ， 优 化设计钻 杆成品分级 号、级别等 ，由操作台上的按钮依次输入钻杆需要到达 的成 品台 排 放 系 统 ，实现 钻 杆 自动 线 输 送 滚 轮 升 降 的 自行 调节 和 钻 杆 的 自 号，通过每个成品台前安装 的光 电开关 的检测 ，经 Ｐ Ｌ Ｃ的运算处
钻柱自动化排放技术发展现状
笔 者介绍 了国外钻 柱 自动化 排 放技术 的发展 过
程及 技术 现状 ，以期对 我 国在该 技术 领域 的发展起
到启 发 和引导作 用 。
自动化 工 具 （ 液 压 大 钳 、动 力 卡 瓦 ） 的应 用 ， 如 同时各 种用 途 的钻柱 排放 装 置不 断 出现 ，这些 装置 与井 口 自动 化工 具配 合使 用 ，使得 钻井 作业 过程 中
放 自动化 。该 技术 使得 钻柱 排放 作业 不再 需要 人 工
直接 参与 ，从 而让 钻工 远离 危 险区域 。钻 柱 自动化
排放 技术 减轻 了工 人劳 动强 度 、提高 了安 全操 作水 平 、降低 了安全 风 险 ，同时 也提 高 了钻柱 排放 的 自
动化水 平 和工作 效率 ，是 实 现安 全 、健康 钻井 和提
对 管柱 的各 种操 作不 再需 要人 工直 接参 与 ，钻 柱排
钻柱 自动 化 排 放 技 术 发 展 过 程
自 １ ９ 年 旋 转 钻 井 技 术 开 始 应 用 于 石 油 钻 井 ８５
放技 术 开始从 机 械化 向半 自动 化发 展 。
１７ ３年 ， 威 的 Ｓ ｅ ｖ Ｗｅｔ ｅｔｒ钻 井 船 ９ 挪 ｍ ｄｉ ｓＶ ｎｕｅ ｇ
１４ ９９年 ，Ｂ ｒｎＪｃｓｎ公 司 研 制 出 第 １台 三 ｙｏ ａｋｏ
臂 管柱 排 放 装 置 样 机 ，并 于 １５ ９ ２年 获 得 成 功 应 用 Ｊ ９ ６年 ，第 １套 钻 柱 操 作 系 统 在 Ｃ Ｓ 一 １ 。１５ ＵＳ 钻 井船 上 应 用 。该 钻 井 船 的 钻 柱 水 平 排 放 在 甲板 上 ，操作 系统 主要用 于排 放水 平放 置 的管 柱 Ｊ 。 在 ２ 纪５ ６ ０世 ０～ ０年代 ，钻 机生 产 商研 制 了各
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收稿日期:2007206207作者简介:刘文庆(19822),男,河北唐县人,硕士研究生,主要从事适用于半潜式钻井平台的钻杆自动排放系统的设计研究工作,E 2mail :liuwayne @ 。
文章编号:100123482(2007)1120074204钻杆自动排放系统的发展及典型结构刘文庆,崔学政,张富强(中国石油大学(华东),山东东营257061)摘要:在20世纪40年代,人们就开始探索起下钻操作的机械化方法,于是产生了钻杆自动排放系统。
目前,该系统已在深水及超深水海洋钻机中得到广泛应用,在改进钻井作业的安全性和经济性等方面取得了巨大成功。
介绍了钻杆自动排放系统的发展历史和促进其发展的因素,以及国外的典型系统。
关键词:钻杆排放系统;井口机械化;发展;结构原理中图分类号:TE928 文献标识码:ADevelopment and Typical Structure of Pipe R acking SystemL IU Wen 2qing ,CU I Xue 2zheng ,ZHAN G Fu 2(China Universit y of Pet roleum (H uandong ),Dong ying 257061,China )Abstract :Pipe racking system was developed when people began to find met hods to mechanize t he operation of t ripping in and t ripping out in 1940s.This system ,which made great success in im 2proving t he safety and economy of drilling operation ,has been widely used in deepwater and ul 2t ra 2deepwater drilling rigs.This paper introduced t he history of pipe racking system ,factor of it s develop ment and several typical systems abroad.K ey w ords :pipe racking system ;mechanization in well opening ;develop ment ;st ruct ure and t he 2ory 在起下钻过程中需要将钻杆从井口移送到排放架或从排放架移送到井口,即钻杆排放操作。
特点是具有危险性;是一个重复性高而劳动强度大的过程;花费大量时间;需要多人合作共同完成。
在海上钻井作业中常遇风浪,工作环境恶劣,安全情况更为突出。
同时,海上钻井成本很高,加快钻井速度,缩短钻井周期显得尤为重要。
20世纪40年代,人们开始探索使钻杆操作机械化的各种方法,于是产生了钻杆排放系统,实现钻井过程中井口到排放架之间钻杆排放的自动化操作,避免人与钻杆的直接接触,并可加快起下钻速度,对降低海上钻井作业成本发挥了重要作用。
1 发展历史1949年,在研制半自动化钻机时就采用了钻杆排放系统。
该系统可以通过液压和气动阀来进行,从而完成起下钻的各种常规操作[1]。
1956年,第1套机械化钻杆操作系统应用到CU SS 21钻井船上,该系统为卧式操作系统,安装在钻杆甲板尾部。
钻杆通过自动化坡道移送至井口,然后由吊卡提升。
与此同时,一套立式钻杆排放系统得到发展,此系统与传统的钻杆立根操作方式相似。
20世纪40年代末,一套样机系统安装到Hum 2ble 30型钻机上,并且成功钻进了22860m 。
2007年第36卷 石油矿场机械 第11期第74页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2007,36(11):74～77 此后将近20a ,才有完全自动化的钻杆排放系统开始投入商业使用,该系统使得起下钻过程不再需要钻井工人直接参与。
1968年,Off shore 公司在其转塔系泊钻井船Discoverer 号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。
采用该系统的初衷是解决由于钻井船运动而引起的钻杆操作的困难。
这套系统获得成功后,许多其他钻井船开始安装类似系统,包括几套类似于CU SS 21钻井船上的卧式系统。
1973年,全自动化钻杆排放系统首次安装到挪威的Smedvig West Vent ure 半潜式钻井平台上。
采用这套系统不是为了解决平台移动产生的问题,主要是解决平台在挪威北海钻井时强风和低温的影响问题。
这套系统同样获得了成功,此后,大量其他同级别的钻机配备类似系统也获得了成功。
图1 立柱式钻杆排放系统直到1980年,才开始出现了各种不同设计的立式钻杆排放系统(如图1)。
这主要是因为相关国家标准的影响,尤其是挪威。
挪威石油局的标准规定:作业于挪威领海内的钻机必须配备全自动化钻杆排放系统、动力卡瓦以及自动化上卸扣装置。
目前,钻杆排放系统的种类很多,包括简单的位于钻台上的机械手,以及复杂的具有3个机械手臂的排放系统。
许多系统能够举升钻杆立根,有些甚至能举升直径为<508mm (20英寸)的套管。
这些钻杆排放系统可以看作是位于井口和排放架之间的二臂或三臂机器人,操作员在封闭控制室内通过电脑或其他电子设备对系统进行控制[2]。
2 促进钻杆排放系统发展的因素2.1 安全性在整个钻井过程中,有30%以上的时间花费在起下钻杆、钻挺、套管以及其他钻具上。
研究和事故分析表明,钻井工人在进行这些操作时危险性很大。
钻杆排放系统的一个主要目标就是减少钻台上的操作人员,从而提高安全性。
2.2 经济性经济性不仅包括钻井作业人员的薪酬,还包括人员运输及其在作业地点的其他费用,在海上及沼泽等边远地区,花费在人员方面的费用会更高。
减少钻井作业人员可以降低总的钻井成本。
采用钻杆自动排放系统的第2个经济因素是钻井作业时间。
在某些情况下,经济因素迫使人们将钻井作业时间以分甚至以秒来考虑。
在钻超深井或在超深水海域进行钻井时,立根数目相应增多,起下钻将耗费大量的时间。
如果缩短每个立根的操作时间,那么整个起下钻过程耗费的时间将会明显减少。
当然,钻杆自动排放系统不是单纯地加快起下钻的速度,而是在其稳定的操作速度和安全的工作环境共同作用下降低成本。
2.3 工业标准1981年,挪威石油局的标准规定:作业于挪威领海内的钻机必须配备自动钻杆排放系统。
1991年,对该标准作了修改,规定钻杆排放系统所能操作的管柱范围必须包括钻铤和套管。
挪威在2003年做的一项调查表明,钻杆自动排放系统在钻井工人安全、健康和工作环境等方面都有了明显的改善。
2.4 工业发展趋势自动化和计算机化目前已成为工业发展趋势,并且深入人心,这在一定程度上也促进了钻杆自动排放系统的发展。
3 国外典型的钻杆排放系统以National Oilwell Varco 公司的钻杆排放系统为例。
该公司的钻杆排放系统设计非常成熟,已经实现模块化设计。
钻杆排放系统具有多种不同形式,但以立柱式为主(如图1所示)。
立柱可以从井口沿轨道移动到排放架,通过立柱绕其轴线的旋转可以带动2～3个机械手臂朝向不同的方向,手臂可以绕固定轴上下摆动,从而使立根远离或靠近立柱[4]。
3.1 分类钻杆排放系统根据排放架指梁的形式可分为星型平行型和X 2Y 型(如图2～4)。
a) 星型 最早的钻杆排放系统采用星型结构,多应用于小型钻机。
在该系统中,由液压系统驱动排放架旋转从而带动钻杆旋转。
立柱配合排放架只需旋转一定角度便可以在井口与排放架之间移送钻杆,不需要另外设计轨道,可大大节省操作空间。
・57・ 第36卷 第11期 刘文庆,等:钻杆自动排放系统的发展及典型结构图2 星型图3 平行型图4 X 2Y 型 b) 平行型 大型钻机广泛采用此种形式,因为其可以存放较大数量的钻杆、钻铤及套管,而且可以与卧式钻杆操作系统实现完美的配合。
其指梁可以调节,来满足不同直径管柱的要求。
采用此结构后,可以在轨道上同时安装2套排放系统,并且2套系统可以独立工作,互不影响,特别适用于双井架钻机。
由于近年来双井架的发展,使得平行型系统具有了更大的应用空间。
c) X 2Y 型 目前大多数钻杆排放系统采用此种结构。
因为无论是X 2Y 型还是平行型系统,排放架均需要固定到井架中,前者将会占据较大的井架空间,在存放钻杆数量方面会受到井架空间的限制。
对于星型系统,其特殊的指梁结构不需要为每个立根设计独立的固定装置,使结构大大简化,可以减少故障发生的几率。
对于平行型和X 2Y 型系统,必须为每个立根设计独立的固定装置(如图5所示),使得结构非常复杂。
也有的采用气动固定装置,这就要求为每个立根单独配置一个气缸闩锁机构。
由于采用上述设计降低了指梁的强度,因此必须增大指梁尺寸来满足强度要求。
图5 立根固定系统3.2 功能根据型号的不同,钻杆排放系统可同时具有以下4种功能或其中部分功能。
a) 起下钻 是所有钻杆排放系统的基本功能,该功能可以实现在井口与排放架之间移送钻杆。
其操作管柱的范围包括:①钻杆立根,长度27.4m (90英尺)～36.6m (120英尺),直径<66mm (2∃0英寸)～<168.3mm (6&3英寸)②钻铤立根,长度27.4mm (90英尺),直径<88.9mm (3∀−英寸)～<254mm (10英寸)③套管立根,长度27.4mm (90英尺),直径114.3mm (4∀−英寸)～<508mm (20英寸)b) 接单根 可以完成接单根操作。
在钻井过程中,利用钻杆排放系统可以进行接单根操作而不影响钻井作业,接完单根后将其置于排放架中,以备钻进时使用。
c) 提放单根 可以实现将单根由竖直位置放至水平(或略微倾斜)位置,也可实现将单根由水平(或略微倾斜)位置提至竖直位置。
由于单根由甲板传送至钻台时多处于水平(或略微倾斜)位置,而将单根由钻台送至甲板时多处于竖直位置,采用钻杆排放系统的此种功能,可以不必另外设计系统就能完成这种位置转换功能。
d) 引导隔水管 可以扶正及引导隔水管。
在用顶驱提升或下入隔水管时,用钻杆排放系统对隔水管进行扶正和引导。
4 结论钻杆自动排放系统在现代钻井中发挥了重要的・67・石油矿场机械 2007年11月 作用。
目前,钻杆排放系统的操作范围已由最初的钻杆扩展到钻铤、套管、隔水管以及其他井下工具。
最近20a 来,新建的大型海洋钻井装备以及自动化钻机上都广泛采用了钻杆自动排放系统。
今后该系统将会成为大型钻井装备的标准配备。
参考文献:[1] Merritt G H.Systems Approach to Pipe Handling Ce 2menting ,and Mud Mixing[C].Dallas :SPE1729,1967.[2] J acques M E ,Herst N W.Pipe 2Racking Systems :AreThey Cost Efficient ?[C ].Amsterdam :SPE/IADC 21957,1991.[3] Holger Kinzel and J rg Lorenz.A New Approach toMechanized Tubular Handling and Running as a Safe and Cost Effective Alternative [C ].Amsterdam :SPE/IADC 37603,1997.[4] Boyadjieff G I ,Merit M A.Experiences in Automatingin Pipe 2handling Functions [C ].Amsterdam :SPE/IADC 21956,1991. 收稿日期:2007206213基金项目:教育部科学技术研究重点项目:“振动2化学复合增产技术研究”(205158)作者简介:康美娟(19662),女,宁夏吴忠人,副研究馆员,1989年毕业于西南大学,现从事科技文献检索研究工作。