钻杆自动传送系统及设计方案

2) 可平滑无级调节泵速,在油井供液不足时能保持井下液位基本不变。

一方面避免了电潜泵空抽,提高了泵效;另一方面提高了潜油电机的负载率,避免了抽油机 大马拉小车 的状况,使电潜泵功效和功率因数都得到提高,大幅度降低了电能消耗,增产节能效果显著。

3) 提高了电潜泵的网侧功率因数。

4) 负载动态跟踪优化控制和线路压降自动补偿功能的节电效果显著。

针对电潜泵的负载特点和特殊工况,通过实时检测电机的负载状况和特定的动态跟踪调压优化控制算法,改善了电机的工作状态;自动调节线路补偿电压,提高了工作效率,实现了抽油机节能的动态跟踪控制。

5) 变频/工频运行方式的自动和手动切换控制功能方便、灵活。

6) 电潜泵在井下供液严重不足导致电机过轻载运行和因泥砂、石块阻塞油泵或其他机械故障导致过载自动停机时,本项目具有欠电流保护和过电
流保护功能。

移相组合式多电平变频调速装置与电潜泵控制的结合不仅可以提高油井采收率和增产节能,而且可以大幅度降低维修和运行费用,节约采油成本,保证电潜泵的可靠运行。

参考文献:
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收稿日期:2008 12 01
作者简介:尹晓丽(1985 ),女,山东临沂人,硕士研究生,现从事石油钻采机械和海洋石油装备的研发工作,E mail:yinx l.
happy @163.co m 。

文章编号:1001 3482(2009)07 0042 05
钻杆自动传送系统及设计方案
尹晓丽,牛文杰,张中慧
(中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061)
摘要:介绍了国内外陆地钻井平台和海洋钻井平台 钻井船用钻杆自动传送系统的发展现状,重点分析了OIL 公司和TESCO 公司钻杆自动传送系统的性能特点。

在分析陆地钻机结构型式和目前国外常用钻杆自动传送设备的基础上,提出了适用于陆地钻机的举升式和提升式2种钻杆自动传送系统的设计方案。

关键词:钻杆;自动传送系统;发展现状;设计方案中图分类号:T E928 文献标识码:A
Automatic Transferring System of Drill Pipe and Design Tentative
YIN Xiao li,NIU Wen jie,ZH ANG Zho ng hui
(College of M echanical and Electr ical Engineer ing ,China Univers ity of Petr oleum,D ong y ing 257061,China)
Abstract:T his paper intro duces development of the drill pipe autom atic transferring sy stem that
2009年第38卷 石油矿场机械
第7期第42页 OIL FIELD EQUIPMENT 2009,38(7):42~46
applied in today !s land rig s and marine drilling rigs,and analy ses perfo rmance character istic of the pipe automatic transferr ing system that developed by OIL and T ESCO.A t the end of this pa per,tw o types of pipe autom atic tr ansferring systems that designed on the basis of the structural pro perty of the land rigs and similar automatic tr ansferring apparatus abroad w ere listed.Key words:drill pipe;autom atic transferring sy stem;development;design tentative 钻杆自动传送系统(Pipe Automatic T ransfer r ing System)是海洋钻井平台 钻井船重要的井口机械化设备之一。

该系统能在钻井作业中将管状类钻具(钻杆、钻铤、套管等)由钻井平台甲板或地面钻杆排放架自动传送至钻台,在完井作业时再将管具输送至甲板或地面排放架[1]。

代替了传统的用钢丝绳提吊和甩下钻杆的钻杆上、下钻台高危险操作,并结合液、气、电和微机控制,实现钻具在钻台与地面之间的自动输送、排放、储运等。

同时,通过远程控制区的监控系统,可实时显示和记录作业工序、设备状
况以及对钻具的定位和系统化管理[2]。

钻杆自动传送系统主要包括机械化、远程控制、半自动化和自动化4个关键环节。

机械化改变了传统的用人工提升卡瓦和钻杆的操作方式;半自动化系统利用信息技术和智能控制系统改变了现有的管具处理系统,可减少操作工人数;在钻井作业的同时,远程控制接立根、自动传送和排放钻杆等操作可大大节省钻井时间。

管具处理系统正在成为深水钻井设备设计的工业标准。

1 国内外发展现状
钻杆自动传送系统是自动化钻井的重要组成部分,早在20世纪40年代,国外就开展了钻杆自动传送系统机械化研究。

H umble oil 和By ron Jackso n 公司联合研制了半自动化钻杆处理系统,是由司钻
和井架工共同操作[3]。

1956年,第1套卧式钻杆排
放系统安装在CU SS 1钻井船上,该系统由钻杆移运臂和水平传动链组成。

从20世纪60年代以来,钻井工业界一直在通过开发新工具、新系统来尝试着改进钻井程序。

Sedco&Forex 公司设计的第5代海上半潜式钻机实现了机械化管材移放作业,不仅加快了钻井速度,保障了人员安全,而且总建井时间减少25%,成本减少30%。

到20世纪90年代,该技术趋于成熟并开始广泛应用。

2001年,由英国石油公司与PAT 公司共同研制了轻型自动化钻井系统(LADS)[4]
,与相同功率常规钻机相比,新式钻机质量还不到常规钻机的1/2,仅需1人即可在计算机控制室完成所有钻井、起下钻及水平排立管柱作业。

目前,在钻杆传送系统方面技术比较先进的主要有美国OIL(Oilfield Innovators Lim ited)公司和T ESCO 公司,其研制出的一系列钻杆自动传送系统已得到了广泛应用。

1.1 OIL 公司钻杆自动传送系统
OIL 公司设计开发的PAL 钻杆自动传送系统与井架相互独立,自成模块,可满足远程控制的要求,如图1。

主要由钻杆输送设备、传送举升设备和远程控制设备3部分组成。

钻杆输送设备用于将钻杆由排放架输送至钻杆传送设备;钻杆传送举升设备用于接收钻杆,并在支撑液压缸的作用下举升并沿底座导轨滑动,将钻杆输送至钻台;远程控制系统主要完成钻杆上、下钻台的一系列操作过程的实时控制,并确保传送过程快速、安全、
平稳。

a 钻杆自动传送系统
b 钻杆举升设备
c 车载式远程控制室
图1 OIL 公司PA L 钻杆自动传送系统
∀
43∀ 第38卷 第7期 尹晓丽,等:钻杆自动传送系统及设计方案
PAL 钻杆自动传送系统两侧均可安放钻杆排放架,在远程控制系统的操作下,该系统可以快速、精确地实现钻杆的上、下钻台操作[3],不仅缩短了钻井周期,同时也减轻了钻井工人的劳动强度,减少了操作工人数。

PAL 钻杆自动传送系统可传送 52 4mm
(2116英寸)油管、 219mm (858英寸)套管以及Range #和Range ∃管具,由于其底座占地面积小,可用于陆地和海洋钻机。

该系统安装简便、快捷,所有安装步骤可在15min 之内完成,节约了钻井时间。

1.2 TESC O 公司钻杆自动传送系统
由TESCO 公司开发研制的钻杆自动传送系统目前已在CDR250H A 和CDR150H A 钻井平台得到应用[5],如图2。

该钻杆自动传送系统大量应用了已开发的创新技术,包括先进的液压系统及电器
元件,可编程逻辑控制等。

这些创新技术的应用减少了操作工人数,降低了钻井工作具有的潜在危险性,提高了工作效率和安全性。

控制上有2种操作模式:一种是通过独立安装在钻台面上的操作箱 控制台来完成钻杆的自动传送作业;另一种是将控制部分集成到地面车载控制室内,由地面排管工人控制。

1.3 国内研究现状
国内对钻杆自动传送系统的研究和应用较少,只有兰州石油机械研究所、宝鸡石油机械有限责任公司(原宝鸡石油机械厂)、大港油田有限责任公司等单位做过一些设计和研究。

对于钻杆的上钻台方式,国内多年来一直用电动或气动小绞车吊运,钻杆下钻台则用钢丝绳拉拽。

钻杆自动传送系统在国内
尚未投入生产和使用。

a 钻机
b 部件
c 远程操控室
图2 T ESCO 公司钻杆自动传送系统
2 钻杆自动传送系统设计方案
针对国内钻井的需要,开展钻杆自动传送系统的研究势在必行。

本文通过借鉴国外钻杆自动传送系统和同类起重、传送机构的结构特点,给出2种适用于陆地石油钻机的钻杆自动传送系统设计方案。

2.1 举升式钻杆自动传送系统
2.1.1 结构及用途
举升式钻杆自动传送系统由钻杆运移系统、钻杆举升系统和旋转门组成,如图3。

钻杆运移机构是该举升式钻杆传送系统的主要组成部分,主要负责将排放架上的钻杆运移至钻杆举升系统,并接收来自举升系统的钻杆,将其运移到排放架上;钻杆举升系统是该系统的核心,主要完成将钻杆举升至钻台和钻杆下钻台的操作;旋转门用
来提升钻杆至垂直位置并对准鼠洞。

1%钻杆传送机构;2%钻杆举升机构;3%旋转臂夹具;4%旋转门;5%水平横梁;6%钻台;7%导轨;8%液压系统
图3 举升式钻杆自动传送系统总体布局
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44∀石油矿场机械 2009年7月
2.1.2 工作流程
当钻杆传送机构被平推至钻台后,由安装在钻杆后部的平推块将钻杆推出,此时旋转门开始工作。

a) 水平横梁沿旋转门竖梁滑道下降,钻杆旋转臂夹持器夹住钻杆(如图4)。

图4 旋转臂夹具夹住钻杆
b) 水平横梁上升,液压缸带动旋转臂夹具将钻杆提起(如图5)。

图5 提升钻杆
c) 水平横梁沿旋转门竖梁滑道上升到足够高度,旋转臂夹具在液压机构的作用下绕水平横梁旋转,使钻杆完全处于垂直位置,此时钻杆中心线与鼠洞中心线对中,然后水平横梁下降使钻杆落入鼠洞(如图6)。

拆卸立根过程与此相反。

2.1.3 特点
a) 自动化程度高,功能完善。

b) 采用液压驱动完成钻杆的举升。

c) 系统的3个组成部分自成独立模块,且连
接紧凑,系统化程度高。

d) 旋转门上的旋转臂夹具可伸缩、旋转,完成钻杆在钻台上的旋转和垂直运移,操作连贯且工作效率高。

图6 钻杆位于垂直位置
该设计方案可能会因钻台空间所限造成旋转门
空间结构受限发生运动干涉。

由于自动控制系统的计算比较复杂,需要精确定位钻杆的实际运动轨迹。

2.2 提升式钻杆自动传送系统(如图7)
提升式钻杆自动传送系统主要由钻杆提升机构和扶正器并结合传统的提升卡瓦来完成钻杆的提升和下井操作。

当钻杆上升即将脱离提升机构时,由安装于钻台上的扶正器接过并扶正钻杆对准井口。

提升架的一端铰接在地面钻杆排放架底座上,另一端靠液压缸举升起来,钻杆由提升架内的链条传动机构带动沿提升架输送至钻台,然后再由提升卡瓦提升钻杆。

钻杆的输送和提升过程如图8~9。

1%钻杆提升机构;2%井架;3%提升卡瓦;
4%扶正器;5%钻台图7 提升式钻杆自动传送系统
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45∀ 第38卷 第7期 尹晓丽,等:钻杆自动传送系统及设计方案
图8
输送钻杆
图9 提升钻杆
该系统的设计机理简单易懂,设计思路清晰,易于实现;钻具容易定位,系统易实现自动化,适用的
钻机类型广泛。

举升式和提升式2种钻杆自动排放系统的操作台都是通过按钮和指示器操作。

由计算机确定夹具位置,根据钻杆的类型和长度,由脉冲编码器来保证夹具到达适当位置时减慢速度并卡在管柱的正确位置闭合夹紧。

钻杆架的移动位置也由脉冲编码器来
确定。

司钻只要在控制台上选择自动模式,在计算机上选择管柱,就可以由计算机监控其移动和操作,实现钻杆自动传送系统的自动化控制。

3 结语
随着石油钻机的自动化、智能化、无人化操作程度的日益提高,以及贯彻以人为本的健康、安全和环
保的H SE 设计理念,钻杆自动传送系统的研究势在必行。

与海洋钻井平台 钻井船相比,钻杆自动传送系统在陆地石油钻机领域内的使用应更为简单,易于拆卸且维修方便,不仅能节省人力,提高设备的安全性,减少故障率,而且能确保施工的连续性,从而提高工作时效,降低钻井成本。

因此钻杆自动传送系统正在成为实现钻井自动化的主要方向之一。

参考文献:
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下期目次预告
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秦国明等 基于A NSY S/L S-DY NA 的实体膨胀管膨胀力分析
杨 谋等 提高深井机械钻速的有效方法
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李秀全等 热扩钢管静水压试验机的结构研究
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邓 雄等 图论在集输管网可视化管理中的应用研究邹龙庆等 基于转子动力学方法研究螺杆泵抽油杆柱扶正
器的布置夏 焱等 随钻扩眼工具钻压分配比的计算方法及对钻速
的影响吴振江等 螺杆钻具造斜能力分析及预测
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王在强等 水力喷射水平钻孔技术在长庆陇东油田的应用杨智明等 ZY 441型封隔器在水平井丢手管柱上的应用谭 力等 空气冲旋钻头井底流场研究现状
陈建华等 清管器发射和接收装置的设计制造及应用刘 明等 盘式刹车盘的焊接修复工艺
赵立虎等 螺杆泵排水采气杆柱强度设计方法研究
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46∀石油矿场机械 2009年7月。