钻井平台的钻杆排放方式及其自动化操作系统

刘平全, 崔学政, 董 磊

(中国石油大学(华东),东营 257061)

钻井平台的钻杆排放方式及其自动化操作系统

刘平全, 崔学政, 董 磊

(中国石油大学(华东),东营 257061)

对比了钻井平台的两种钻杆排放方式,并介绍了国外典型的自动化钻杆操作系统,以期为国内钻杆操作系统的研究提供帮助。

钻井平台;钻杆操作系统

Abstract:Comparison on two different drill pipe treatment methods of drilling platforms,and some foreign typical drill pipe automatic handling systems are introduced in this paper,which will be helpful to domestic research.

Key words:drilling platform;drill pipe handling system

鉴于对油气资源的需求,各国已将注意力逐渐转向深海。随着作业水深的增加,钻井所需的钻杆数量相应增加,钻井作业时间和作业费用随之也相应增加。传统钻杆操作方法现已无法解决所遇问题,唯采用机械化、自动化钻杆操作系统,才能解决之。

1 钻杆排放方式分析对比

1.1 钻杆存放形式分析对比

目前,钻井平台上采用的钻杆存放形式主要有立式和卧式两种[2]。

立式存放:将钻杆立根排放在钻台上的立根盒内,靠在井架的指梁上。其优点是起下钻速度快,钻井过程中效率高,占用面积小;缺点是井架承载严重,风浪较大时,稳定性差。

卧式存放:将钻杆水平排放在甲板上。其优点是设备重心低,钻井平台稳定性提高,井架承载情况改善;缺点是排放架占用面积大。

1.2 钻杆操作过程分析对比

1.2.1 传统钻杆操作过程分析

当钻井平台在指定位置开始钻井时,需要人工将甲板钻杆排放架上的钻杆水平移至猫道,钻台上的小绞车下放钢丝绳,利用索具等工具将钻杆沿坡道拉上钻台。然后,利用吊卡、旋扣工具、在鼠洞内将钻杆连接成立根,放入立根盒存储以备使用。

在钻进过程中随着井深的增加,需要不断地将立根从立根盒移至井口连接到钻柱上;更换钻头或安装测试工具及其他钻柱底部工具时,又要不断地将立根从钻柱上取下移至立根盒或从立根盒将立根移至井口连接到钻柱上,即进行起、下钻操作。当钻完一口井后,又需要将立根从钻柱上逐根取下,利用小绞车挂住立根顶端将立根甩下,然后水平移至甲板的钻杆排放架上。

传统的操作方式需要工作人员与钻杆直接接触,在起、下钻过程中需要司钻、钻工、井架工等人的密切配合,稍有不慎便可能造成事故。移动钻杆立根时,需要二层台上的井架工伸手到井口中心位置将立根接到游车上(或拆下来),并且还需要不断在指梁与井口中心之间移动立根,这是钻机上最危险的工作之一,且工作强度大,生产效率低。

1.2.2 自动化钻杆操作过程是指采用自动化钻杆操作系统代替人工来完成上述的钻杆操作过程。开始钻井时,甲板起重设备将水平放置在甲板钻杆排放架上的钻杆起升、并移送至钻杆传送设备上,经传送后至钻台入口处。然后,位于钻台入口处的水平/垂直钻杆转换系统将钻杆传送设备上的钻杆提起,并将其由水平状态转换至垂直状态,放入动力鼠洞或交给垂直钻杆操作系统进行单根接成立根操作。单根接成立根操作是由垂直钻杆操作系统、水平/垂直钻杆转换系统、动力鼠洞以及铁钻工配合完成的,然后由垂直钻杆操作系统将立根送入立根盒存储以备使用或直接送往井口。在钻进以及起、下钻过程中,由垂直钻杆操作系统在井口与立根盒之间往返移送立根,以保证钻井作业的正常进行。当钻完一口井准备移井位时,根据相关要求,可以由上述自动化钻杆操作设备按反向程序,将立根送回至甲板排放架上,至此,完成了整个钻杆的自动化操作循环过程。

在自动化钻杆操作过程中,不需要工作人员与钻杆的直接接触,所有的操作均可通过遥控来实现,钻井效率明显提高,减轻了工作人员的劳动强度,提高了钻井作业的安全性。此外,自动化钻杆操作系统还具备离线单根接成立根的功能,可以在钻井作业的同时进行接立根操作,这是提高钻井效率的一个重要因素。

2 自动化钻杆操作系统

19世纪40年代 Humble oil公司和Byron Jackson公司就联合研制了半自动化钻杆操作系统,它必须由司钻和井架工共同操作。1973年,全自动化钻杆排放系统首次安装到挪威Smedvig West Venture半潜式钻井平台[3]上。迄今为止,国外在钻杆自动操作系统方面取得了较为显著的成果,已经形成了一系列完善设备。目前,在钻杆自动化操作系统方面具有世界领先水平的是National oilwell Varco公司和Aker Kvaerner MH公司,下面将结合这两个公司的产品对自动化钻杆操作系统进行描述。

依照立式钻杆排放方案,自动化钻杆操作系统根据其所处理的钻杆的空间位置可分为:水平钻杆操作系统、垂直钻杆操作系统和水平/垂直钻杆转换系统。

2.1 水平钻杆操作系统

水平钻杆操作系统又称为钻杆传送系统,其主要作用是在钻台和甲板之间进行钻杆及其他管具的传送,主要由甲板起重设备与钻杆传送设备两部分组成。

2.1.1 甲板起重设备的作用是将甲板上的钻杆移送至钻杆传送设备上,或反向操作,按其结构形式分为3种类型:悬臂起重机、折臂起重机和门桥式起重机。

悬臂起重机(如图1所示)主要由主体部分、悬臂装置和机械手等构成。起重机本体可以沿着轨道做水平移动,举升装置可以带着悬臂垂直上下移动,悬臂可以做一定角度的倾斜。除此之外,为方便对钻杆的抓取,悬臂还可以自由伸缩一定距离。这种起重机结构简单、安装方便,但只能沿着轨道一次传送一根钻杆。由于自身结构限制,其举升高度一般较低,多用于近海作业的钻井平台。

折臂起重机是目前在国外应用较多的一种甲板起重设备,典型的有Varco公司的Pipe Handling Crane和MH公司的 Pipedeck Pipehander。折臂起重机(如图2所示)的塔身可以绕其自身轴线旋转,各关节臂可以绕铰接轴做一定角度的转动,末端回转装置可以绕其轴线转动,通过对塔身、关节臂以及末端回转装置等机构的调整可以实现对末端夹持机构的精确定位。该起重机塔身固定在甲板上,对安装的定位精度要求相对较低,工作时不需要沿甲板做平面移动,因此产生的动载荷相对较小。折臂起重机具有一定的冗余自由度,可以灵活地进行钻杆的移送操作。

门桥式起重机是在通用型门桥类起重机的基础上进行了一系列的改进,用来满足平台钻杆操作的要求。Varco公司的Riser Gantry Crane/Gantry Crane(如图3所示)和 MH公司的 Gantry Crane都属于这类起重机。在钻井平台甲板上安装起重机的行走轨道并在轨道上安装齿条机构,起重机的两腿上安装有滚轮和齿轮。滚轮只承受压力负荷而不具有驱动的功能,通过液压马达驱动腿上的齿轮与轨道上的齿条啮合来实现起重机的整体移动。为防止抓取作业时产生摆动,机械手与导杆连接,通过绞车钢丝绳机构控制导杆的上下移动。起重机通过大车行走机构的平面移动、小车行走机构的平面移动、提升机构的垂直上下直线运动,来实现 XYZ三坐标定位功能[4]。该起重机的机械结构简单,设计思路成熟,容易实现自动化定位;其工作范围较大,工作只受轨道行程的限制和起重机跨度的限制。

2.1.2 钻杆传送设备 自动化猫道机是钻杆和其他相关管具的传送设备,可以在钻台和甲板之间安全可靠地往返传送钻杆(如图4所示)。该系统由猫道机本体、锁车机构、尾部起升机构等组成。工作时,钻杆水平放置到猫道机上,猫道机本体沿着导轨向钻台行进,到达预定位置后通过锁车机构和尾部起升机构以及水平/垂直转换系统的配合将钻杆从猫道机上移出。猫道机的尾部(临近钻台一端)安装有附属的引导设备,可用于引导钻杆对准鼠洞或井口。

自动化猫道机的主要特点是可靠性高、适应性强,可以在多种平台上使用,是目前国外应用较多的自动化钻杆传送设备。猫道机与折臂起重机配合的这种钻杆传送系统在国外被广泛应用,并在我国的海洋石油941自升式钻井平台上进行了成功的运用。

带式钻杆输送机(如图5所示)是Varco公司生产的一种钻杆传送设备,其功能与猫道机相似。该系统使用一种防油污的多层橡胶带来实现钻杆的水平传送,在输送机的尾部安装有一个驱动滚筒(如图5所示),另一端安装有一个张紧筒。通过液压马达带动驱动滚筒旋转,从而使传送带运行,以实现钻杆的传送。该设备优点是结构简单,可以快速连续地传递钻杆,并且输送带在工作过程中会对钻杆起到很好的保护作用,不需要安装钻杆护丝;缺点是,风过大时,会出现钻杆从传送带滚落的现象,其工作时允许最大风速为20.56 m/s。由于这种传送设备结构相对简单独立,所以可用来对现有钻台进行改造。带式钻杆输送机常与悬臂起重机配合,使用起来轻巧而灵便(如图6所示)。

2.2 水平/垂直钻杆转换系统

水平/垂直钻杆转换系统安装在钻台入口处,其主要作用是将在其下方水平放置的钻杆提起并转换成垂直状态,或反向操作。此外,还可以辅助垂直钻杆操作系统完成单根接立根操作或独立完成单根接立根操作。目前比较典型的水平/垂直钻杆转换系统有 Varco公司的 V-Door Machine、Stand Hand II、Pipe Laydown System以及MH公司的Eagle/Eagle Light等。各种设备的结构形式不同,但基本功能都是作为水平钻杆操作系统与垂直钻杆操作系统的衔接装置使用。

V-Door Machine(如图7所示)安装在井架的V形门处,其最大举升行程可达27 m。该系统的特点是:与动力鼠洞和钻杆传送设备尾部的引导机构配合,即可完成单根接立根操作,并可以在井口和钻杆传送设备

之间往返移送钻杆,而不需要钻杆排放系统的涉及。

Pipe Laydown System(如图8所示)是一种在自动化钻井平台上应用较多的水平/垂直钻杆转换系统,具有PLS-3、PLS-5等类型。该系统主要功能是进行钻杆的水平/垂直转换,以及协助垂直钻杆操作系统进行离线单根接立根操作。

Eagle/eagle light两种系统采用机器人控制原理实现其对运动的控制,属于全自动化处理设备。其中eagle系统最大伸出范围可达11 m,并具有接立根的功能,如图9所示。

图7 VDM系统

图8 PLS系统

图9 Eagle系统

2.3 垂直钻杆操作系统

垂直钻杆操作系统又称钻杆排放系统,其功能是在钻台上对钻杆或其他管具进行操作,主要包括在井口与立根盒之间移送钻杆立根、钻杆单根连接成立根等操作。按其结构形式和工作原理可分为柱形排放系统、桥式排放系统、机械手式排放系统。

2.3.1 桥式排放系统

Varco公司的Bridge Racker系列和MH公司的Bridge Crane System(如图10所示)都是这种类型。这种类型的排放设备结构相似,基本具有四个自由度,横梁的两端可以在支撑架的轨道上平行移动,中间垂直柱形结构可以随着小车在横梁上做直线移动,柱形结构可以绕自身轴线做回转运动,机械手可以沿柱形结构上下移动。横梁的支撑导轨一般安装在井架上,因此工作时会对井架产生一定动载荷。其主要功能是在井口与立根盒之间进行立根的移送,这种排放系统一般不具备离线接立根的功能。为防止在移送过程中立根下部产生摆动,通常在钻台上安装一个机械手式操作系统控制立根的下部,与桥式操作系统配合使用。

2.3.2 机械手式排放系统是将不同类型的机械手安装在钻台、二层台以及井架上等位置,通过系统的平面移动或机械手的伸缩功能来实现钻杆的移送。Varco公司的Compact Racker、Racking Lift Arm、Racking Guide Arm、Z-back Arm,MH公司的2-Arm System等都是这种类型。Varco公司的Compact Racker(如图11所示)是采用机器人控制原理实现对其机械手运动的精确控制,来达到准确移动钻杆的目的。MH公司的2-Arm System(如图12所示)是将上下两个机械手分别安装到二层台和钻台上,通过两个机械手的配合来实现立根在井口和立根盒之间的移送。机械手式排放系统既可以作为辅助设备与其他排放系统配合使用,也可以单独进行钻杆的操作。由于系统结构比较简单,安装也相对简单,除了可以作为自动化钻井平台的钻杆操作系统,还可以用来对现有的一些平台进行改造。

图10 桥式排放系统

图11 Compact Racker排放系统

2.3.3 柱形排放系统的结构特征是将两个或多个机械手安装在一个独立支撑的柱形结构上,这种排放系统功能比较强大,适合在多种钻井平台上作业。Varco公司的 HydraRacker、Star Racker、Pipe Handling Machine、Pipe Racking System以及MH公司的Pipe Racking Machine都是这种类型。

Star Racker的特点是其具有一种星形结构的立根盒,不同于X-Y型和平行型,这种结构的立根盒不需要立根锁定机构,结构简单;该系统不能在钻台上移动,通过转动和机械手的伸缩来实现立根的移送,如图13所示。

Pipe Racking System(如图14所示)是一种应用较多并且比较成熟的一种钻杆排放系统,它经历了PRS-3i、PRS-4i、PRS-5、PRS-6i、PRS-8、PRS-8i等多种型号的发展 ,该系统可以在钻台上沿轨道移动 ,并且具有离线单根接成立根功能。PRS系统与 PLS系统相互配合可以实现钻台上钻杆的全自动化处理,在Transocean Sedco Forex的超深水钻井船“Discoverer Enterprise”上得到成功运用[5]。

Pipe Racking Machine具有两种工作模式。当系统处于水平/垂直模式(如图15(a)所示)的时候具有水平/垂直钻杆转换系统的功能,可以实现钻杆由水平状态向垂直状态的转换;处于垂直模式(如图15(b)所示)的时候可以进行立根的垂直移送操作,该系统同样具备离线单根接立根的功能。

图13 SR排放系统

图14 PRS排放系统

柱形排放系统多用于新型的自动化钻井平台或钻井船上,作为钻杆等的自动化排放设备使用,相对于其他排放系统,具有很多优点:柱形排放系统结构独立,工作时不会对井架等设备产生附加载荷;大多数柱形排放系统可以在钻台上面移动,作业范围大、功能强,部分柱形排放系统兼具水平/垂直钻杆转换系统的功能;多数柱形排放系统可与水平/垂直转换系统配合来完成离线单根接立根的操作,提高了工作效率。

钻杆操作系统是否具有离线单根接成立根功能是衡量其自动化程度以及工作效率的一个重要因素。如果垂直钻杆操作系统是一种具有单根接立根功能的柱形系统如 PRS、PRM等,则相应的水平/垂直钻杆转换系统就不需要具有单根接立根能力,只起到辅助作用;如果垂直钻杆操作系统本身不具备离线单根接立根功能,则相应的水平/垂直钻杆转换系统是否具有单根接立根功能就显得十分重要。

2.4 “海洋石油941”钻井平台的钻杆操作系统

“海洋石油941”是大连船舶重工集团为中海油服建造的用于海上石油和天然气勘探、开采作业的自升式钻井平台,这也是我国第一座JU2 000型自升式钻井平台,最大作业水深121.92 m,最大钻井深度9 144 m。

“海洋石油941”上配备了Varco公司的自动化钻杆操作系统,主要包括在甲板和钻台之间往返传送钻杆的折臂起重机、自动化猫道机(如图16所示)以及在钻台上进行钻杆排放操作的 HR(HydraRacker)柱形排放系统(如图17所示),此外,还配备有用来进行钻杆上卸扣操作的铁钻工(如图18所示)。该钻井平台于2006年9月11日下水作业,随着总钻井深度的不断累积,其自动化钻杆操作系统的优越性得到了充分体现。该钻杆自动操作系统能够实现平台上钻杆的起、运、卸、排等一系列机械化操作,明显提高了工作安全性以及降低了工作人员的劳动强度,采用自动化钻杆操作系统也是“海洋石油941”作业效率较高的一个重要因素。该系统在“海洋石油941”上的成功运用为我国海洋钻井的钻杆自动化操作开创了先河,也为研究和发展我们自己的钻杆自动操作系统积累了宝贵的经验。

图16 折臂起重机和自动化猫

图17 HR钻杆排放系统

图18 铁钻工

3 结束语

钻杆自动操作系统在国内作为一新兴项目,与其相关的研究工作才刚刚起步。该系统是自动化钻井平台的重要组成部分,其作用直接影响到作业的效率、工作的安全等,因此,应予以重视和推广。自动化钻杆操作系统在国外经过长期的研究和应用,其技术相对成熟,其设计经验也是值得我们借鉴的,因此,充分了解国外各种钻杆自动操作系统的特点、基本类型等,对我们的研究和设计工作有很大的帮助。

[1] 刘文庆,崔学政,张富强.钻杆自动排放系统的发展及典型结构[J].石油矿场机械,2007,36(11):74-77.

[2] 华东石油学院矿机教研室.石油钻采机械[M].北京:石油工业出版社,1980.

[3] Gluch D P.Automation:An Evolution in Drilling Technology[J].Drilling,1986,47(3):24-30.

[4] 姜鸣,曹言悌,周声强.陆地钻机钻杆自动排放系统的设计方案[J].石油机械,2008,36(8):95-98.

[5] Woelfel S R.Breakthroughs in Casing Running Efficiency Utilizing Modern Pipe Handling Technology[J].SPE/IADC Drilling Conference,2001.

Treatment Methods and Automatic Handling Systems of Drill Pipe for Drilling Platforms

LIU Ping-quan, CUI Xue-zheng, DONG Lei
(China University of Petroleum(Huadong),Dongying 257061,China)

TE928

A

1001-4500(2010)01-0051-06

2009-05-01; 修改稿收到日期:2009-08-13

国家高技术研究发展计划(八六三计划);“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术”(2006AA09A104)项目支持

刘平全(1985-),男,硕士研究生,主要从事海洋钻井平台的钻杆自动排放系统设计研究。