自升式钻井平台悬臂梁滑移方案探究

王龙庭，于美华，徐兴平，张 棣，张 辛

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）①

自升式钻井平台悬臂梁滑移方案探究

王龙庭，于美华，徐兴平，张 棣，张 辛

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）①

介绍了传统型悬臂梁钻井平台的结构组成、滑移系统组成和纵向滑移方式，分析了各滑移方式的技术要求和动作特点。其中，棘爪滑移和销轴滑移虽应用比较广泛，但只能实现步进式滑移；齿轮齿条滑移方式目前应用不多，但可以很好地实现悬臂梁连续平稳滑移。结合实际比较了3种悬臂梁的应用可行性，并给出悬臂梁滑移方式选择的方向。

自升式钻井平台；悬臂梁；滑移方式

1 悬臂梁钻井平台

海洋平台是目前海洋石油勘探开发的主要装备［1］。槽式和悬臂梁式构成了自升式钻井及修井平台的2种主要型式。槽式平台是在平台的甲板上开有槽口，钻井模块坐于槽口之上，在槽口内实现钻井作业；悬臂梁式平台是整个钻井模块通过2个可移动的钢梁实现钻井模块的整体外移，实现钻井作业。因此，悬臂梁式平台不仅可以进行勘探作业，还可以通过悬臂梁整体外伸到导管架平台上（skid-off），实现钻生产井及修井作业。悬臂梁系统为钻台、井架和绞车提供了支撑结构和移动动力。因此，配备悬臂梁系统的平台具有更大的作业范围和作业灵活性，提高了平台的作业效率和作业范围，使悬臂梁式钻、修井平台成为主流。目前，全球采用的悬臂梁结构形式主要有传统型悬臂梁（如图1）、XY型悬臂梁（如图2）和旋转型悬臂梁（如图3）3种。

图1 传统型悬臂梁

图2 XY型悬臂梁

图3 旋转型悬臂梁

传统型悬臂梁的悬臂梁部分与钻台底座部分是分开的，悬臂梁伸出船艉可以钻纵向丛式井，悬臂梁不动，钻台底座在悬臂梁上作水平移动，可以钻水平丛式井，因此，悬臂梁只是作纵向的移动；XY型悬臂梁把钻台和悬臂梁连成一个整体，由悬臂梁相对于船体的纵向和横向移动来带动钻台移动，满足不同的钻井需求，增加了钻井覆盖区域；旋转型悬臂梁可以实现纵向移动和横向旋转，在增加钻井覆盖区域的同时还能减小悬臂梁尺寸，加大甲板的可操作区域［2］。

2 悬臂梁滑移方式

2.1 传统悬臂梁滑移方式

传统型悬臂梁滑移基座固定焊接在平台的主甲板上，悬臂梁安装在基座上可以沿平台纵向移动，横向轨道在悬臂梁上焊接固定，钻台安装在横向轨道上并能在其上滑移［3］。悬臂梁的纵移和钻台的横移使平台能够在同一地点钻多口井。常规悬臂梁滑移系统即为纵向滑移系统，目前自升式平台上采用最广泛的悬臂梁滑移方式有棘爪推移方式、油缸销轴推移方式和齿轮齿条滑移方式［4］。

2.1.1 棘爪推移方式

悬臂梁系统组成如图4，在悬臂梁的外侧布置有棘爪系统。

图4 棘爪滑移方式系统组成

当使悬臂梁向平台外移动时，需将导向手柄扳到右边，此时油缸伸长，棘爪从移动底座边板上矩形孔内自动松开，滑块被推动着向右移动1个节距，然后油缸缩回，同时棘爪自动卡进相应矩形孔锁紧，从而拖动悬臂梁向平台外移动1个节距。重复以上操作即可使悬臂梁不断向外移动。若要使悬臂梁向平台内缩回，将导向手柄扳到左边，实行上述类似循环操作即可。

该系统利用了棘爪结构的优点，操作过程简单易行，动作可靠。设计上应充分考虑棘爪的弯曲强度及挤压应力，避免出现折断变形；滑块的受力应合理，防止倾翻；导向手柄要配重合理，以便易于搬动。

2.1.2 油缸销轴推移方式

悬臂梁油缸销轴推移系统主要由2组油缸基座、推进油缸及滑移销轴等组成，如图5所示。悬臂梁导轨板上间隔一定距离开一些圆形销孔，当悬臂梁向右移动时，搬动换向手柄到右方，左右油缸同时工作，分别伸出和缩回，带动销轴向左运动。销轴向左运动1个节距后由弹簧自动打入相应的销孔中锁紧，然后左右油缸分别缩回和伸出，销轴由于被锁紧便能推动悬臂梁向右运动1个节距。重复以上操作可实现悬臂梁不断向右移动。当使油缸向左移动时，将换向手柄搬到左方，反向重复以上操作即可。

图5 油缸销轴推移系统

油缸销轴推移方式与棘爪滑移方式相似，都可以实现悬臂梁的步进式移动，动作可靠，操作简单。设计上应注意考虑销轴、销孔、推板结构的强度等。

2.1.3 齿轮齿条滑移方式

齿轮齿条滑移系统是在悬臂梁的主梁上设置齿条，每根齿条上对应有几个小齿轮。桩边马达驱动齿轮减速箱，将动力传递给与齿条啮合的小齿轮，从而带动悬臂梁滑移，如图6。

图6 齿轮齿条滑移系统

该滑移方式克服了液压推移方式的不连续性，可以使悬臂梁连续平稳地滑移，而且操作更灵活、操作性能良好，只要加大装置动力就可获得较高的滑移速度。技术上要考虑齿轮齿条啮合强度、各小齿轮的同步性等。

2.2 XY型悬臂梁滑动模块

常规悬臂梁只需要纵向滑移机构，而XY悬臂梁则需要纵横双向滑移机构。滑动箱（其中安装有液压推动滚筒，以减少滑动箱和轨道之间的摩擦力）和2只液压油缸由轭连接在一起组成滑动模块，轭上有销轴将滑动轨道上的一系列孔串接起来，通过液压装置推动。1台电机驱动的液压源提供滑移动力，该液压源还有另外2台电机，每台电机各驱动1台液压泵，以提高可靠性。如果1台电机或液压泵失效，悬臂梁仍可以继续移位，但移动速度会减半。滑移控制是半自动的，由可编程逻辑控制器（PLC）控制，只需选定移动方向，后续的步骤可以自动完成［5-6］。

2.3 旋转型悬臂梁改进滑移系统

旋转式悬臂梁（如图3）具有旋转基座，该基座固定于甲板上，悬臂梁通过纵向油缸推动纵向滑移，通过悬臂梁基座设置的油缸推动悬臂梁的旋转。

3 结语

目前，传统型悬臂梁在实际应用中使用较多，其结构形式成熟可靠，造价也相对较低；XY型悬臂梁滑移结构受专利保护，造价较高，应用较少；旋转型悬臂梁滑移机构制造技术要求高，在实际中很少应用。就悬臂梁的纵移方式来说，大多采用液压移位，技术上相对成熟可靠，可以实现悬臂梁步进式的滑移；但液压油缸的液压站容易漏油，液压元件也需要经常更换，维护起来较困难；液压油缸驱动式悬臂梁的滑移系统制作、安装精度高，生产制作困难。齿轮齿条方式应用相对不多，但能实现连续平稳滑移，并且可根据需要调整滑移速度。研究开发移动迅速、便捷，制作方便的齿轮齿条式悬臂梁系统可以提高海洋钻井、修井平台的工作效率，应该受到重视。

［1］ 陈宏，李春祥.自升式钻井平台的发展综述［J］.中国海洋平台，2007，22（6）：1-6.

［2］ 孙承猛，吕宏伟，戴克文，等.自升式钻井平台悬臂梁载荷图谱编制方法研究［J］.石油矿场机械，2013，42（11）：20-23.

［3］ 樊敦秋.自升式钻井平台悬臂梁迁航状态滑移分析研究［J］.船舶，2013，24（1）：73-74.

［4］ 王龙庭，梁会高，徐兴平，等.国外自升式悬臂梁钻井平台结构特点［J］.海洋石油，2009，29（4）：89-93.

［5］ 钱亚林，薄玉宝.自升式悬臂梁钻井平台初探［J］.上海造船，2009，9（1）：15-18.

［6］ 任宪刚，白勇，贾鲁生.自升式钻井平台悬臂梁研究［J］.船舶力学，2011，15（4）：402-407.

Exploration of Cantilever Beams Sliding Modes in the Jack-Up Drilling Platform

WANG Long-ting，YU Mei-hua，XU Xing-ping，ZHANG Di，ZHANG Xin
（College of Mechanical and Electical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Traditional cantilever beams structure，skidding system composition and longitudinal skidding modes：pawl skidding mode，hinge pin skidding mode of hydraulic displacement，gear rack skidding mode are described in detail.The technical requirements of the skidding modes and operating characteristics are analyzed.Among them，pawl skidding mode and hinge pin skidding mode，although used more widely than gear rack skidding mode，they can only achieve stepping skidding.Gear rack skidding mode can achieve a continuous and smooth skidding of cantilever beams well although the current application is not much.In the end，the application feasibility of the three kinds of cantilever beams are compared according to realities，and selected direction of their skidding modes is given.

jack-up drilling platform；cantilever；skidding modes

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.004

1001-3482（2014）0-0013-03

2014-01-16

中央高校基本科研业务费专项资金资助“自升式钻井平台悬臂梁底座关键技术研究”（14CX02078A）

王龙庭（1983-），男，江西吉安人，硕士，主要从事石油机械及海洋工程科研与实验教学工作，E-mail：wanglt198403＠aliyun.com。