钻机自动化管具处理系统研究

传统的钻机管具处理方式耗费时间长、安全风险高、劳动强度大。鉴于此,针对管具处理系统的模块化和自动化等方面展开研究,开发了一种由管具处理机械手、自动化钻杆盒和电液控制系统等组成的钻机自动化管具处理系统。该系统由PLC按设定的程序进行顺序控制,自动完成排管、抓管和送管等一系列操作,与顶驱、动力大钳和自动卡瓦配合基本实现由1名操作人员通过计算机控制管具处理的全过程。现场应用结果表明,自动化管具处理系统可以显著减轻工人的劳动强度,施工由4~5人减少至1~2人,实现了管具处理的井架无人化和井口无人化作业,操作灵活,性能优越可靠,具有广阔的应用前景。     

自动管具举升系统的研制及应用

为有效解决钻井现场管具上钻台和甩钻作业中存在的工人劳动强度大、危险系数高以及作业效率低等问题,研发了自动管具举升系统。该系统通过采用调节式钻井管具排放架、倾斜机构、管具推出机构、四连杆滑块机构和推送小车等,实现了钻井管具在地面与钻台面之间的自动、安全、高效举升与甩钻自动化智能操作。采用遥控技术及PLC逻辑控制技术,以PLC为核心,主控制器辅以软件程序的数字控制系统,操作模式分为无线遥控和有线控制2种,作业时,操作人员在离猫道有一定安全距离的地方操控整个系统,避免了管具举升过程中由于管具意外滑落伤人事故的发生,满足钻井设备HSE的要求。现场应用结果表明,该系统技术先进、结构合理、自动化程度及工作效率高;可显著减轻现场工人的劳动强度,实现管具处理的无人化作业,安全性好。该系统的研制为钻井现场提供了一种自动化程度高且安全高效的作业设备。     

自动化管具处理系统的研究与应用

国内对自动化管具处理系统的研究才刚起步,钻井作业中钻杆的传送更多依靠人工协同实现,远不能满足自动化钻井作业的需求。为此,研制了GW-AH1500自动化管具处理系统。该系统采用液控为主的液、电混合驱动,能够独立在鼠洞与钻杆盒间自动移运钻杆并完成钻杆的自动排放,可与在用或新型陆地液压钻机配套使用,实现高效、安全的作业模式。现场应用结果表明,自动化管具处理系统机械化和自动化程度高,可显著降低劳动力成本,钻杆输送等作业流程顺畅,抓取效率高,打破了国外技术的垄断。     

海洋平台连续起下钻钻机及关键设备研究

针对当前常规海洋自升式钻井平台钻井作业采用间歇起下钻方式存在的起下钻作业时间长、井下复杂情况多等缺点，提出了一种全新概念海洋自升式钻井平台的连续起下钻钻机，完成了连续起下钻作业流程确定、立根长度确定、连续起下钻系统、排管机、集成控制系统等关键技术和设备设计。该钻机配套常规顶驱，通过采用新增连续起下钻系统设备，改进排管机和集成控制系统的方式实现连续起下钻作业，实现在高位进行钻柱提放、管具上卸扣、钻井液收集等功能，最大起下钻速度可达2 160 m/h，与现有钻机相比，能够大幅提高钻井作业效率，降低井下压力波动，技术跨度相对较小，具有较好的可应用实施性。     

海上模块钻机新型管子处理机器人的研制

海上模块钻机对管子的处理效率直接影响钻完井作业时效,但现有管子处理装置安装尺寸大、扫掠面积大,严重制约了其在海上模块钻机的应用。以机械臂式管子处理装置为基础,研制了一种海上模块钻机新型管子处理机器人,该机器人共包含7个自由度,主要由主臂基座、主臂、翻转座、内臂、外臂和管子抓放总成等6个部分组成,通过主臂与副臂协调运动确定管子抓放总成位置,由管子抓放总成对管子进行抓取,翻转座可以带动副臂穿过主臂内部空间直接抓取和举升管子。利用ANSYS模拟计算优选了新型管子处理机器人关键结构的材料,按照1∶50的比例制作了原理样机,样机试验分析表明采用本文研制的管子处理机器人进行起下钻作业安全稳定,管子处理速度可达到520 m/h以上,能够极大提高钻完井作业时效,可满足模块钻机海上作业要求,具有较好的应用价值。     

ZJ30/1800DB自动化钻机的研制

为了提高钻机自动化、智能化操作水平,提高操作安全性,改善作业环境,研制了ZJ30/1800DB自动化钻机。该钻机通过配置动力猫道、轨道式铁钻工、二层台自动井架工和液压吊卡等管柱自动化处理设备,并采用钻机集成控制系统和双司钻智能控制平台,实现钻杆、钻铤和套管等钻井管柱的输送、建立根以及管柱排放的自动化作业,形成了自动化、安全、低作业强度的钻具处理模式。试验结果表明:该钻机输送系统和建立根系统可完成最大φ340 mm的管柱处理要求,立根排放系统可完成最大φ203 mm钻铤及钻杆的排放要求。该钻机的研制成功可为国内自动化钻机的设计研发和现用钻机的自动化改造提供思路。     

中国海上固定平台模块钻机自动化技术现状及展望

通过提高海上钻井装置自动化配置水平,可有效提高钻井作业时效和作业安全性,对海上油气田开发具有重要意义。回顾了中国海上移动式钻机和固定式钻机发展历程,通过两种海上钻井装置的自动化技术应用情况对比,分析了海上固定平台模块钻机自动化技术发展现状,重点对模块钻机的集成操作控制系统、管具自动化处理系统和钻井液混配处理系统进行了研究。通过研究分析,指出了模块钻机在上述3个自动化应用领域存在较大差距,最后展望了中国海上固定平台模块钻机自动化技术的发展方向。     

在役海上模块钻机自动化升级方案设计

有很多在役的海上模块钻机仍旧保留着传统钻机的操控方式,钻机的自动化水平很低,现场作业环境恶劣,工人劳动强度大。为了对这些模块钻机进行自动化升级,对司钻操作控制、管具处理、钻井液处理、关井操作4个方面的自动化技术应用进行研究,提出了集成控制系统、一体化仪表、防碰互锁、远程监测、管具处理自动化、钻井液处理自动化、自动化关井等设计方案。可为新建海上模块钻机以及在役平台进行自动化升级改造提供参考方案。     

LZ900/73-3500型连续管复合钻机研制

现有的连续管钻机不能使用常规管柱进行作业。依托国家科技重大专项课题,研制了LZ900/73-3500型连续管复合钻机,突破了轻量化注入头、下沉式滚筒、三折叠液压导向器、伸缩式门型井架、电液一体化集成控制系统等关键技术。现场试验表明,该钻机既可使用连续管,也可使用常规管柱,可进行钻前准备、井筒处理、钻进以及钻后完井作业。采用模块化结构,一体化运行,提高了侧钻井全过程的作业效率,并降低劳动强度、节省成本。     

一种轻型桅杆式陆地钻机钻杆排放装置

为减少起下钻作业时间,提高钻井效率,提出了一种轻型桅杆式陆地石油钻机钻杆排放装置的设计方案。该装置由行走平移机构、防倾覆滚轮机构、回转支承机构、桅杆式夹持和提升机构等组成,安装在井架二层台的操作台下面,以液压马达和液压缸为动力机构,可实现对钻具的夹持、提升、回转、平移和排放作业功能,具有结构简单、布局合理、安装方便、成本低廉等特点,可配套使用在各种陆地石油钻机上。     

海洋钻井平台折臂起重机设计

钻杆自动排放对提高海上石油钻井作业安全性及降低作业成本有重要作用,甲板钻杆起重是海洋钻井平台钻杆自动排放的首道工序。介绍了所设计的折臂起重机总体机械结构组成、工作原理、主要技术参数和液压系统原理,并对该液压系统特点进行了分析。设计的折臂起重机用于甲板钻杆起重,具有结构紧凑、操作灵活可靠、覆盖空间范围大等优点,适合深水半潜式钻井平台及钻井船甲板钻杆自动抓放操作。     

海洋钻井平台立柱式排管机设计

排管机用于在钻台排放架与井口之间往返自动抓取与排放钻杆,是海洋钻井平台钻杆自动排放中最为繁忙的装置。介绍了立柱式排管机总体机械结构组成及主要技术参数、液压系统原理及控制方式。设计的排管机适合于双联井架钻机,具有操作灵活可靠、运动稳定、操作空间大等优势,适合深水半潜式钻井平台及钻井船钻台立根自动排放操作。     

立柱式排管机回转角度高精度测量与自动化控制研究

自动化管柱处理装备的规模应用已成为石油钻井装备的发展趋势。回转运动是立柱式排管机、钻台机械手、二层台机械手、自动井架工等自动化管柱处理装置的重要运动形式。目前,立柱式排管机回转角度的测量主要依赖人工控制,精度低,自动化程度很低。基于高精度测量传感器、液压摆线马达、液压伺服比例系统、PLC控制系统等建立了回转角度高精度测量与控制系统。系统所采集的角度信号传输给控制器后,按既定算法,控制比例伺服阀动作,完成精确的定位与控制。该系统可精确地自动控制立柱式排管机的旋转。蓄能器的应用提高了能量的利用效率,降低了成本。采用立柱式排管机回转角度高精度测量与控制技术,提高了自动化程度、作业安全和作业效率,对钻井施工有重要意义。     

陆地钻机钻杆自动排放系统设计

钻杆自动排放系统主要用于海洋钻井,陆地钻井应用较少。为了减少陆地钻机起下钻作业时间,降低工人劳动强度,增加 钻井安全性能,提高钻井效率,针对陆地钻井常用井架,初步设计研究出一种结构简单、操作方便、能全程实现自动控制的三坐标钻 杆排放装置系统。该系统主要由主夹钳及平移系统、辅助夹钳及平移系统、竖直（Z向）滑道系统、以PCL-839和IPC为主的控制系统4 部分组成,安装在钻井平台和二层台之间,主要适用于陆上钻井常用的任意A型、K（或Π）型井架的钻井系统,能实现在起下钻和接 单根等作业流程中钻杆的自动夹持、提升、下放、平移等轨迹全程无人数字自动控制,是目前比较先进的钻杆自动排放系统     

钻杆自动排放系统的发展及典型结构

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。     

海洋钻机钻杆自动排放驱动装置方案设计

海洋钻机起下钻需要井架工爬上二层台进行手工操作,危险性高,时间长,效率低。在总结国内外钻杆自动排放系统的基础上,提出一种行走式驱动装置方案,驱动方式简单,易于自动化控制,能够大幅增加操作的安全性,降低劳动强度,提高钻机的工作效率,具有较好的发展前景。     

海洋钻井平台立根自动连接系统的设计与优化

顶部驱动钻井系统以立根为单元进行钻进,但立根的连接在国内尚没有成熟的技术来实现,使立根的连接和顶驱钻进不能同步进行。为此,分析了国内外海洋钻井平台钻井船用立根连接系统的发展现状,设计了用于海洋钻井平台的立根自动连接系统。该系统主要由钻杆排放架、钻杆输送机构及立根连接机构组成。利用ANSYS有限元软件对系统及关键部件进行了有限元分析,分析结果表明,系统结构可靠,稳定性好,满足系统长期运行的需要。     

钻机二层台推扶式排管机变幅机构优化研究

二层台排管机作为实现二层台机械化、无人化、自动化的关键设备,其不同的工作形式、机构布置方案对井架、二层台和起下钻作业流程设计具有重要影响。其变幅机构的设计方案与整个机构的驱动力和结构响应密切相关。以某型海洋修井机推扶式排管机为参考,通过动力学仿真分析研究准静态过程中油缸前置和油缸后置两种变幅机构布置形式下各部件的受力特点和变化规律,同时研究了铰点优化设计对载荷响应的影响。结果显示,油缸前置方案拥有更优的结构载荷响应曲线,适用于大工作载荷的二层推扶式台排管机设计,但变幅机构需占用更大的空间。铰点优化设计能有效降低变幅机构的驱动力,但结构载荷响应主要决定于机构布置形式,需按照载荷大小选取合适机构布置形式。     

补偿器装配管试压系统及工装设计

补偿器装配管是补偿器的重要部件,对其进行气压试验无成熟经验,也无合适的试压工装。为保证补偿器装配管试压工作的顺利进行,针对补偿器装配管的结构特点及现场设备,结合现场安装经验,对试压系统和试压工装进行了设计,对相应的试压过程进行了探讨。该试压系统和工装安全可靠、操作简便,保证了装配管试压工作顺利进行,具有实际应用价值。     

钻柱立根排放升降臂的受力性能分析

为了分析海洋钻井平台中的二层台立根动力排放升降臂的强度,采用ANSYS有限元软件,在合理选取钢材特性基础上,采用单元为8节点的Solid45建立分析模型。在升降臂悬臂夹头的端部施加集中载荷来模拟端头自重力和外载荷,进行竖向位移分析和Mises应力分析。根据分析结果,在悬臂板和滑道连接处增加加强板,使其强度满足规范的要求。