海洋钻井隔水管处理系统技术现状与关键技术.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 1 1 期 海洋石油装备 海洋钻井隔水管处理系统技术现状与关键技术 张茄新 王 璐 徐 晓鹏 白兰 昌 贾 涛 1 ．国家油气钻井装备工程技术研究中心2 ．陕西理工学院 摘要 加大隔水管处理系统技术研 究力度 ，快速实现该系统的国产化对推 动我 国海洋石油装 备 的全面发展意义深远。在介绍国内、外隔水管处理 系统发展现状 的基础上 ，对 隔水管处理 系统 进行 了技术分析 ，主要包括卧式隔水管处理系统和立式隔水管处理系统，并将 两者进行 了对 比， 其主要不同为存储方式对平台结构的影响、工作效率与安全性 、隔水管移运 吊机和存储指梁。我 国要开发具有 自主知识产权的隔水管处理 系统，需攻克的关键技术有 隔水管移运载荷分析 、控制 系统设计及系统安全性设计。建议我 国从立式隔水管处理系统入 手，研 究试制其重要单元设备 ， 逐渐形成系统开发 ，并最终达到成套开发的 目的。 关键词 隔水管处理系统；立式；卧式；隔水管吊机 ；抓臂式抓管机；关键技术 中 图分类 号 T E 9 5 1 文献标 识 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 2 8 S t a t e o f t he a r t m a r i ne d r i l l i n g r i s e r ha n dl i ng s y s t e m a n d k e y t e c hn o l o g i e s Z h a n g J i a x i n Wa n g L u Xu Xi a o p e n g Ba i L a n c h a n g J i a T a o 1 ． N a t i o n a l O i l G a s D r i l l i n g E q u i p m e n t R e s e a r c h C e n t e r ；2 ． S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ab s t r a c t I t h a s a g r e a t s i g n i fi c a n c e f o r t h e i n t e g r a t e d d e v e l o p me n t o f C h i n a ’ S o f f s h o r e d ri l l i n g e q u i p me n t t o e n h a n c e t h e r e s e a r c h o n ris e r h a n d l i ng s y s t e m a n d d o me s t i c a t i o n ． Th e d e v e l o p me n t s t a t u s o f d o me s t i c a n d f o r e i g n ris e r h a n d l i n g s y s t e m i s i n t r o d u c e d a nd t e c h n i c a l a n a l y s e s o n ris e r h a n d l i n g s y s t e m a r e c o n d u c t e d， i n c l u d i n g t h e h o riz o n t a l a n d v e r t i c a l r i s e r h a n d l i n g s y s t e m．Th e t wo t y p e s o f s y s t e ms we r e c o mp a r e d ． Th e ma i n d i f f e r e n c e s a r e p r e s e n t e d i n t h e e f f e c t s o f t he s t o r a g e me t h o ds o n t h e p l a t f o r m s t r u c t u r e， e f fic i e n c y a n d s a f e t y， ris e r t r a ns p o rt c r a n e a n d ris e r fi n g e r b o a r d ． T o d e v e l o p r i s e r h a n d l i n g s y s t e m w i t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y rig h t s ，t h e k e y t e e h - n o l o g i e s r e qu i r e d t o o v e r c o me a r e t h e l o a d a n a l y s i s o n ris e r t r a n s p o r t i ng， c o n t r o l s y s t e m d e s i g n a n d s y s t e m s a f e t y d e s i g n ． I t i s r e c o mme n d e d t o b e g i n t o s t u d y t h e v e r t i c a l ris e r h a n d l i n g s y s t e m a n d t r y t o ma n u f a c t u r e t h e k e y u n i t e q u i p me n t ．S y s t e m d e v e l o pme n t s ho u l d be t h e n g r a d u a l l y f o r me d a n d u l t i ma t e l y t h e wh o l e s e t s y s t e m s h o ul d b e d e v e l o p e d． Ke y wo r d s ri s e r h a n d l i n g s y s t e m；v e r t i c a l - t y p e；h o riz o n t a l - t y p e ；r i s e r c r a n e ； k n u c k l e t y p e p i p e h a n d l i n g ma c h i n e； k e y t e c hn o l o g i e s 钻井隔水管是海洋钻井平台与海底井 口联系的 重要通道 ，在深水钻井中占有重要地位。钻井隔水 管在非工作 状态下 以单根 的形式存放 在平 台甲板 上 ，在工作需要时则通过一定方式将 隔水管单根 由 储存 区运送到钻台井 口上方或 由钻台区移运到储存 区堆放，这个过程称为隔水管的移运处理，实现隔 水管的移运、提升和存储等操作所需要的一系列设 备称之为隔水管处理系统。 隔水管处理系统集机、电、液为一体 ，具有现 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 海洋钻井隔水管系统工程化研制 ” 2 0 1 3 AA 0 9 A 2 2 2 、“ 深水钻机 与钻 柱 自动化处理关 键技术研究 ” 2 0 1 2 A A 0 9 A 2 0 3 。 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1 期 张茄新 等海洋钻井隔水管处理 系统技 术现状与关键技术 代化和智能化等特 点 ，是深水 钻井 的重要设 备之 一 ，能够有效地提 高工作效率 ，降低人工 劳动成 本 。因此 ，加大隔水管处理系统技术研究力度 ，快 速实现该系统的国产化 ，对推动我 国海洋石油装备 的全面发展意义深远 。 1 国内外发展现状 1 ． 1 发 展过 程 隔水管处理是海洋管子处理作业的一部分。在 海洋钻井中，管子处理作业的发展经历了机械化一 远程化控制一 编程 自动化一 完全 自动化 4个过程。 管子处理最早是 由机械化辅 助井 架工手动操 作完 成 ，钻机提升设备夹持管子单根 ，井架工手动完成 管子对接 、拆卸及移运等作业 ，作业耗时长 ，工作 环境恶劣。随着 电子工业和机 、电、液一体化技术 的发展 ，铁钻工 、扶管臂等甲板设备投入到管子处 理的起下钻作业 中，实现了远程控制模式 ，降低 了 人员操作风险。2 0世纪 9 0年代 ，第 1套可编程 自 动化管 子处 理 系统 在 挪威 海 上钻 井 平 台投 入 使 用 J ，实现了管 子作业 的完全 自动 化操作 ，大大 提升了作业效率。近年来 ，随着折臂抓管机 、排管 机和猫道机 的应用 ，管子处理系统已逐步实现了存 储 、移运和下放等流程的 自动化操作 ，并逐步向高 集成 、人工智能化方 向发展。 1 ． 2国内外发展现状 管子处理系统设备多 、技术要求高、产品附加 值大 ，目前 ，其市场主要被欧美等几家石油设备公 司垄断。全球最大的海洋钻井供应商美国 N O V公 司和挪威 A k e r ． MH公 司 已经开发研制 出 自动化管 子处理装置 ，其中包括隔水管处理系统 ，可移运的 隔水管长度范 围为 1 3 ． 7 2～2 7 ． 4 3 1 3 3 ，吊运安全载 荷范围为 5 0～4 5 0 k N，并带有多重 防坠 、安全锁 紧功能 ，产品性能良好 ，型号齐全 ，广泛应用于全 球海洋钻井作业中 ，大大提高了平台作业效率 。图 1为 N O V公司的隔水管处理系统。 近年来 ，国内的大型海工设备生产厂家 、石油 机械供应商逐渐认识到管子处理系统对深水钻井作 业的重要性 ，加大了该系统的研发和制造力度。宝 鸡石油机械有限责任公司已经生产 了适用于陆地作 业的管子处理系统 ，目前系统已在川东油 田使用 ， 效果 良好 ；中国石油大学对隔水管处理系统 中各设 备进行 了理论分析 ；青岛天时海洋石油装备公司生 产了隔水管吊机和动力猫道等单元设备。但是，目 前 国内仍没有生产厂家能够提供整套满足海洋生产 条件下的隔水管处理系统 ，单元设备的关键技术研 发与国外相 比严重滞后 ，限制了我国深海浮式工程 装备的技术发展。 图 1 N O V公 司的 隔水管处理 系统 F i g ． 1 T h e ris e r h a n d l i n g s y s t e m o f NOV 2 隔水管处理 系统技术分析 隔水管处理 系统依据 隔水管的存储方式分类 ， 钻井平台上隔水管单根的储存方式包括水平存放 、 垂直存放和混合存放 水平 垂直存放 ，具体视 平 台的储存面积 、对平台布局的影响 、隔水管作业 流程的总效率、检测及定位控制等 4个方面综合考 虑_ 2 J 。根据隔水管 的不 同存放 形式 ，隔水管处理 系统可分为卧式和立式 2大类 ，系统单元设备不 同，实现功能相 同。 2 ． 1 卧式隔水管处理系统 卧式隔水管处理系统的单元设备包括 1 套隔水 管吊机 ，1 套动力猫道和 1套井 口扶管装置。作业 流程为 隔水管吊机将存储区内水平状态的隔水管 单根 吊起 ，移运至动力猫道上 ，动力猫道将平放的 隔水管单根运送至钻 台区并进行一定角度 的举升， 钻井游吊系统将单根 吊起 ，由猫道扶正器及井 口扶 管装置扶正后通过隔水管卡盘下放 。 卧式隔水管 吊机是 实现隔水 管移运 的重要设 备 ，主要有折臂式抓管机 见图 2 和门式行走 吊 机 见图 3 2种形式。折臂式抓管机在隔水管堆 放储存区的一侧安装 ，为基座式安装 、油缸变幅 、 箱型梁折叠 吊臂式吊机 。折臂式抓管机主体结构包 括基座 、回转 台、前臂和后臂、伸缩油缸 、抓管机 构及 中心控制房等部件 。工作时，基座与回转台之 间通过轴承连接 ，回转 台带动吊臂及 中心控制房等 旋转定位 ，再通过折臂 的伸缩油缸调整吊臂工作半 径 ，抓取储存 区内任意位置的隔水管单根 ；抓管机 构采用夹持式卡爪形式 ，由2个卡爪 、多个液压马 达和液压缸及缓冲器等组成 ，每个卡爪由 2个或多 个伺服液压缸驱 动 ，根据不 同杆径调整抓夹位置 ， 2 0 1 4年第4 2卷第 1 1期 张茄新等海洋钻井隔水管处理系统技术现状与关键技术 2 ． 3 ． 1 存 储 方式 对平 台结 构 的影响 水平存放时 ，隔水管存储区在主甲板表面 ，不 会对平台结构造成破坏，其存放 区可与套管存放区 交替使用，利用率高；同时，水平存放的隔水管单 根两端内、外螺纹方便观察 ，便于维护检修。垂直 存放时 ，隔水管单根需要穿过主 甲板至二层 甲板 ， 平台整体结构需要增加支撑梁 ，对二层 甲板上 的装 备布局存在影响 ，且隔水管端部不可视 ，需要用专 用设备观察检修 ；但与水平存放相 比，存储区占用 主 甲板面积小 ，系统的结构紧凑 ，节省空间。 2 ． 3 ． 2 工作效率与安全性 水平存放时 ，隔水管单根在起 吊和移运过程 中 重心位置低 ，稳定性和安全性高；下放时需将隔水 管由水平状态转换为垂直状态 ，作业工序多 ，耗时 长 。垂直存 放 的隔水 管单根重 心位置较高 ，在起 吊、移运及存储过程 中稳定性差 ，因此立式处理系 统的单元设备要设置安全锁 紧或夹持扶管等功能， 以保证整体安全性和稳定性 ；但下放时节省了状态 转换时间 ，提高了总体作业效率。 2 ． 3 ． 3 隔水管移运吊机 综合对 比分析 ，移运 吊机分为基座式折臂吊机 和门式行走 吊机 。基座式折臂 吊机用于水平存放隔 水管的移运 ，其安装 占用 甲板面积小 ，结构紧凑 ， 质量轻 ；工作 时 吊机整体可 3 6 0 。 旋转 ，吊臂 工作 范围大，抓取灵 活，抓夹机构 可根据管径 自动调 节 ，适用管子类型广 ；不工作 时前臂与后臂折叠存 放 ，节省空 间。门式行走 吊机适用于水平 和垂直 2 种存放形式的隔水管移运， 结构复杂，质量大，安 装占用空间大，移运轨迹固定，其2支腿横跨隔水 管存储 区安装。隔水管的尺寸对该 吊机 的整体尺寸 影响较大。由于水平存放较垂直存 放 占用 空间大， 卧式隔水管门式 吊机 比立式隔水管门式 吊机 的结构 尺寸大 ；起吊时，卧式应用 2吊钩分别 固定隔水管 两端 ，立式吊运隔水管一端 ，因此卧式较立式移运 平稳 ，而立式隔水管吊机通常与台车或扶管装置配 合工作 ，以保证移运平稳。 2 ． 3 ． 4存 储指 梁 水平存储隔水管使用管架排放 ，并可与导管存 储交替使用 ，而垂直存放的隔水管使用了新型设备 指梁。指梁 的使用实现了对每一根隔水管单根 的锁定和控制 ，自动化程度高 ，安全性好。 3 关键技术分析 由于隔水管处理系统的单元设备多、研发技术 难度较大 ，其先进技术和产品市场一直被西方发达 国家垄断。因此 ，开发具有我 国自主知识产权的隔 水管处理系统 ，使各单元满足结构稳定性好 、承载 能力强 、系统 自动化程度高等技术要求 ，需攻克以 下关键技术。 3 ． 1 隔水管移运载荷分析 隔水管移运 吊机应用于多种类 型的平台作业 ， 载荷分析时既要考虑工作载荷和环境载荷 ，又要考 虑平台的摇摆 、倾斜 、震荡等运动所引起的动态载 荷和冲击载荷。吊机的整体结 构既要保证 承载能 力 ，又应有效地控制结构 自重 ，其关键承载构件可 以采用高强度材料 ，表面防腐处理应满足海洋使用 环境的要求 。 3 ． 2 控制系统设计 隔水管处理作业 由一系列顺序动作有机配合完 成 ，各单元 的动作控制衔接要 求精 确、到位 、连 贯 。因此 ，控制系统设计应具有高的反应灵敏性和 响应速度 ，在系统硬件选型和软件控制方面，优化 控制信号的逻辑运算和传递速度 ，合理布置液压及 控制油路，确保执行部件的传递响应。 3 ． 3 系统 安全性 设计 隔水管处理系统在工作中可能面临船体或平台 运动的情况 ，因此在起 吊和移运隔水管单根的过程 中应对各个设备设置锁紧、防坠和夹持等多重安全 防护功能 ，整个系统应设置过载保护和紧急停止功 能，并实时监测、显示设备 载荷及运行情况 ；在电 控系统中设置报警功能，使操作人员能够对设备运 行 隋况及时观察和反馈。同时 ，在系统 电路设计中 应充分利用基础元器件 ，做好冗余布置 ，以保证系 统的安全性和完备性 。 4 结论和建议 1 隔水管 处理系统是应用 于海洋钻采 浮式 平台上的一种关键设备 ，随着我国油气开发投入的 加大 ，浮式平台必然有较大的市场需求 ，为了尽早 摆脱国外技术垄断 ，应加快国产化研发速度 。 2 建议首 先从 立式 隔水 管处 理 系统着 手， 研究试制其重要 的单元设备 ，如隔水管 吊机 、隔水 管滑道等 ，逐渐形成系统开发，并最终达到开发成 套设备 的目的。 3 分析对 比 2类 隔水管处 理 系统 的特点 ， 卧式系统 的单元设 备较少 ，对 平 台整体结构 影响 小 ，适用于水深较浅的平台作业 ，或应用于旧平 台 下转 第 1 2 8页