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2 0 1 1 年第 3 9卷第 2期 石 油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHI NERY ． ． 设计计算 海洋钻 井平台立根 自动连接 系统 的设计与优化 尹晓丽 张 中慧 牛 文杰 史继东 闫成新 贺庆强。 余焱群 1 ．中国石油大学胜利 学院2 ．胜利油 田分公 司采 油工艺研 究院 3 ．中国石油 大学 华 东4 ．建湖县鸿达 阀门管件 有限公 司 摘要 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 A N S Y S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。 关键词 钻井平台 钻杆传送 立根连接 有限元分析 结构优化 顶部驱动钻井 是 2 0世纪 8 0年代发展成熟 起来的一项新技术 ，进入 2 0世纪 9 0年代 ，顶部驱 动钻井技术已取代传统的转盘及方钻杆钻井技术 ， 成为主要的钻井方法 。顶部驱动钻井 系统以立根为 单元进行钻进 ，在钻井开始之前 ，必须先将立根接 好，然后才能利用顶驱进行钻进 ，立根的连接和顶 驱钻井不能同步进行 ，这极大地延长了钻井周期 ， 降低了钻井效率 J 。据统计 ，海洋平台连接单根 时间 占钻井全部时 间的 1 2 ％ ～2 0 ％。因此 ，安全 快速 、稳定高效 、作业连贯的立根连接系统是保证 钻井平台整体安全稳定的前提条件 ，同时也是提高 海上钻井作业 效率 、降低成本 的重要措施 J 。随 着顶部驱动钻井系统在海洋钻井平 台和陆地钻机上 的普及 ，稳定高效的立根 自动连接系统的研究丁作 势 在必行 。 1 国 内外发展现状 目前 ，在全球石油钻井机械的制造商中，只有 为数不多的几家公司开展了立根 自动连接系统 的研 究 ，以下简单论述一下国外立根 自动连接系统 的设 计思路 。 国外的立根连接系统南钻杆拨又 、输送机 、拆 装机械手和举升臂等机构组成。钻杆拨又负责将钻 杆从排放架上传送到输 送机上 ；输送 机 由液压 马 达 、输送块和导轨组成，负责钻杆的输送 ；拆装机 械手安装在输送机 的中部 ，负责连接和拆卸钻杆 ； 举升臂安装在输送机的前部 ，液压缸举升臂绕支点 旋转来举升立根 ，当举升到指定高度时 ，南井架上 的提 升 系统提 升立 根 至钻 台E 6 。 。这种类 型 的 立根 自动连接系统存在的问题主要体现在 ①钻杆连接 成为立根在平台甲板上进行 ，占据较大的钻井平 台 空间；②将 3倍于钻杆长度的立根提升到钻台 ，对 海洋平 台的井架高度提高了要求 ；③该系统对结构 件受力状态 和控 制精度都有严格 要求 ，实现难度 大。同内，关于立根的自动连接技术正处于研究阶 段 ，尚没有查阅到相关技术和产品的完整报道。 2 立根 自动连 接 系统 2 ． 1 结 构 在国外立根 自动连接系统研究的基础上 ，开发 了一套适用于海洋钻井平 台的立根 自动连接系统。 系统结构如图 1 所示。 该立根 自动连接系统主要由 3部分组成 ，即钻 杆排放架 、钻杆输送机构和立根连接机构。钻杆排 放架位于钻杆输送系统的一侧 ，由排放架和拨又机 构组成 ，用于钻杆 的排放 见 图 2 。钻杆 自动输 送机构由输送 机 、导轨和 2个护丝机构 见 图 3 组成 ，护 丝机 构安 装在输 送 机上 ，并 沿着导 轨在 输 基金项 目山东省科技攻关项 目 “ 海洋石油钻机 自动排放 装置 ” 2 0 0 9 GG 1 0 0 5 0 0 3 。 一 2 8一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 送机上滑动 ，实现钻杆的输送 。立根连接机构南支 撑架 、导轨、夹具手 2个 、滑轮 见图 4 、液 压大钳和液压绞车组成。液压绞车钢丝绳穿过滑轮 提升夹具手 见图5 沿着导轨在支撑架 内上、下 运动，以实现钻杆的提升和下放。该机构既可以把 单根连接为立根 ，也可 以把立根拆卸成单根并排放 到钻杆排放架上，是立根 自动连接系统的核心部分。 图 1 立根 自动 连 接 系统 简 图 1 一 液压大钳 ；2 一滑轮 ；3 一 上部 支撑架 ；4 一导轨 ；5 一上 下支 撑 架 连 接 机 构 ； 6 一 上 部 夹 具手 ； 7 一 下 部 夹 具 手 ； 8 一 下 部 支 撑 架 ； 9 一 钻 杆 ； 1 0一 钻 杆 自动 输 送 机 构 。 图2钻杆排放 架和钻杆 自动输送机构 图 3护 丝 总 成 1 一导向轮 ；2 一驱动 电动机 ；3 -- 护丝机构 。 2 ． 2工作原 理 首先钻杆排放架上的拨叉将钻杆由排放架送到 钻杆 自动输送机构上 ，使钻杆的接箍头落人输送机 上的2个护丝机构 内，护丝机构沿着导轨滑动将钻 杆输送到支撑架的下方 ；支撑架 内的下部夹具手下 降夹住第 1根钻杆并提升 ，同时后端护丝机构继续 向前配合夹具手输送 钻杆，直到钻杆处 于垂 直状 态 ；上部夹具手下降，抓取下部夹具手提升上来的 钻杆继续提升 ，此时护丝机构回位，输送第 2根钻 杆 ；当第 2根钻杆输送到支撑架下方时，下部夹具 手下降提升第 2根钻杆 ，提升至垂直位置后 ，下部 夹具手调整第 2根钻杆，使其内螺纹和第 1 根钻杆 的外螺纹扣合 ，同时保证其下端落进支撑架下方的 钻杆洞内，实现 2根钻杆的接箍扣部分正好位于钻 台上的液压大钳钳 口内部，然后液压大钳前移上 扣 ，至此完成双根的连接任务 。依此类似连接第 3 根钻杆，这样便完成了立根的连接。立根的拆卸过 程与此相反。立根的连接和拆卸流程如图 6所示。 二 _ ～ 羁 | l L一 图 4滑轮 结 构 图 1 、4 一 支架 ；2 一滑轮 ；3 一滑轮轴 ；5 一滑轮轴承 端盖 ； 6一 螺 栓 ； 7一 螺 母 ； 8一 垫 片 ； 9一 圆 柱螺 钉 ； l 0 一 弹簧垫片 ； 1 1 一 圆锥滚 子轴承 ； 1 2 一 油 杯 ； 1 3 一 天车轮轴套 ； 1 4 一 毡罔油封 ； 1 5 一隔环 。 图 5 夹具 手 结 构 图 1 液压缸 ；2 一活塞 ；3 一 支座 ；4 一螺栓 ； 5一销轴 ； 6 一 连杆 ； 7 一夹具手爪 ； 8 一滚柱。 图 6立 根 连接 和拆 卸 流 程 图 2 ． 3主要技术参数 输送机结构尺寸 1 8 m 0 ． 6 5 m x 0 ． 7 m； 支撑架尺寸 1 ． 5 m 0 ． 7 m 4 0 m； 夹具 手运行 速度 0 ． 6 m ／ s ； 最大提升行程 3 5 m。 一 3 0一 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 2期 I J ⋯ ⋯⋯ 阴 S J l p ’ 心 R E Q c 2 ． m 77 5 7 78稠 a ． 第 1 阶振 型 图 9 前 4阶振 型 根据以上支撑架模态分析的结果 ，支撑架第 1 阶固有频率在 y平面内摆动，第 2 、3、4阶同有 频率绕 z轴摆动 。通 过以上支撑架 的振动特性得 知 ，在低阶频率时支撑架上端相对于下端刚度较弱 ， 最大变形位移为 3 3 ． 7 8 m m，整体变形较小，支撑架 的刚度储备能量较大 ，满足安全使用的需求。 4 结 论 1 立根 自动连接系统实现 了立根连接和顶 驱钻进的同步进行 ，极大地缩短了钻井周期，提高 了钻井效率 ，降低了钻井工人的劳动强度 。 2 系统结构 紧凑 ，占据 甲板空间较 小，对 井架 的人 口高度也没有严格的要求 ，可以在大多数 的钻井平台安装使用 。 3 对系统结构进行有 限元分析 的结果表明， 系统结构可靠 ，稳定性好 ，满 足系统 长期 运行 的 需要 参考文献 [ 1 ]T y s o n R W H ． Wh y u s e a t o p d r i v e o n a l a n d ，o r w h e n 型 型 [ C] ． V a r c o I n t 1 ． S P E ／ I A D C D r i l l i n g C o n f e r e n c e ， 1 99 552 95 4 4． [ 2 ] B o y a d j i e ff G I ． A n o v e r v i e w o f t o p d ri v e d r i l l i n g s y s t e m a p p l i c a t i o n s a n d e x p e r i e n c e s[ C]． I A D C ／ S P E 1 4 7 1 6 ， 1 9 9643 54 42． [ 3 ] 沈 昭 ．国 产 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 的研 制 与 发 展 [ J ]． 石油机械 ，2 0 0 1 ，2 9 增刊 1 9 29 4 ． [ 4 ] 张连山．美国V a r e o公司新系列顶驱技术分析[ J ]． 石油机械 ，2 0 0 0，2 8 1 4 5 4 8 ． [ 5 ] 夏宏南 ，李 白俊 ．顶 部 驱 动钻 井 系统 及 其新 发 展 [ J ]．石油钻探技术，1 9 9 4 ，2 2 2 4 85 1 ． [ 6 ]D a v i d H ． T h e m e c h a n i z a t i o n o f t h e t u b u l a r r u n n i n g a n d h a n d l i n g p r o c e s s[ R]． I A D C ／ S P E 3 6 3 9 3 ，2 0 0 5 9 ． [ 7 ] M e r r i t t G H ． S y s t e m s a p p r o a c h t o p i p e h a n d l i n g c e m e n t i n g a n d mu d m i x i n g[ R]． S P E 1 7 2 9 ，1 9 6 7 ． 第一作者简介 尹晓丽 ，女 ，生 于 1 9 8 5年 ，中国石油 大学 华东 在读硕 十研究 生 ，现从事海 洋钻井设 备和石 油机械领域的设计T作。地址 2 5 7 0 6 1 山东省东营市 。电 话 0 5 4 6 8 3 9 1 2 7 1 。E ma i l y i n x 1 ． h a p p y 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 9 本文编辑刘峰 下期部分 文章预告 牛头刨式平面六杆机构抽油机运动特性分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 屈文涛 陈瑛秦彦斌等 井下连续管轴 向力及其影响因素分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王安义 梁政刘云见等 新型投捞流量一体化投捞器的开发与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 胡江明 王楠胥伯华 双流压分采工艺管柱 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 姚宝春 深层特稠油油藏吞吐后期提高单井产量技术研究 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张子策 新型双台肩钻杆接头研究与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 任辉 高连新鲁喜宁 钻柱的粘滑振动规律分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 牟海维王瑛韩春杰 反循环双级冲砂接头 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 管恩东 井 眼轨迹控制工具发展现状及趋势 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 冯 定袁咏心 李汉兴等 油气管道内检测技术的发展 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 周 燕董怀荣周志刚等 佃洲州 嗣挹 ⋯ 第 ● 6 川 “ d H ㈨ 州 心 Ⅲ 第 型 嘛 世 越 船州 ⋯ ， 第 Ⅲ 量 暑 m 是 Ⅲ
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