石油钻机用防喷器装卸系统研制及应用.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 2 期 第 6 4页 石油 矿 oI L F I ELD 场机 械 E QUI P MENT 2 0 1 0， 3 9 1 2 6 4 ～6 7 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 O 1 2 - 0 0 6 4 0 4 石油钻机用 防喷器装卸系统研 制及应用 马永刚 ， 丁 晓鹏 ， 李 国宏 ， 陈 国党孙， 胡 军。 1 ． 甘肃蓝科石化高新装 备股 份有 限公 司， 兰州 7 3 0 0 7 0 ； 2 ． 塔里木油田 a ． 第 三勘探公 司； b ． 第一勘探公司 ， 新疆 库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 针 对现代新 型电驱动钻机的设 计理 念及现 场要 求 ， 研制 出 了全 液压控 制 、 1人 单 工位操 作就 可 完成钻机 防喷 器组 吊装对 中工作 的防喷 器装卸 系统 。介 绍 了该 系统 的结 构 、 技 术 原理 、 实施 方案 ， 并 着重从液压控制上对系统进行 了详细的分析。现场试验及使用情况表明 该 系统完全适应 当前电驱 动钻机 的要 求 ， 利用该 系统安装和拆 卸防喷器组 ， 省 时、 省 力、 安 全、 高效 ， 具有较好 的推 广应用前景 。 关键 词 钻机 ； 钻 机 配套 ； 防喷 器组 ； 装 卸 系统 ； 安装 中图分类 号 T E 9 2 1 ． 5 文献标 识码 A De v e l o p m e nt a nd Ap p l i c a t i o n o f BOP As s e mb l y a n d Di s a s s e mb l y S y s t e m i n Dr i l l i n g Ri g M A Yo n g g a n g ， DI NG Xi a o p e n g ， LI Gu o h o n g ； CHE N Gu o d o n g ， HU J u n 。 1 ． L a n p e c Te c h n o l o g i e s Li mi t e d， La n z h o u 7 3 0 0 7 0 ， C h i n a； 2 ． a ． N o ． 3 Dr i l l i n g Co mp a n y； b ． No ． 1 Dr i l l i n g Co mp a n y， T a r i m Oi l f i e l d， Ko r l a 8 4 1 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Ai m i n g a t t h e d e s i g n i d e a a nd on s i t e r e q u i r e me n t o f ne w e l e c t r i c i t y d r i l l i ng r i g， a s e t of f u l l hy dr a c o nt r o l l e d a s s e mb l y a nd d i s a s s e mbl y s y s t e m ， whi c h o pe r a t e d by on l y o n e pe r s o n i n s i n gl e po s i t i o n， wa s d e ve l op e d t o c o mpl e t e i ns t a l l i n g a nd a l i gn i ng p r oc e s s o f BOP s e t ． I t s s t r uc t ur e， t e c h n i c a l p r i n c i p l e ， o p e r a t i o n a l s c h e me a r e i n t r o d u c e d， a n d h y d r a u l i c c o n t r o l p a r t i s d e t a i l e d i n t h e s y s t e m ； t he s ys t e m ha s m e t t h e r e q ui r e me nt of c u r r e nt e l e c t r i c i t y d r i l l i n g r i g c o mpl e t e l y a c c o r d i n g t o o n s i t e t e s t a n d f i e l d op e r a t i o n s i t ua t i o n。 whi c h ha s t he a dv a n t a g e i n s a v i ng t i me， s a vi ng l a b o r， s a f e t y， h i gh pe r f o r ma nc e i n a s s e m b l y a nd d i s a s s e mbl y p r o c e s s ．Co ns e q u e nt l y， i t h a s wi d e a p pl i c a t i on i n oi l f i e l d s ． Ke y wo r d s d r i l l i n g r i g； r i g s y s t e m ； BOP s e t ； a s s e mb l y a nd di s a s s e m b l y s y s t e m ； i ns t a l l i n g 新型 电驱动 钻机 在 钻 井 生产 活 动 中 ， 不 仅要 通 过先 进 的钻 井技术 及优 良的钻机 配套设 备来 提高 生 产效率、 降低成本 ， 钻机搬迁安装的速度也是重要手 段之一。随着石油钻井技术的不断发展 ， 油井不断 加深 ， 井下 油气 压力越 来越 高 ， 对 钻井井 口防喷器 组 的安全要求也 日趋增高， 使得 防喷 器组的结构更复 杂 ， 质量更大_ 1 ] ， 对安装 防喷器组 的专用配套设 备 也提 出 了更 高 的要求 。过 去现场 多采用 手拉 葫芦 或 用 钻井 大钩 放至 钻 台下 提 起 防 喷器 组 的安装 方 式 ， 既费 时又费 力 ， 且 不 安 全 。 防喷 器 组 的安 装 已经成 为钻井 中必 须 的工作 ， 对 于高 度 6 ～9 m、 总 质量 4 O ～5 5 t 的防喷器组 ， 要求安装精度在毫米范围内， 各油 田无疑均要求有一套能安全 、 快速 、 准确装卸防 喷器组的防喷器装卸 系统 。国外虽 已有相应 的产 品 ， 但 由于 井架底 座结 构 的不 同 ， 不能 直接采 用 。 由 此 ， 研 发 了一套全 液 压仅 1人 单 工 位 液 压控 制 箱 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 0 基金项 目 中国机械工业集 团公司科技发展基金资助项 目 S I NO MAC H0 6 科 0 0 8号 作者简介 马永 刚 1 9 7 5 一 ， 男 ， 陕西咸 阳人 ， 高级工程师 ， 主要从事石油钻井设备的设 计与开发 工作 。 第 3 9卷 第 9期 马永 刚 ， 等 石油钻机用防喷器装卸 系统 研制及应用 就 可 完 成 操 作 的 防 喷 器 装 卸 系 统 专 利 号 2 0 1 0 2 0 2 6 6 9 4 7 ． 4 ， 可 以大 大 降低装 卸井 口防喷 器组 的劳 动 强度 ， 保证 安装 质量 ， 确 保安 全 生产 。 1 国内外技 术现状 国外 对钻 井 防喷器 装 卸 系统 的研究 制造 起 步约 在 2 O世纪 6 0年代 ， 至今已开发 了多种系列 。例如 ， J ．D．NEUHAUS L ．P 公 司 和I NGE R S OL L R AND公 司[ 6 ] 的 产 品 提 升 能 力 为 1 0 0 ～ 1 0 0 0 k N， 动力有 气 动和 液压 2种 驱 动 形 式 ， 提 升 部 件 用 钢 丝 绳或 高强 度链 条 。 国外 几 家公 司 的此类 产 品是机 械 行业的通用起重设备 ， 同时也 能够适应海洋石油平 台等环境恶劣的石油钻井现场工作 ， 但 由于价格 昂 贵， 国内陆地钻机很少使用 。 国 内过去 的在用钻机底 座设计得 较低 ， 无 法 配装 较 高尺寸 的防喷器组 ， 钻 井现场通 常采 用下 挖井 口来 弥补底座高度 的不足 ， 防 喷器 组 安装 采 用 手拉 葫 芦 ， 劳动强度大， 安全性差。2 0 0 0年前后， 开始考虑为电 驱动钻 机配套 防喷器移运装 置 、 钻 台下小 车移运 装置 或 电动 葫芦 吊升 移运装置 ， 但 这些产 品满 足不 了新 型 钻机的配套要求和 HS E要求 。2 0 0 3 年 ， 笔者开始 研究设计 液压 防 喷器 装 卸 系 统 ， 并 于 2 0 0 5年 获 得 中 国机械工业集团公司基金项 目资助。自 2 0 0 6年第 1 台样机在 辽河油 田长北 项 目 Z J 7 0 D钻 机 上试 验 成功 以来 ， 截 至 2 0 0 9 1 2 ， 已有 2 2台配 套 在新 型 电驱 动 钻 机上 。 目前 ， 国 内 对 钻 井 防 喷 器 装 卸 系 统 的 研 究 制 造已普遍受到关 注 ， 这类 产品将 向提升能 力更强 、 自动 化 程 度 更 高 和 更 好 地 满 足 HS E要 求 方 向 发 展 [ 。 2 结构原理及技术 参数 钻 机用 防喷器 装卸 系统 结构 原理 及技 术方 案如 图 1 。 司钻侧起吊装置 副司钻侧起吊装置 1 一装 卸系统轨道 ； 2 一移动小车 ； 3 一液压起 升装置 ； 4 一推进液压缸 ； 5 一支座 ； 6 一 吊耳 ； 7 ～ 滑轮 ； 8 起升钢丝绳 ； 9 连接板 ； l O 一 滑轮挡板 ； 1 l 一 动滑轮组 ； 1 2 一 液压 马达 ； 1 3 一 主动滚轮 ； 1 4 一从动滚 轮 ； 1 5 一液压管线 ； 1 6 一液压控制台 图 1 防喷器装 卸系统 2 ． 1 结 构 将 防 喷器 组 的安 装 分解 为 2个 主 要 动作 ①将 防喷器 组提 升 以及 下 放 ； ② 将 防喷 器 组 提 起 后 移送 并 放置 到井 口。 防喷器 组提 升及 下 放是 通过 滑轮 和钢 丝绳 将液 压缸活塞杆水平移动改变为垂直移动 ， 即为升降作 业 。为了使钢丝绳两端提 吊力平衡 ， 在 2个动滑轮 之 间 的一根 钢丝 绳 中部要 绕过 一个 固定 在 吊装 装置 骨架 上 的平衡 滑 轮 。 防喷器组 提起 后 移送 采用 液 压马 达经 减速 后驱 动 滚轮 在轨 道上 水 平移 动 ， 通过 滚轮 架 、 支 架体 和 吊 装 装置 骨架 来 实现所 起 吊设 备 的水平 移动 。 2 ． 2主要 设计 参数 额 定提 升载 荷 6 0 0 k N 提 升高 度 3 ． 2 m 提 升速 度 额定 载荷 时 0 ． 8 m／ rai n 下 放速 度 1 ． 6 m／ rai n 水平 行走 速 度 1 1 m／ rai n 液压 系 统额 定工 作压 力 2 1 MP a 液压系统额定工作流量 1 2 0 L ／ rai n 石 油矿 场 机械 2 0 1 0年 9月 2 ． 3 液压 系统 技术 方案。 。 。 设计 了 2套 液 压 系统 控 制 流程 ， 其液 压 原 理如 图 2 ～3 所示， 2套系统均能完成预定的操作 。 图 2 第 1 套液压系统控制原理 图 3 第 2套液压系统控制原 理 为 比较 2套 系统 的优 缺点 ， 用 2套 方 案 各制 做 了 1台样机 ， 在厂 内进行 对 比试验 。试验 结果 表 明 ， 2套系统在理论上均有可取之处 ， 功能上都达到了 设计 目标 。 2 ． 3 ． 1 第 1套液压系统 用多路换向阀作为主动作阀， 简单易于安装 ， 现 有 的工程 机械 大多采 用这种 结构 的多路 阀。但多路 换 向 阀会 随着 阀芯磨 损或油 的污 染使 液压油 的泄漏 增加、 保压性能将降低 ， 而且现有的多路阀均 由单手 柄 、 单阀杆 的三位六通阀组合而成， 以实现对双回路 或 多 回路 的控 制 。存 在 的问题 主要是 在性 能方 面不 能实现双 回路或多 回路之间的复合动作 ， 这在工程 机械的使用中将严重影响机械的作业效率 ， 并加大 操 作者 的劳动 强 度 。在 制造 成 本 方 面 ， 由于采 用 的 是单阀杆结构 ， 阀体和阀杆结构复杂 ， 设计、 制造要 求精度高， 生产成本也较高。 2 ． 3 ． 2 第 2套液压 系统 控 制阀件 均采 用工程 阀 ， 工 程 阀以其外 形美 观 、 安装 尺寸小 、 动作灵 活及 设 计 集 成 阀板 时安装 方 便 等优点 ， 在 当前 液压 系 统 设计 中常 被 优 先选 用 。该 液压系统采用的几个 工程控 制阀件 的作用及特点 如下 a 平衡阀在本系统设计中作为液压缸液压锁 是必 不可少 的 ， 平 衡 阀在 液 压 系 统 中 的 主要 作用 就 是 防止负载 过大 引起液 压缸 和马 达 的“ 失 控” 或管线 破裂 。 b 分流集流阀的作用是使液压系统由 1 个出 口向 2个执行元件供应相同的流量 等量分流 ， 以 实现 2个执 行元 件 的速 度 保 持 同步 或 定 比关 系 ； 集 流阀的作用则是从 2 个执行元件收集等流量或按比 例 的 回油 量 ， 以实 现 其 间 的 速 度 同 步 或 定 比关 系 。 分流 集流 阀则兼 有 分 流 阀和 集 流 阀 的功 能 ， 所 以 在 2个完全独立的起吊装置间安装分流集流阀是非常 有必 要 的 ， 它是 2个 完 全 独立 的起 吊装 置在 前 行 或 后退时保证 同步的有力保障口 。 c 双 向节 流 阀采 用 滑 阀式 结 构 ， 流 量 调 整 为 手调 式 ， 结 构简 单 ， 工作 可 靠 ， 同时 由于 在 阀芯 两 端 用液压平衡原理， 因此调节力矩小 ， 操作轻便 ， 在液 压系统中对油路进行调整节流 ， 以改变执行元件的 工作速度 。液压流程 中设计安装此阀的效果是明显 的， 它使得在系统工作中液压缸 、 液压马达 的动作速 度 可 以调节 到相对 合理 的位置 上l_ 】 。 3 关键技术 a 液压缸活塞杆的水平运动要转变为装卸系 统的升降运动。 b 每套装置能独立完成行走和升降工作。 c 移 动小 车 及 减速 机 构 结 构 紧 凑 ， 且 工作 要 平稳 ， 噪声小 ； 液 压缸骨 架采 用整 体焊接 后加 工 的工 艺， 液压缸活塞杆前端为整体轴结构。 d 有 2 个起升液压缸 同时工作 ， 因此就要求 2液压缸 以及 2套 动滑 轮 、 平 衡 轮 、 静 滑 轮 和钢 丝 绳 的动作同步， 以便装卸工作平稳。 e 移动 小 车具 有 较 大 的牵 引 力 ， 配 备 了多个 液压马达 ， 因此要求多个液压马达及其滚轮动作同 步 ， 使装卸系统的水平移动平稳。 f 为实现防喷器组的升降作业和水平移动作 业功 能 ， 液压控 制系 统设 计 中必 须 将 2个 完全 独 立 的吊装装 置有机 地结 合起 来 。 第 3 9卷第 9期 马永 刚 ， 等 石油钻机用防喷器装卸 系统研 制及应用 4 技术难点 2个装 置 的结 构 是 完 全 独 立 的 ， 其 同 步 主 要 靠 液压流程来解决 ， 根据前几台装置的试验和现场使 用情 况 来 看 ， 2个 液 压 缸 的 同 步不 是 本 装 置 的主 要 技术问题 ， 因为 2个装置靠液 压缸起升重物时其载 荷是基本平衡的， 在起升过程中 自找平衡 ， 即使从液 压 回路 上 不考 虑 2个 液 压 缸 的 同步 动 作 ， 也 不 会 影 响整个 设备 的使 用 ， 在最 终 确 定 这 部 分 的液 压 回路 时去掉 了 2个液 压 缸 的同步 阀 。但在 系统 中液压 马 达 的 同步将 至关 重要 ， 2个 装 置 在轨 道 上 行 走 时 ， 是 靠马达提供的旋转动力， 每个装置上分布着 4只主 动 滚轮 和 4只从 动 滚 轮 ， 在 行 走 过 程 中不 能保 证 每 个 主动 滚 轮 上 的载 荷 相 同 ， 而 且 每 个 装 置 上 分 布 2 个 马达 ， 结构 相互 独 立 ， 油路 并 联 连 接 ， 载荷 自找 平 衡 。但相 互独 立 的 2 个 装 置上 的 马达就 必须 做 到 同 步动 作 ， 否 则 将 会 出 现 1个 装 置 行 走 ， 1个 装 置 不 动 ， 载荷轻的走 ， 载荷重 的不走 ， 控制起来非常麻烦 ， 只能单个控制 ， 很难实现同时动作 ， 这是液压流程设 计 的重点 。从 现 场 使 用 情 况 来 看 ， 2套 系 统 都 达 到 了预 期 的功能 要求 ， 考 虑 到 生产 加 工 以及 维 修 方 便 的问题 ， 本防喷器装卸 系统采用第 2套液压原理图 作为产 品的液压控制图。 5 试 验及 应用 由于 防喷器 装卸 系统 是针 对 石油 钻机 使用 过程 中吊装 防喷器 组 而 专 门 配 备 的 ， 在 厂 内 进 行设 备 试 验 时有相 当的难 度无 法 达 到 现场 使 用 状 态 ， 也 很 难 找到 如此 大 吨位 的重物 进 行起 吊试 验 。故 在 厂 内进 行 了流程 试验 、 无 载荷 试验 和拉 力 静载荷 试 验后 ， 在 现场 进行 了工 业试 验 。 2 0 0 6 0 3 ， 在 陕 西 榆 林 进 行 了 设 备 的 工 业 性 试 验 ， 配 套 在 辽 河 石 油勘 探 局 Z J 7 0 D 型 钻 机 上 ， 进 行 了空 载荷 的 所 有 动 作 试 验 ， 结 果 起 升 平 稳 ， 行 走 灵 活 ； 在 安 装 防 喷 器 时 进 行 了 双 闸 板 防 喷 器 质 量 1 3 ． 8 t 、 单闸板 防喷器 质量6 ． 7 t 、 环形防喷器 质 量7 ． 2 t 及整体组合后 约质量3 6 t 的起 吊安装 ， 整 个 过程 完全 符合 现 场 的 安 装 要求 ， 也 证 明 了设 备 完 全能符合 Z J 7 o D型钻机现场的使用。 由于 现场 的使 用 没有 考核 到 设 备 最 大 载荷 2 3 0 0 k N， 所 以 2 0 0 6 - 0 9又委托兰州兰石起重设备检 测 站为该 防 喷器装 卸 系统 做 了整体 性 能考 核试 验 ， 2 个起 吊装 置分 别做 了 5 0 、 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 、 2 5 0 、 3 0 0 k N 的起 吊试 验及 载 荷 下 的行 走 试 验 。试 验 结 果 表 明 该样 机运 转 平 稳 ， 工 作 性 能 良好 ， 控 制 系 统 操 作 灵 活、 可靠 ， 各项数据检测结果均达到设计要求 。 截至 2 0 0 9 1 2 ， 生 产 的 防 喷器 装 卸 系 统 已有 2 2 套服务于钻机生产现场 ， 使用状态 良好 ， 得到了现场 用 户 的一 致好评 。 6 结 论 1 该系统完全满足现代新型电驱动钻机 的配 套使用要求 ， 具有 优 良的特性 ， 安装 维护简便 ， 操作 简单 ， 安全可靠。 2 该系统的研制成功 ， 为油 田提供了安全 、 可 靠 的石 油钻井 防喷器 安装 、 拆 卸 的理想 产 品 ， 大 大降 低 了工人 的劳动 强度 ， 具有 良好 的社 会 效益 。 参考文献 [ 1 ] 王子磊 ， 綦耀升 ， 宋忠坤 ， 等 ． 修井用双 闸板 防喷器的选 型设计 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 5 8 - 6 1 ． E 2 ] 王媛媛 ， 李俊 ， 赵志斌 ， 等． 手动 电缆剪切双 闸板防喷 器 的设计开发 E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 9 8 6 8 8 ． [ 3 ] 陈丽霞 ， 刘 清友 ， 单代 伟 ， 等． 防喷器控制系统故 障树 的 建立与 定 性 分 析 I- j ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 0 6 4 - 6 7． [ 4 ]肖力彤 ， 宋振华 ， 郑泳 ， 等． C a me r o n结 构的防喷器 壳 体 有限元分析[ J ] ． 石油矿 场机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 3 8 4 0 ． [ 5 ] J D N E UHA U S ． P公 司． h t t p ／ ／ w w w ． j d n e u h a u s ． c o ． u k ／ p r o d u c t s ／ in d e x _ h o i s t s ． h t r r L 2 0 0 7 0 5 1 8 [ 2 o o 8 0 3 1 0 ] ． [ 6 ] I N GE RS O L L R AN D 公 司． h t t p ／ ／ w ww ． i r t o o l s ． c o m／ l i f t i n g ／ i n d e x ． a s p x ． 2 0 0 6 1 0 1 2 [ 2 o o 8 0 3 1 O ] ． [ 7 ] 王延文 ， 王 鑫 ， 王 军山． 石油钻 井 防喷器拆 装装 置 的 研制与应用 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 6 ， 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