海洋钻井平台立根自动连接系统的设计与优化.docx

石油机械

2011年第39卷第2期

2011年第39卷第2期

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2牛文杰3史继东?闫成新3贺庆强3余焱群3

(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。

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1-2是20世纪80年代发展成熟起来的一项新技术，进入20世纪90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[3-4]。据统计，海洋平台连接单根时间占钻井全部时间的12%～20%。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[5。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工作势在必行。

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由钻杆拨叉、输送机、拆装机械手和举升臂等机构组成。钻杆拨叉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，由井架上的提升系统提升立根至钻台[6-7]。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。国内，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，由排放架和拨叉机构组成，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”(2009GG1005003)。

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送机上滑动，实现钻杆的输送。立根连接机构由支撑架、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—液压大钳；2—滑轮；3—上部支撑架；4—导轨；5—上下支撑架连接机构；6—上部夹具手；7—下部夹具手；8—下部支撑架；9—钻杆；10—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—导向轮；2—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，使钻杆的接箍头落入输送机上的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