CN114251062A - 一种新型钻机自动化排管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型钻机自动化排管系统，可应用于海洋钻井平台或陆地钻机。本系统包括自动抓管机、铁钻工、桥吊，鼠洞和自动排管控制系统，位于井架的外侧，地面或大平台以上。其功能是将单根水平钻杆连接成三根钻杆，并按顺序竖直置于井架立根盒内。所述自动抓管机由双侧立柱滑轨支撑架、滑车、上臂、下臂、旋转腕部、抓手组成；所述双侧立柱滑轨支撑架上端与井架二层台连接，下端与地面或大平台固定连接，抓手可伸到地面或大平台直接抓取管子，不需要猫道输送管子。所述桥吊与自动抓管机配合可独立完成排管工作，不影响起下钻，也不需要人工操作。所述系统大大的提高了钻井操作的安全性，提高了生产效率，同时降低了人力成本。

Description

一种新型钻机自动化排管系统

技术领域

本发明涉及用于海洋或陆地石油钻井或勘探作业的管子处理系统。

背景技术

排管作业就是将取水平放置的单根钻杆旋转成竖直状态，然后接成三根，并垂直排布在立根盒内以备下钻杆时取用，排管作业是钻修机作业的重要环节。传统钻机的排管都是人工作业，井架工需要站在高于钻台面二十几米的二层台上操作，危险系数极高，工作环境恶劣，近些年自动化管子处理系统有一定的研发和应用，但效率也有待提升，方案有进一步优化的空间。目前自动化管子处理系统应用较多的一种方案是猫道、二层台机械、钻台面机械手配合吊卡的模式，操作流程是先用自动猫道将钻杆送到吊卡下面，然后用吊卡提升钻杆，鼠洞配合铁钻工将钻杆从单根接成三根，再用钻台机械手排放钻杆下端就位，然后再用二层台机械手扶钻杆进指梁。相互配合的设备很多，步骤繁琐，效率低。

如中国专利申请号：CN201910220582.7，发明名称：全液压深井钻机。自动排管需要自动猫道，自动排管机，铁钻工，顶驱等配合完成。自动猫道机实现钻具从地面和钻台之间的输送，接卸立根操作需要顶驱配合，不能实现独立排管，系统复杂，作业效率低。

如中国专利申请号：CN201320540562.6，发明名称：一种新型自动抓管机械手。机械手安装在二层台下，因受限于指梁结构只能前后移动不能左右移动，需要折臂且臂够长才能覆盖所有矩形指梁中的立根，如果立根要扩大，机械手就需要重新设计；且没有升降功能没法把管子抬起来，要将钻杆排放入立根需要配合钻台机械手分两步操作，效率偏低。

本发明所述的自动排管系统，无需人工操作，不需要猫道，不需要顶驱配合，可实现独立的全自动离线接、拆三根作业，不影响起、下钻，所需设备减少，操作步骤简化，且可适用于不同大小尺寸的立根，即便立根盒尺寸变大，桥吊也不用修改设计。

发明内容

本发明的目的是实现钻杆抓取，旋转，接三根拆三根，钻杆排放进立根盒的同时，实现全自动操作，独立排管，不依赖吊卡和猫道，更高效安全的完成排管工作。

为实现上述功能，本发明提供了一套自动化排管系统，包括：用于钻杆抓取旋转的自动抓管机、配合上扣卸扣的铁钻工、用于排管的桥吊、鼠洞以及自动排管控制系统，所述系统置于井架外部前侧位置，所述自动抓管机置于地面或大平台以上向上延伸至与二层台结构连接，所述桥吊在二层台上方连接并固定在井架上，所述鼠洞固定在钻台的下放，鼠洞一侧设有临时存放位置用于存放拆接三根过程中的二节钻杆，所述铁钻工可在钻台上自主移动，游走于鼠洞井口之间用于钻杆上扣和卸扣。

所述自动抓管机完全置于井架外侧，由双侧立柱滑轨支撑架、滑车、上臂、下臂、旋转腕部、抓手组成；所述双侧立柱滑轨支撑架上端与井架二层台连接，下端与地面或大平台固定连接，抓手可伸到地面或大平台直接抓取管子，不需要猫道输送管子。

所述自动抓管机，在下臂和抓手之间采用了箱式转腕结构，该结构与下臂铰接，与抓手之间采用转轴连接，由液压缸驱动，使抓手将管子竖直姿态时实现转腕动作，将管子用鼠洞位置移动至临时存放位置。

所述自动抓管机，滑车沿双侧立柱滑轨支撑架上下滑动幅度下至地面或大平台上至二层台；上下摆臂幅度90度；左右转腕幅度可根据临时存放位置调整。

所述自动抓管机结构形式的有益效果是：自动抓管机的滑轨结构自地面延伸至二层台，使自动抓管机具有足够行程的上下升降功能，替代了吊卡抓管和升降的作用，所以所述系统不需要吊卡配合即可完成独立抓管排管作业，提升了作业效率；因所述自动抓管机可以降到钻台以下地面以上，且上下臂足够长可以够到地面上的水平单根钻杆，所以不需要坡道结构将钻杆送到钻台以上也不需要自动猫道机将钻杆轴向送到吊卡下方，取消了坡道和自动猫道设备，简化了钻机布置的同时也简化了排管操作流程，进一步提升了作业效率；因所述自动抓管机除具有纵向平面折臂功能外增加了水平平面腕部旋转功能，在拆接三根接三根过程中使其具备移动钻杆自鼠洞到临时存放位置的功能，不需要增加其他辅助设备，简化了钻台布置；

所述的桥吊安装在二层台指梁上方，固定在井架上，包括前后滑道梁，下挂在前后滑道梁的左右滑道梁，下挂在左右滑道梁的滑车，可360度旋转的回转结构，液压缸驱动的升降机构和爪子；

所述桥吊结构形式的有益效果是：因桥吊的支撑和滑道在指梁上方，不依赖也不受制于指梁结构，即可实现前后滑移也可实现左右滑移，不需要折臂结构，桥吊可适用于不同大小的立根盒。相对于安装在立根盒下放采用折臂形式的二层台排管机，不管立根盒多大，除滑道长度外桥吊结构尺寸不用改。因桥吊本身具有管子升降功能，故排管工作不需要借助钻台机械手即可独立完成，也不需要二层台机械手和钻台机械手的两步操作一步就能完成，相对于二层台折臂式机械手加钻台机械手的方案大大提高了作业效率。

所述系统自动抓管机和桥吊设备上安装有压力温度位置等的仪表检测装置，所取仪表信号和液压站输入输出信号经过数据采集器进入司钻控制系统，并由司钻控制椅集成显示和操作。

所述自动排管系统的集成控制系统的有益效果是：实现排管控制集成和远程操作，提升了系统的自动化智能化程度。

附图说明

图1是说明书摘要图，自动排管系统总方案

图2是自动抓管机

图3是桥吊

图4接三根作业排管操作步骤1

图5接三根作业排管操作步骤2

图6接三根作业排管操作步骤3

图7接三根作业排管操作步骤4

图8接三根作业排管操作步骤5

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1示出了本实施例的主要构成和具体方案；图2和图3是所述系统关键的新型设备自动抓管机和桥吊，除此外所述系统还包括的鼠洞和铁钻工属于钻机常规通用设备未做新型改造故不做详细赘述；图4至图8是本实施例接三根过程的操作步骤图。

如图1所示，所述自动排管系统包括自动抓管机、铁钻工、桥吊，鼠洞和自动排管控制系统，该系统可适用于不同的井架形式，包括K型，自举式等紧凑型的井架；自动抓管机位于钻台面井口中心平面上，主要功能为直接从地面抓取水平单根钻杆，并将其旋转为竖直状态后放入鼠洞，由铁钻工配合接完三根后递交给桥吊；桥吊位于二层台以上，固定在井架上，适用于前开口井架，主要功能是接三根完成后，自动抓管机将接好的钻杆交给桥吊，由桥吊将钻杆按照顺序放入立根盒指梁。

如图2所示，所述自动抓管机机械部分主要由双侧滑轨支撑结构、提升系统、折臂机构、腕部旋转机构和爪子构成，并实现了升降，上臂折叠，下臂折叠，腕部竖直旋转，腕部水平旋转，两爪间距调整，两爪同步开合七个动作。

1)所述自动抓管机双侧滑轨支撑结构，采用双桁架结构，也可采用双侧方管或工字钢结构与支架连接的形式。双侧滑轨支撑结构的高度从钻台面或地面延伸到二层台底部，两侧有两道垂直滑轨。提供设备的支撑和上下滑动的轨道。

2)所述自动抓管机提升系统，是抓管机上下滑动的驱动系统，包括起升绞车，导向轮，定滑轮和动滑轮。液压起升绞车安装在塔架底部，导向轮和定滑轮安装在塔架顶部，两个动滑轮安装滑车上，死绳点固定在塔架顶部。

3)所述钻杆折臂机构，实现钻杆的水平至垂直姿态在竖直平面内的旋转，主要由三个关节组成，即上臂、下臂、腕部，均由液压缸驱动。钻杆竖直平面内的旋转角度范围90度。

4)所述爪子腕部旋转机构，采用了箱式结构，与下臂铰接，与抓手之间采用转轴连接，由液压缸驱动，使抓手将管子竖直姿态时实现转腕动作。作用是将先接好的两根钻杆存放到临时存放位置，待第三根钻杆放入鼠洞后，再将临时存放位的管子置于鼠洞位置，最终实现三根钻杆的连接。即实现腕部水平平面内的旋转。

如图3所示，所述桥吊机械部分主要由滑道梁、滑车、回转机构、爪子构成，实现：前后平移，左右平移，回转，爪子升降，爪子开合5个动作；

1)所述滑道梁，由前后滑道梁和左右滑道梁组成。前后滑道梁与井架连接，由液压马达和减速机带动两侧的齿轮齿条实现前后移动。左右滑道梁上有滚轮架，下有滑道架，上下结构由螺栓连接。

2)所述滑车，为箱式结构，安装有水平滚轮侧向滚轮，由箱体内部的液压马达带动齿轮齿条实现滑车在左右滑道梁上左右移动；滑车下面是回转轴承，内部安装有回转驱动马达和减速机。

3)所述回转机构，上侧法兰盘与回转轴承螺栓连接，由液压马达和减速机带动其回转，机构也是箱型结构，侧面安装一个液压缸与爪子支撑结构连接，并实现爪子的上下升降。

4)所述爪子，头部有两组爪子，一组负责收拢对心管子，一组负责抱紧管子。

所述系统自动抓管机和桥吊均为液压驱动，液压站安装在钻台上，设备上安装有压力温度位置等的仪表检测装置，所取仪表信号和液压站输入输出信号经过数据采集器进入司钻控制系统，并由司钻控制椅集成显示和操作，实现排管控制集成和远程操作。人工操作或维修在安装于井架上的液压控制站上操作。

所述系统在接三根作业时的操作步骤如下：

(1)第一步，如图4所示，自动抓管机将从地面或大平台抓取第一根钻杆旋转至竖直置于鼠洞内；

(2)第二步，如图5所示，自动抓管机从地面或大平台抓取第二根钻杆，放置于鼠洞位置的第一根钻杆之上，用铁钻工配合上扣连接两根钻杆；

(3)第三步，如图6所示，将连接好的两根钻杆置于用自动抓管机放置于侧面的临时存放位置；

(4)第四步，如图7所示，自动抓管机从地面或大平台抓取第三根钻杆，置于鼠洞位置，自动抓管机再将置于临时存放位置的两根管子置于第三根钻杆之上，用铁钻工配合上扣连接三根钻杆；

(5)第五步，如图8所示，提升自动抓管机将接好的三根钻杆递交给桥吊，桥吊接过钻杆夹紧，自动抓管机松开；桥吊将接好的三根钻杆抬起一定高度；桥吊通过旋转，左右移动，前后移动，将钻杆按顺序置于二层台指梁内。

Claims (5)

1.一种新型钻机自动化排管系统，包括用于抓取管子并垂直放入鼠洞的自动抓管机、用于上卸扣的铁钻工、用于排管的桥吊，鼠洞和自动排管控制系统，其特征是：所述自动抓管机完全置于井架外侧，由双侧立柱滑轨支撑架、滑车、上臂、下臂、旋转腕部、抓手组成；所述双侧立柱滑轨支撑架上端与井架二层台连接，下端与地面或大平台固定连接，抓手可伸到地面或大平台直接抓取管子，不需要猫道输送管子。

2.根据权利要求1所述新型钻机自动化排管系统，其特征在于：所述自动抓管机的提升系统，包括起升液压绞车，导向轮，定滑轮和动滑轮；液压起升绞车安装在塔架底部，导向轮和定滑轮安装在塔架顶部，两个动滑轮安装滑车上，驱动抓管机实现升降功能；垂直行程从地面到二层台，不需要吊卡配合，可实现独立排管，不影响起下钻作业。

3.根据权利要求1所述新型钻机自动化排管系统，其特征在于：所述自动抓管机，在下臂和抓手之间采用了箱式转腕结构，该结构与下臂铰接，与抓手之间采用转轴连接，由液压缸驱动，使抓手将管子竖直姿态时实现转腕动作，将管子用鼠洞位置移动至临时存放位置。

4.根据权利要求1所述新型钻机自动化排管系统，其特征在于：所述的桥吊安装在二层台上方，桥吊的前后滑道梁固定在井架上，前后滑道梁下挂左右滑道梁，左右滑道梁下挂滑车，滑车下挂360度旋转的回转结构，回转机构上固定液压缸驱动的升降机构；故桥吊具备了前后平移，左右平移，360度回转，升降，爪子开合的功能。

5.根据权利要求1所述新型钻机自动化排管系统，其特征在于：所述系统自动抓管机和桥吊设备上安装有压力温度位置等的仪表检测装置，所取仪表信号和液压站输入输出信号经过数据采集器进入司钻控制系统，并由司钻控制椅集成显示和操作，实现排管控制集成和远程操作。

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