1.2.10 钻杆自动处理系统

在钻井起（下）钻作业过程中，钻杆自动处理系统（也称自动排管系统）承担对钻杆夹持、提升、下放、平移和回转等操作，实现钻具在钻台与地面之间的自动输送、排放、储运等。钻杆自动处理系统减轻了工人的劳动强度，提高了安全操作水平，降低了安全风险，同时也提高了钻杆排放的自动化水平和工作效率，是实现安全、健康钻井和提高钻井效率的有效途径。统计显示，利用钻杆自动处理系统可节省25%的钻杆升降时间。

一个完整的钻杆自动处理系统包括以下四个部分：甲板起重机、水平钻杆传送系统、水平/垂直钻杆转换系统、钻杆垂直排放系统。

1.甲板起重机

甲板起重机的作用是将甲板上的钻杆移送至钻杆传送设备上，或反向操作，按其结构型式分为悬臂起重机、折臂起重机和门桥起重机三种类型。

（1）悬臂起重机 悬臂起重机（见图1-4）主要由主体部分、悬臂装置和机械手等构成。起重机本体可以沿着轨道做水平移动，举升装置可以带着悬臂垂直上下移动，悬臂可以做一定角度的倾斜。除此之外，为方便对钻杆进行抓取，悬臂还可以自由伸缩一定距离。悬臂起重机结构简单、安装方便，但一次只能传送一根钻杆。由于自身结构限制，其举升高度一般较低，多用于近海作业的钻井平台。

（2）折臂起重机 折臂起重机是目前国外应用较多的一种甲板起重设备。折臂起重机（见图1-5）的塔身可以绕其自身轴线旋转，各关节臂可以绕铰接轴做一定角度的转动，末端回转装置可以绕其轴线转动，通过对塔身、关节臂以及末端回转装置等机构的调整可以实现对末端夹持机构的精确定位。折臂起重机的塔身固定在甲板上，对安装的定位精度要求相对较低，其工作时不需要沿甲板做平面移动，因此产生的动载荷相对较小。折臂起重机具有一定的冗余自由度，可以灵活地进行钻杆的移送操作。

（3）门桥起重机 门桥起重机是在通用型门桥类起重机的基础上改进而成的，用来满足平台钻杆操作的要求，如图1-6所示，具有三坐标定位功能。门桥起重机的结构简单，设计思路成熟，容易实现自动化定位，工作范围较大，工作只受轨道行程和起重机跨度的限制。

三种甲板起重机的比较见表1-1。

2.水平钻杆传送系统

根据相应设备的结构型式，水平钻杆传送系统可分为动力猫道和带式钻杆输送机两种。

（1）动力猫道 按照钻机移送管柱上、下钻台的工艺要求，用一套机械化、自动化装置实现其功能，这套装置或系统称为动力猫道，也称自动化猫道。自动化猫道钻杆处理系统在国外早有研究和运用，尤其是在俄罗斯，其钻机全部要求配套自动化猫道管柱处理系统和气动卡瓦。美国国民油井公司（NOV）和加拿大Canrig公司等都在这方面进行了研究，并不断推出新产品。目前，国外常用的动力猫道有以下两种。

第一种为固定式动力猫道，其主要特点是猫道和坡道是固定的，以镶嵌在猫道和坡道中的V形槽作为钻具的运动轨道，靠设置在猫道下的动力装置，推动钻具沿猫道和坡道的V形槽滑上钻台，实现各类钻具在猫道和钻台之间的相互传递。

这种猫道结构简单，通常用于小型钻机和修井机，也用在一些简单的平台上。缺点是钻具与V形槽之间的摩擦大，对钻具的保护不够。图1-7所示为美国North Rig Catwalk Technologies公司的C16型动力猫道，属于固定式动力猫道。

第二种是举升式动力猫道，其主要特点是猫道和坡道是固定的，猫道中的V形槽可以举升到一定高度，置于V形槽中的钻具随V形槽被举升到一定位置，然后再由V形槽内部专门的机构推送到井口相对位置。井架上的吊卡抓取管柱，随大钩起升，井口扶正机械手摆出扶正管柱。图1-8所示为Tesco Corp公司的举升式动力猫道。

不同类型猫道的比较见表1-2。

（2）带式钻杆输送机 带式钻杆输送机（见图1-9）是钻杆和其他相关管具的传送机械，可以在钻台和甲板之间安全可靠地往复传送钻杆。输送机在甲板上进行钻杆操作时，需要甲板起重设备的配合；在钻台上进行钻杆处理时，需要水平/垂直钻杆转换系统的协助来完成操作。该输送机使用一种防油污的多层橡胶带来实现钻杆的水平传送，在输送机尾部的一端安装了一个驱动滚筒，另一端安装了一个拉紧筒。通过液压马达带动驱动滚筒旋转，从而驱动传送带运行，以实现钻杆的传送。输送机的尾部还配备了一个引导装置，用以引导钻杆从水平位置到达倾斜的位置，以便于钻杆的抓取。

该输送机的优点是结构简单，可以快速连续地传递钻杆，并且输送带在工作过程中能够对钻杆起到很好的保护作用，不需要安装钻杆护丝；缺点是风速过大时，会出现钻杆从传送带滚落的现象，其工作时允许的最大风速为20.56m/s。由于这种传送设备结构相对简单独立，所以可用它来对现有钻台进行改造。带式钻杆输送机常与悬臂起重机配合使用，这样轻巧而灵便。

3.水平/垂直钻杆转换系统

水平/垂直钻杆转换系统安装在钻台入口处，如图1-10所示，其主要作用是将在其下方水平放置的钻杆提起并转换成垂直状态，或反向操作。此外，它还可以辅助垂直钻杆操作系统完成单根接立根操作或独立完成单根接立根操作。

虽然各种设备的结构型式不同，但它们的基本功能都是作为水平钻杆操作系统与垂直钻杆操作系统的衔接装置使用。

（1）VDM系统 VDM（V-Door Machine）系统（见图1-10a）安装在井架的V形门处，其最大举升行程可达27m。该系统的特点是：与动力鼠洞和钻杆传送设备尾部的引导机构配合，即可完成单根接立根操作，并可以在井口和钻杆传送设备之间往返移送钻杆，而不需要钻杆排放系统的介入。

（2）PLS系统 PLS（Pipe Laydown System）系统（见图1-10b）是在自动化钻井平台上应用较多的水平/垂直钻杆转换系统，具有PLS3、PLS5等类型。该系统的主要功能是进行钻杆的水平/垂直转换，并可协助垂直钻杆操作系统进行离线单根接立根操作。

（3）Eagle/Eagle light系统 Eagle/Eagle light两种系统采用机器人控制技术实现对钻杆运动的控制，属于钻杆全自动化处理设备。其中Eagle系统最大伸出距离可达11m，并具有单根接立根的功能，如图1-10c所示。

4.钻杆垂直排放系统

钻杆垂直排放系统又称为钻杆排放系统，其功能是在钻台上对钻杆或其他管具进行操作，主要包括在井口与立根盒之间移送钻杆立根、钻杆单根接立根等操作。按其结构型式和工作原理可分为桥式排放系统、机械手式排放系统及柱形排放系统。

（1）桥式排放系统 桥式排放系统一般具有4个自由度，横梁的两端可以在支撑架的轨道上平行移动，中间垂直柱形结构可以随着小车在横梁上做直线移动，柱形结构可以绕自身轴线做回转运动，机械手可以沿柱形结构上下移动。横梁的支撑导轨一般安装在井架上，因此，工作时会对井架产生一定动载荷，其主要功能是在井口与立根盒之间进行立根的移送。这种排放系统一般不具备离线接立根的功能。桥式排放系统如图1-11所示。

（2）机械手式排放系统 机械手式排放系统是将不同类型的机械手安装在钻台、二层台以及井架等位置，通过系统的平面移动或机械手的伸缩功能来实现钻杆的移送。Varco公司的机械手式排放系统采用机器人控制技术实现对机械手运动的精确控制，来达到准确移动钻杆的目的。MH公司的机械手式排放系统将上下两个机械手分别安装到二层台和钻台上，通过两个机械手的配合来实现立根在井口和立根盒之间的移送。机械手式排放系统既可以作为辅助设备与其他排放系统配合使用，也可以单独作为钻杆操作系统使用。由于这种系统结构比较简单，安装也相对简单，因此，除了可以将其作为自动化钻井平台的钻杆操作系统外，还可以用它来对现有的一些平台进行改造。机械手式排放系统如图1-12所示。

（3）柱形排放系统 柱形排放系统是将两个或多个机械手安装在一个独立支撑的柱形结构上，这种排放系统功能比较强大，适合在多种钻井平台上进行钻杆操作。柱形排放系统与钻杆水平/垂直转换系统相互配合可以实现钻台上钻杆的全自动化处理，并已在超深水钻井船上得到成功运用。柱形排放系统如图1-13所示。

柱形排放系统多用在新型的自动化钻井平台或钻井船上，作为钻杆等的自动化排放设备使用，相对于其他排放系统，柱形排放系统具有很多优点。其优点包括：结构独立，工作时不会对井架等设备产生附加载荷；大多数可以在钻台上面移动，作业范围大、功能强，部分兼具水平/垂直钻杆转换系统的功能；多数可与钻杆水平/垂直转换系统配合来完成离线单根接立根的操作，提高了工作效率。