自升式平台连续起下钻钻机
阅读说明：本技术 自升式平台连续起下钻钻机 (Continuous tripping drilling machine of self-elevating platform ) 是由 朱本温 李晓明 李联中 魏双会 刘雅静 陈波 赵健 张庆斌 郑晓东 樊雪燕 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种自升式平台连续起下钻钻机,包括安装在悬臂梁上的钻台和主钻井系统,从绞车引出的钻井钢丝绳绕过安装在主井架顶端的天车与游车连接,游车下端悬挂有顶驱,主井架的内部安装有连续起下钻系统和排管系统；连续起下钻系统包括滑车、提升片架、支撑滑移框架,连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦安装在支撑滑移框架内,支撑滑移框架的前立柱和滑车之间铰接有支撑杆；在连续起下钻作业过程中,本发明中的连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦可按照管具作业需要与顶驱系统交替进出井口中心线位置,可实现对动态管柱的悬持以及对动态管具接头进行连续上扣、卸扣以及泥浆回收等作业过程的高效处理,大大提高了作业效率,可靠性高。(The invention relates to a self-elevating platform continuous tripping drilling machine, which comprises a drilling platform and a main drilling system which are arranged on a cantilever beam, wherein a drilling steel wire rope led out from a winch bypasses a crown block arranged at the top end of a main derrick to be connected with a traveling block, a top drive is hung at the lower end of the traveling block, and a continuous tripping system and a pipe discharging system are arranged in the main derrick; the continuous tripping system comprises a pulley, a lifting rack and a supporting sliding frame, wherein a continuous rotary iron roughneck and a front opening power slip are arranged in the supporting sliding frame, and a supporting rod is hinged between a front upright post of the supporting sliding frame and the pulley; in the continuous tripping operation process, the continuous rotary iron roughneck and the front opening power slip can alternately enter and exit from the center line position of the wellhead with the top drive system according to the pipe tool operation requirement, so that the suspension of the dynamic pipe column and the efficient treatment of the operation processes of continuous make-up, break-out, mud recovery and the like of the dynamic pipe tool joint can be realized, the operation efficiency is greatly improved, and the reliability is high.)
技术领域
本发明属于海洋石油钻井机械领域，具体涉及一种自升式平台连续起下钻钻机。
背景技术
当前海洋自升式钻井平台在作业过程中均采用间断的起下钻处理方式。在下钻接钻柱时的主要步骤如下：1）顶驱将钻柱下放至钻台转盘处由卡瓦卡紧固定，钻柱上部露出钻台1200mm高度左右；2）排管机将管具立根从指梁中取出，移运至转盘处将管具立根与钻柱对准；3）铁钻工运动至转盘处，将管具立根与下部钻柱进行上扣连接操作；4）上扣完成后，铁钻工撤回，顶驱提升整个钻柱，然后卡瓦打开；5）顶驱下放整个钻柱至钻台转盘处，然后由卡瓦卡紧固定，重复步骤1）-4）流程，直至完成整个钻柱的下钻操作。起钻操作过程与下钻正好相反。
由以上的操作过程可知，当前海洋自升式钻井平台在起钻和下钻作业过程中，钻柱首先需要固定卡持在钻台转盘处，完成上卸扣后再进行钻柱的提升或下放，整个过程为断续作业过程，存在处理时间较长，作业效率低。起钻和下钻作业时间一般占用一口井总作业时间的15-40%，因此，提高起钻和下钻作业时效能够大幅提高钻井效率，从而降低钻井作业成本。此外，在钻机的起钻和下钻作业过程中，钻柱的间歇性提升或下放容易引起井内压力波动，从而增加井下事故发生的可能性。
发明内容
本发明的目的是提供一种自升式平台连续起下钻钻机，以解决现有海洋自升式平台间歇性起下钻作业效率低的问题，可降低井下事故发生的风险。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种自升式平台连续起下钻钻机，包括安装在悬臂梁上的钻台和主钻井系统，主钻井系统包括固定安装在钻台上的绞车和主井架，从绞车引出的钻井钢丝绳绕过安装在主井架顶端的天车与游车连接，游车下端悬挂有顶驱，所述主井架的内部安装有连续起下钻系统和排管系统；
所述连续起下钻系统包括前侧开口的C形框架结构的导向井架、滑轮组、提升液缸、连续起下钻用管具处理机构和辅提升钢丝绳，导向井架的下端固定安装在钻台上，导向井架的前开口的两侧分别安装有一个竖直的导轨；连续起下钻用管具处理机构的顶部两侧装卡在两个导轨中；导向井架的内部安装有缸座固定在钻台上的提升液缸，提升液缸的顶部安装有滑轮组，辅提升钢丝绳的一端固定连接在连续起下钻用管具处理机构的顶部，另一端绕过滑轮组后固定在钻台上，提升液缸升降带动连续起下钻用管具处理机构沿导轨上下运动；
所述排管系统布置在连续起下钻系统的一侧。
优选的，所述排管系统包括排管机和动力指梁，排管机下端的行走轨道安装在钻台上，上部的行走轨道安装在主井架上，动力指梁固定在主井架的中部。
优选的，所述连续起下钻用管具处理机构包括装卡在导向井架上的滑车，滑车的竖梁上安装有滑移顶升液压缸，滑移顶升液压缸的活塞端与滑块相连接，滑块固定在滑车的竖梁上，滑车的顶端与提升片架的顶端相铰接，提升片架的底端与支撑滑移框架的前立柱顶端相铰接，支撑滑移框架的内部安装有连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦，支撑滑移框架的前立柱与滑块之间铰接有支撑杆；提升片架的中部安装有提升索头，提升索头与辅提升钢丝绳相连接。
优选的，所述连续旋转铁钻工包括安装在支撑滑移框架上的主钳和背钳，背钳位于主钳的下方，主钳包括分别通过销轴铰接在主钳移动机架上的主钳右侧半体和主钳左侧半体，主钳右侧半体和主钳左侧半体的壳体后端分别与两个主钳开合液压缸的活塞杆端相连接，主钳开合液压缸的缸体安装在主钳移动机架上，主钳移动机架的左右两端分别装卡在支撑滑移框架的两根后立柱上，主钳右侧半体和主钳左侧半体的上部分别通过液压泵缸固定销轴与液压油泵缸的缸体端和活塞杆端相连接，主钳右侧半体和主钳左侧半体的开合带动液压油泵缸的伸缩；所述背钳包括分别通过销轴铰接在背钳移动机架上的背钳右侧半体和背钳左侧半体，背钳右侧半体和背钳左侧半体的底部分别与背钳开合液压缸的缸体端和活塞杆端相连接，背钳右侧半体和背钳左侧半体的外缘顶部均安装有泥浆防喷溅橡胶板，背钳移动机架的左右两端分别装卡在支撑滑移框架的两根后立柱上，背钳移动机架的后侧壁与悬持液压缸的一端相连接，悬持液压缸的另一端固定在支撑滑移框架的后横梁上；背钳移动机架和主钳移动机架之间安装有接箍补偿液压缸。
优选的，所述主钳右侧半体和主钳左侧半体的结构相对称，主钳右侧半体的主钳壳体中部安装有半圆形的旋转夹持组件；半齿圈通过螺栓固定在旋转夹持组件的外缘上，半齿圈与变排量液压马达的驱动齿轮相啮合，变排量液压马达安装在主钳右侧半体的后部；旋转夹持组件的顶端通过销轴与扶管机构的底部相连接，扶管机构的内壁上安装有缓冲橡胶；旋转夹持组件的底部中心处安装有半圆环状的泥浆下盖板和主钳钻杆密封板。
优选的，所述旋转夹持组件包括三组安装在旋转夹持组件壳体内部的主钳夹紧液压缸，主钳夹紧液压缸的前端安装有主钳钳牙座和主钳钳牙体；旋转夹持组件壳体的外缘开设有液压元件安装槽，液压元件安装槽内安装有与主钳夹紧液压缸相连接的液压管线，液压管线上连接有蓄能器和机械换向阀，机械换向阀的控制杆与控制环相接触，控制环安装在主钳壳体的上方，控制环和主钳壳体之间安装有控制液压缸，控制液压缸的活塞端缩回带动控制环向下移动。
优选的，所述前开口动力卡瓦包括前端开口的卡瓦座，卡瓦座的前开口两侧分别设置有卡瓦左耳座和卡瓦右耳座，卡瓦左耳座与卡瓦左侧门的后端通过左转轴相连接，卡瓦右耳座与卡瓦右侧门的后端通过右转轴相连接，卡瓦座的中部安装有分体式补心，分体式补心的顶端以及卡瓦座的上表面通过螺栓安装有分体式盖板；卡瓦座的上表面后部焊接有卡瓦提升支座，卡瓦提升支座通过提升装置与卡瓦体相连接；卡瓦座的后部安装有后盖；提升装置包括L型提升臂和铰接在提升臂前端的提升拉杆，提升拉杆的底端与卡瓦体相连接，提升臂的后端铰接在卡瓦提升支座的顶端，卡瓦提升液缸的缸体和活塞杆端分别铰接在卡瓦提升支座和提升臂上。
优选的，所述卡瓦体为分体结构，包括中间卡瓦分体、左侧卡瓦分体和右侧卡瓦分体，中间卡瓦分体、左侧卡瓦分体和右侧卡瓦分体的顶部均设置有吊装耳板；中间卡瓦分体的两侧边上的连接耳板通过卡瓦分体连接转轴分别与左侧卡瓦分体和右侧卡瓦分体相邻侧边上的连接耳板相铰接，卡瓦分体连接转轴上安装有数个扭力弹簧。
优选的，所述分体式补心包括右侧补心分体、中间补心分体和左侧补心分体，右侧补心分体和中间补心分体对称装配在卡瓦座的内壁上，左侧补心分体安装在卡瓦左侧门的内壁上，右侧补心分体、中间补心分体和左侧补心分体的外侧壁中部设置有定位凹槽，卡瓦座的内壁和左侧门的内壁上均设置有与定位凹槽相适配的补心定位凸块；右侧补心分体和中间补心分体的中间缝隙处安装有卡瓦体位置检测传感器。
本发明的有益效果是：
1、本发明在自升式平台上实现了连续起下钻作业，常规自升式平台钻机起下钻效率一般为600-900m/h，采用本发明的连续起下钻钻机后，钻柱可保持1800m/h的速度实现连续起钻或者连续下钻作业，作业效率大幅提升；
2、本发明利用安装在滑车上的滑移顶升液压缸，通过支撑杆可实现连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦按照作业需要，与顶驱系统交替进出井口中心线位置，进行管具处理作业，并且在提升系统的牵引下可沿着滑车轨道移动，实现管具处理装置与动态管柱位置的相对固定，为管具处理提供条件；本发明在连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦等管具处理设备的作用下，实现了在一个作业位置，便可对动态管柱进行悬持以及对动态管具接头进行连续上扣、卸扣以及泥浆回收等作业操作；
3、采用本发明的连续起下钻钻机，钻柱可保持连续运动，减小了对井下压力波动的影响，提高了井眼的稳定性，降低了井下事故发生的可能性；
4、本发明中连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦都具备侧向打开的功能，以便管柱能从连续旋转铁钻工和前开口动力卡瓦的一侧进入到系统内部，实现了在有限高度的井架内进行管具连续处理的目的；
5、本发明配套顶驱作为钻机的主钻井系统，技术成熟可靠，配套的连续起下钻系统布置于井口一侧，即使连续起下钻系统发生故障时不影响整套钻机的钻井作业活动，钻机作业可靠性高，稳定性好。
附图说明
图1是本发明自升式平台连续起下钻钻机正面结构简图；
图2是本发明自升式平台连续起下钻钻机侧面结构简图；
图3是本发明自升式平台连续起下钻钻机俯视平面结构简图；
图4是本发明钻台及以上三维结构简图一；
图5是本发明钻台及以上三维结构简图二（隐藏主井架）；
图6是本发明连续起下钻系统三维结构简图；
图7是图1中起下钻用管具处理机构的结构示意图；
图8是图7中起下钻用管具处理机构的侧视图；
图9是图7中支撑滑移框架的结构示意图；
图10是图7中连续旋转铁钻工的结构示意图；
图11是图10中背钳的结构示意图；
图12是图10中主钳的结构示意图；
图13是图10中主钳右侧半体的结构示意图；
图14是半齿圈的结构示意图；
图15是图9中前开口动力卡瓦的结构示意图；
图16是图15中前开口动力卡瓦内部的结构示意图；
图17是图15中前开口动力卡瓦打开状态结构示意图；
图18是本发明自升式平台连续起下钻钻机起钻作业流程简图一；
图19是本发明自升式平台连续起下钻钻机起钻作业流程简图二；
图中：1、悬臂梁，2、钻台，3、主钻井系统，31、主井架，32、绞车，33、天车，34、游车，35、顶驱，36、钻井钢丝绳，4、连续起下钻系统，41、导向井架，42、滑轮组，43、提升液缸，44、起下钻用管具处理机构，45、辅提升钢丝绳，46、导轨，5、排管系统，51、排管机，52、动力指梁，6、钻柱，7、滑车，8、连续旋转铁钻工，801、主钳，802、背钳，803、悬持液压缸，804、接箍补偿液压缸，805、主钳移动机架，806、主钳开合液压缸，807、背钳移动机架，808、泥浆防喷溅橡胶板，809、变排量液压马达，810、主钳右侧半体，811、主钳左侧半体，812、液压油泵缸，813、背钳右侧半体，814、背钳左侧半体，815、控制环，816、旋转夹持组件，817、半齿圈，818、扶管机构，819、主钳夹紧液压缸，9、前开口动力卡瓦，901、卡瓦右侧门，902、卡瓦座，903、卡瓦提升支座，904、提升臂，905、卡瓦体，906、卡瓦左侧门，907、提升拉杆，908、左转轴，909、卡瓦左耳座，910、卡瓦提升液缸，911、分体式补心，912、卡瓦右耳座，913、补心定位凸块，914、右转轴，915、定位凹槽，10、提升片架，11、支撑滑移框架，12、滑移顶升液压缸，13、滑块，14、支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图6所示的一种自升式平台连续起下钻钻机，包括安装在悬臂梁1上的钻台2和主钻井系统3，主钻井系统3包括固定安装在钻台2上的绞车32和主井架31，从绞车32引出的钻井钢丝绳36绕过安装在主井架31顶端的天车33与游车34连接，游车34下端悬挂有顶驱35，主井架31的内部安装有连续起下钻系统4和排管系统5；
连续起下钻系统4包括前侧开口的C形框架结构的导向井架41、滑轮组42、提升液缸43、连续起下钻用管具处理机构44和辅提升钢丝绳45，导向井架41的下端固定安装在钻台2上，导向井架41的前开口的两侧分别安装有一个竖直的导轨46；连续起下钻用管具处理机构44的顶部两侧装卡在两个导轨46中；导向井架42的内部安装有缸座固定在钻台2上的提升液缸43，提升液缸43的顶部安装有滑轮组42，辅提升钢丝绳45的一端固定连接在连续起下钻用管具处理机构44的顶部，另一端绕过滑轮组42后固定在钻台2上，提升液缸43升降带动连续起下钻用管具处理机构44沿导轨46上下运动；
排管系统5布置在连续起下钻系统4的一侧。
排管系统5包括排管机51和动力指梁52，排管机51下端的行走轨道安装在钻台2上，上部的行走轨道安装在主井架31上，动力指梁52固定在主井架31的中部。
连续起下钻用管具处理机构44包括装卡在导向井架41上的滑车7，滑车7的竖梁上安装有滑移顶升液压缸12，滑移顶升液压缸12的活塞端与滑块13相连接，滑块13固定在滑车的竖梁上，滑车7的顶端与提升片架10的顶端相铰接，提升片架10的底端与支撑滑移框架11的前立柱顶端相铰接，支撑滑移框架11的内部安装有连续旋转铁钻工8和前开口动力卡瓦9，支撑滑移框架11的前立柱与滑块13之间铰接有支撑杆14；提升片架10的中部安装有提升索头，提升索头与辅提升钢丝绳45相连接。
连续旋转铁钻工8包括安装在支撑滑移框架11上的主钳801和背钳802，背钳802位于主钳801的下方，主钳801包括分别通过销轴铰接在主钳移动机架805上的主钳右侧半体810和主钳左侧半体811，主钳右侧半体810和主钳左侧半体811的壳体后端分别与两个主钳开合液压缸806的活塞杆端相连接，主钳开合液压缸806的缸体安装在主钳移动机架805上，主钳移动机架805的左右两端分别装卡在支撑滑移框架11的两根后立柱上，主钳右侧半体810和主钳左侧半体811的上部分别通过液压泵缸固定销轴与液压油泵缸812的缸体端和活塞杆端相连接，主钳右侧半体810和主钳左侧半体811的开合带动液压油泵缸812的伸缩；背钳802包括分别通过销轴铰接在背钳移动机架807上的背钳右侧半体813和背钳左侧半体814，背钳右侧半体813和背钳左侧半体814的底部分别与背钳开合液压缸的缸体端和活塞杆端相连接，背钳右侧半体813和背钳左侧半体814的外缘顶部均安装有泥浆防喷溅橡胶板808，背钳移动机架807的左右两端分别装卡在支撑滑移框架11的两根后立柱上，背钳移动机架807的后侧壁与悬持液压缸803的一端相连接，悬持液压缸803的另一端固定在支撑滑移框架11的后横梁上；背钳移动机架807和主钳移动机架805之间安装有接箍补偿液压缸804。
主钳右侧半体810和主钳左侧半体811的结构相对称，主钳右侧半体810的主钳壳体中部安装有半圆形的旋转夹持组件816；半齿圈817通过螺栓固定在旋转夹持组件816的外缘上，半齿圈817与变排量液压马达809的驱动齿轮相啮合，变排量液压马达809安装在主钳右侧半体810的后部；旋转夹持组件816的顶端通过销轴与扶管机构818的底部相连接，扶管机构818的内壁上安装有缓冲橡胶；旋转夹持组件816的底部中心处安装有半圆环状的泥浆下盖板和主钳钻杆密封板。
旋转夹持组件816包括三组安装在旋转夹持组件壳体内部的主钳夹紧液压缸819，主钳夹紧液压缸819的前端安装有主钳钳牙座和主钳钳牙体；旋转夹持组件壳体的外缘开设有液压元件安装槽，液压元件安装槽内安装有与主钳夹紧液压缸819相连接的液压管线，液压管线上连接有蓄能器和机械换向阀，机械换向阀的控制杆与控制环815相接触，控制环815安装在主钳壳体的上方，控制环和主钳壳体之间安装有控制液压缸，控制液压缸的活塞端缩回带动控制环815向下移动。
前开口动力卡瓦9包括前端开口的卡瓦座902，卡瓦座902的前开口两侧分别设置有卡瓦左耳座909和卡瓦右耳座912，卡瓦左耳座909与卡瓦左侧门906的后端通过左转轴908相连接，卡瓦右耳座912与卡瓦右侧门901的后端通过右转轴914相连接，卡瓦座902的中部安装有分体式补心911，分体式补心911的顶端以及卡瓦座902的上表面通过螺栓安装有分体式盖板；卡瓦座902的上表面后部焊接有卡瓦提升支座903，卡瓦提升支座903通过提升装置与卡瓦体905相连接；卡瓦座902的后部安装有后盖；提升装置包括L型提升臂904和铰接在提升臂904前端的提升拉杆907，提升拉杆907的底端与卡瓦体905相连接，提升臂904的后端铰接在卡瓦提升支座903的顶端，卡瓦提升液缸910的缸体和活塞杆端分别铰接在卡瓦提升支座903和提升臂904上。
卡瓦体905为分体结构，包括中间卡瓦分体、左侧卡瓦分体和右侧卡瓦分体，中间卡瓦分体、左侧卡瓦分体和右侧卡瓦分体的顶部均设置有吊装耳板；中间卡瓦分体的两侧边上的连接耳板通过卡瓦分体连接转轴分别与左侧卡瓦分体和右侧卡瓦分体相邻侧边上的连接耳板相铰接，卡瓦分体连接转轴上安装有数个扭力弹簧。
分体式补心911包括右侧补心分体、中间补心分体和左侧补心分体，右侧补心分体和中间补心分体对称装配在卡瓦座902的内壁上，左侧补心分体安装在卡瓦左侧门906的内壁上，右侧补心分体、中间补心分体和左侧补心分体的外侧壁中部设置有定位凹槽915，卡瓦座902的内壁和左侧门906的内壁上均设置有与定位凹槽915相适配的补心定位凸块913；右侧补心分体和中间补心分体的中间缝隙处安装有卡瓦体位置检测传感器。
本发明在作业时，主钻井系统3、连续起下钻系统4、排管系统5协同配合完成连续起钻、连续下钻作业，连续起钻按照以下步骤实施：
步骤1，顶驱35提升整个钻柱6向上运动，连续起下钻用管具处理机构44下降至钻台2高度处，等待钻柱6的卸扣位置，当卸扣位置出现后，连续起下钻用管具处理机构44中的连续旋转铁钻工8的主钳801和背钳802分别卡持住钻柱6接头的上下两部分，前开口动力卡瓦9卡持住钻柱6接头下方部位；
步骤2，连续起下钻用管具处理机构44与钻柱6同步向上运动，同时连续旋转铁钻工8对钻柱6进行卸扣操作，此时排管机51扶持上部钻柱6；
步骤3，顶驱35松开上部钻柱6，顶驱35缩回，让出井眼中心位置，顶驱35向下运动；
步骤4，连续旋转铁钻工8对上部钻柱6卸扣操作完成，由排管机51将上部钻柱6移出井眼中心线，并排放入动力指梁52中；
步骤5，顶驱35伸出至井眼中心，与连续起下钻用管具处理机构44进行钻柱6交接，顶驱35卡持钻柱6，连续起下钻用管具处理机构44松开钻柱6；
步骤6，顶驱35提升钻柱6上升，连续起下钻用管具处理机构44下降至钻台2高度处；
重复步骤1-步骤6，循环操作，完成连续起钻作业。
连续下钻作业是连续起钻作业的反向流程，在此不再重复。
本发明的自升式平台连续起下钻钻机实现了钻井连续起钻和连续下钻作业，作业效率大幅提高，并且可使钻柱6可保持连续运动，减小了对井下压力波动的影响，提高了井眼的稳定性，降低了井下事故发生的可能性。
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