沙漠移運(yùn)鉆機(jī)拖撬起升機(jī)構(gòu)的同步問題研究

劉永勝，廖麗華，王維旭，周天明，李凱，于浩

(1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721002;2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的鉆井費(fèi)用約占石油工業(yè)總投資的40%，鉆井成本已經(jīng)成為影響原油開采成本的一個(gè)關(guān)鍵因素［1］。鉆井成本包含兩個(gè)方面:(1)直接鉆井成本;(2)鉆井前期和鉆井后期的輔助成本，即運(yùn)輸成本和停工成本［2］。在當(dāng)前激烈競(jìng)爭(zhēng)的石油行業(yè)中，設(shè)計(jì)開發(fā)能夠縮短搬遷時(shí)間的整體移運(yùn)鉆機(jī)，可以大大降低鉆井前期成本即運(yùn)輸成本，是降低鉆井成本的有效途徑［3］。

1 沙漠移運(yùn)鉆機(jī)簡(jiǎn)介

近年來某公司研制成功的ZJ50DBT 和ZJ70DBT系列沙漠移運(yùn)鉆機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)井架、底座在工作位置的整體移運(yùn)，井架和底座均處于下放位置的整體移運(yùn)，拆掉井架將底座單獨(dú)整體移運(yùn)3 種移運(yùn)方式。該鉆機(jī)結(jié)構(gòu)新穎、獨(dú)特，其形式為抬橋式機(jī)構(gòu)，左右基礎(chǔ)之間通過兩個(gè)橫梁和連接架連接。井架、底座在工作位置進(jìn)行整體移運(yùn)時(shí)，液壓缸頂起主機(jī)拖撬部分，通過拖撬兩端的鵝頸承重，輪胎受力著地，牽引車牽引運(yùn)輸［4］。如圖1 所示。

主機(jī)拖撬起升采用液壓同步的方式。ZJ50DBT 系列鉆機(jī)整體移運(yùn)質(zhì)量有700 多噸，由于采用了液壓傳動(dòng)，其動(dòng)力設(shè)備可以與主機(jī)分開安置，對(duì)于此種負(fù)載特別大的場(chǎng)合，可以通過加大液壓缸直徑或采用多缸聯(lián)合工作的方式來解決。當(dāng)采用多缸驅(qū)動(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)的負(fù)載理論上是沒有限制的。此種場(chǎng)合采用多缸驅(qū)動(dòng)為宜。

圖1 沙漠移運(yùn)鉆機(jī)示意圖

2 常用同步控制回路

在多缸工作的液壓系統(tǒng)中，常常會(huì)遇到要求兩個(gè)或兩個(gè)以上的執(zhí)行元件同步動(dòng)作的情況。實(shí)現(xiàn)多缸同步動(dòng)作的方式有多種，常見的同步回路有:機(jī)械剛性聯(lián)接同步回路、液壓缸串聯(lián)同步回路、調(diào)速閥同步回路、分流集流閥同步回路、同步缸同步回路、同步馬達(dá)同步回路、電液比例調(diào)速閥同步回路、伺服閥同步回路等［5］。這些回路的控制精度和價(jià)格也相差較大，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

3 拖撬起升機(jī)構(gòu)同步回路的選擇

沙漠移運(yùn)鉆機(jī)拖撬起升機(jī)構(gòu)升降要求由8 個(gè)相同型號(hào)的液壓缸共同完成。由于每打完一口井鉆井才需移運(yùn)到下一個(gè)井位，間隔時(shí)間很長(zhǎng)，起升機(jī)構(gòu)使用很不頻繁，為了既能滿足使用要求又能節(jié)約成本，現(xiàn)有設(shè)計(jì)只考慮開環(huán)控制回路。設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證8 個(gè)液壓缸的負(fù)載均勻。但實(shí)際情況中，由于液壓缸位置的安裝誤差和液壓缸內(nèi)部零件的加工誤差，通向各液壓缸的管路長(zhǎng)短、管路的彎曲次數(shù)和度數(shù)不同以及管道內(nèi)壁的粗糙度不同等原因，使油液的阻力不同，都可以造成在同樣的負(fù)載下液壓缸需求的壓力不一樣。這個(gè)問題不妥善地解決將嚴(yán)重影響主機(jī)拖撬的起升和下降，甚至造成事故?？紤]到八個(gè)工作液壓缸的負(fù)載相對(duì)來說是比較均勻的，而負(fù)載的不均勻性經(jīng)常會(huì)有小的波動(dòng)，且人工調(diào)節(jié)使得8 個(gè)液壓缸的負(fù)載一致比較困難，故不采用調(diào)速閥等的調(diào)節(jié)方法，采用分流集流閥同步回路和同步馬達(dá)同步回路來實(shí)現(xiàn)同步工作較為可行，這里僅選用分流集流閥來實(shí)現(xiàn)其同步工作。當(dāng)采用不同的液壓系統(tǒng)方案時(shí)，可以產(chǎn)生不同的效果。單從分流集流閥的性質(zhì)和用途出發(fā)，機(jī)械地來確定液壓系統(tǒng);另一種根據(jù)分流集流閥的特性并應(yīng)用一些力學(xué)以及幾何學(xué)知識(shí)加以分析，從而簡(jiǎn)化達(dá)到更好的效果。

4 設(shè)計(jì)方案分析

考慮到分流集流閥的性質(zhì)(單從分流集流閥的基本回路方案來討論，不是具體的液壓系統(tǒng)的原理圖)。這里采用3 種方案來分別討論:

(1)方案一

從性能上來機(jī)械地應(yīng)用分流集流閥，如圖2 所示，系統(tǒng)中的8 個(gè)液壓缸由3 組3 種型號(hào)的7 個(gè)分流集流閥來保證液壓缸1、2，3、4，5、6，7、8 之間的同步。泵的流量通過各級(jí)分流集流閥均勻地分配到8 個(gè)液壓缸，從而保證其同步性能。從理論上來說該種方案是可行的，但是在實(shí)際中該種方案不能奏效，隨著控制元件的增加、管路的加長(zhǎng)，勢(shì)必造成壓力能的損失增大、油溫升高、系統(tǒng)效率降低，達(dá)不到同步性要求的精度。

圖2 方案一

(2)方案二

如圖3 所示，系統(tǒng)由2 組2 種型號(hào)的3 個(gè)分流集流閥來共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步，它們之間的不同步性在液壓缸的運(yùn)動(dòng)中能自動(dòng)補(bǔ)償。

圖3 方案二

以第一組液壓缸為例，當(dāng)液壓缸頂起負(fù)載時(shí)，若液壓缸1 的負(fù)載小于液壓缸2 的負(fù)載時(shí)，缸1 就先動(dòng)作，此時(shí)缸3、4 也同時(shí)頂起負(fù)載，對(duì)液壓缸1、2、3、4 的共同負(fù)載來說，即使它們的負(fù)載是不連續(xù)的，總是具有一定的牽連作用。在結(jié)構(gòu)上使4 個(gè)液壓缸具有一定的剛度也是容易做到的，所以液壓缸1 稍微一頂起，實(shí)際上是微量的升起或者是一種升起的趨勢(shì)，這種改變必然增加缸1 對(duì)負(fù)載的承擔(dān)，從而使缸2 負(fù)載向減小的方向變化，當(dāng)這種變化仍然使缸1 的負(fù)載小于缸2 的負(fù)載時(shí)，那么此變化會(huì)一直持續(xù)下去直到缸1 和缸2 的負(fù)載相等為止。使液壓缸1、2 負(fù)載自動(dòng)趨于相等，從而保證了它們之間的同步性。同理，液壓缸3、4，5、6，7、8 也能實(shí)現(xiàn)負(fù)載自動(dòng)補(bǔ)償。第一組液壓缸和第二組液壓缸也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償功能，從而保證了整個(gè)工作臺(tái)面同步升降。

(3)方案三

通過方案二的討論，并考慮到8 個(gè)液壓缸的負(fù)載是一個(gè)矩形負(fù)載。從幾何學(xué)的對(duì)稱性出發(fā)，一個(gè)矩形負(fù)載只要它的兩根對(duì)稱軸能夠同步地升降就能保證整個(gè)矩形上的各個(gè)點(diǎn)同步地升降。方案三的液壓原理如圖4 所示，這里把8 個(gè)液壓缸在矩形負(fù)載上的空間布置方案分為3 種，如圖5 (a)、(b)、(c)所示。這3 種空間布置方案只有圖(a)要求整個(gè)負(fù)載具有一定的剛度;圖(b)只要求兩條對(duì)稱軸具有一定的剛度，但負(fù)載對(duì)8 個(gè)液壓缸的均布比較難達(dá)到;圖(c)也只要求矩形負(fù)載的兩條對(duì)角線有一定的剛度，這種布置方式負(fù)載的均勻性也比較容易達(dá)到，所以是一種較好的布置方式。

圖4 方案三

圖5 液壓缸布置圖

ZJ50DBT 系列鉆機(jī)采用的就是方案二和圖5 (a)的空間布置方式，在實(shí)際的應(yīng)用中能夠較好地實(shí)現(xiàn)同步控制要求。但是如果采用圖5 (c)的空間布置方式，該液壓系統(tǒng)就只需兩個(gè)分流集流閥就能實(shí)現(xiàn)同步。液壓缸1、2，7、8 和3、4，5、6 的負(fù)載不均勻性通過八個(gè)分別在兩條對(duì)角線上兩組液壓缸的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到自動(dòng)均勻，同步原理同方案二。

通過比較后發(fā)現(xiàn)，方案二優(yōu)于方案一，方案三優(yōu)于方案二，方案三應(yīng)用幾何學(xué)的對(duì)稱思想后，液壓回路中只用了兩個(gè)同種型號(hào)的分流集流閥就能達(dá)到工作要求并且管道的規(guī)格也相應(yīng)減少，降低了設(shè)備制造的費(fèi)用，由于少了一個(gè)分流集流閥使系統(tǒng)的效率也得到了相應(yīng)的提高。從液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，不失是一種好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)論

通過對(duì)沙漠移運(yùn)鉆機(jī)拖撬起升機(jī)構(gòu)同步性能的分析，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和機(jī)械方面的具體技術(shù)要求，制定了可行的同步方案，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李智林.如何控制鉆井工程成本［J］.天然氣經(jīng)濟(jì)，2006(1):44－46.

［2］王成萍.國際石油鉆井成本構(gòu)成與測(cè)算［J］.國際石油經(jīng)濟(jì)，2006(9):36－39.

［3］于孔學(xué).鉆機(jī)整體移運(yùn)系統(tǒng)的研究［D］.東營:中國石油大學(xué)(華東)，2008.

［4］惠向徹，李治平，于國玲，等.一種新型輪式整體移運(yùn)鉆機(jī):中國，CN200920245903.0［P］.2010－10－06.

［5］趙月靜，寧辰校.液壓實(shí)用回路360 例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.