鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂的研制

魏志峰

摘 要：目前，鉆臺(tái)區(qū)域是人員、設(shè)備、大型作業(yè)集中的高危區(qū)域，通過(guò)鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂的項(xiàng)目論證、功能確認(rèn)、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工以及樣機(jī)試制等，完成一套鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂。利用鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂大幅降低鉆臺(tái)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂；研制；設(shè)計(jì)；降低；安全風(fēng)險(xiǎn)

鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鉆臺(tái)區(qū)域是人員、設(shè)備、大型作業(yè)集中的區(qū)域，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)和較高的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)研制鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂進(jìn)行井口作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的治理和降低鉆工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

近年，國(guó)內(nèi)石油鉆井裝備整體技術(shù)水平有了很大提高，但是在鉆井管柱自動(dòng)化操作裝置方面落后國(guó)際水平甚遠(yuǎn)，尤其從地面到鉆臺(tái)的管柱輸送裝置和鉆臺(tái)機(jī)械手等井口裝置技術(shù)的缺乏，影響了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的自動(dòng)化進(jìn)程。

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，鉆井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)起鉆時(shí)，司鉆利用井架上的天車(chē)、游車(chē)和大鉤從井內(nèi)起出立根，由內(nèi)外鉗工從鉆臺(tái)井口用手將起出后的立根推至排放鉆桿排放架內(nèi)；下鉆時(shí)，由內(nèi)外鉗工將立根從鉆桿排放架內(nèi)拉至井口位置進(jìn)行下鉆操作。

整個(gè)起、下鉆作業(yè)過(guò)程中，內(nèi)外鉗工的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，不僅起、下鉆作業(yè)速度慢、效率低，而且伴隨著很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 功能需求分析

2.1 功能目標(biāo)

根據(jù)鉆臺(tái)區(qū)域內(nèi)外鉗工的主要工作內(nèi)容，需要研制的鉆臺(tái)自動(dòng)化機(jī)械臂裝置必須是具備能夠旋轉(zhuǎn)、伸縮和夾持功能的控制系統(tǒng)，并且由一名遠(yuǎn)離鉆臺(tái)區(qū)域的鉆工通過(guò)遙控操作實(shí)現(xiàn)起、下鉆作業(yè)時(shí)立根的自動(dòng)排放。

2.2 工作原理

起鉆作業(yè)時(shí)，吊卡將立根從井眼內(nèi)起出吊起，待坐好卡瓦并卸扣后，操作機(jī)械臂裝置的操作手柄使伸縮臂伸展至井眼位置，機(jī)械手內(nèi)置液壓缸工作夾緊立根，然后機(jī)械臂收縮（或伸展）同時(shí)將立根旋轉(zhuǎn)推至排放架的相應(yīng)位置；依次類(lèi)推，完成起鉆作業(yè)中鉆桿的排放。同理，可以實(shí)現(xiàn)下鉆作業(yè)時(shí)立柱從鉆桿排放架到井口的抓取、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)；并保證立根準(zhǔn)確拉至井口正中位置，以便于鉆具對(duì)準(zhǔn)螺紋，方便連接，從而完成下鉆作業(yè)。

2.3 具體的操作功能

①上鉆桿：將鉆桿提至坡道上方、機(jī)械手前伸、機(jī)械手握住鉆桿、上提鉆桿、機(jī)械手后退、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至合適位置、機(jī)械手前伸至鼠洞、下放鉆桿進(jìn)鼠洞、機(jī)械手松開(kāi)鉆桿、機(jī)械手后退。

②甩鉆桿：鉆桿卸扣后，機(jī)械手前伸；機(jī)械手握住鉆桿，上提鉆桿，脫扣；機(jī)械手后退；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至合適位置；機(jī)械手前伸至坡道上方；機(jī)械手松開(kāi)鉆桿；下放鉆桿至坡道；機(jī)械手后退。

③接鉆桿對(duì)扣：鉆桿卸扣后，機(jī)械手前伸；機(jī)械手握住鉆桿，上提鉆桿，脫扣；機(jī)械手后退至待接鉆桿上方；下放鉆桿，入扣，必要時(shí)左右旋轉(zhuǎn)機(jī)械手對(duì)正；機(jī)械手松開(kāi)鉆桿；機(jī)械手后退。

④排立柱：立柱卸扣后，機(jī)械手前伸；機(jī)械手握住立柱；上提立柱，脫扣；機(jī)械手后退；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至合適位置；機(jī)械手前伸就位；下放立柱至落地；機(jī)械手松開(kāi)立柱；機(jī)械手后退。

⑤下立柱：立柱上端吊卡固定好后，機(jī)械手前伸；機(jī)械手握住立柱；上提立柱；機(jī)械手后退；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至合適位置；機(jī)械手前伸至井口；下放立柱，入扣，可左右旋轉(zhuǎn)機(jī)器人對(duì)正；機(jī)械手松開(kāi)立柱；機(jī)械手后退。

⑥排鉆鋌：鉆鋌卸扣后，機(jī)械手前伸；機(jī)械手握住鉆鋌；上提鉆鋌，脫扣；機(jī)械手后退；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至合適位置；機(jī)械手前伸；機(jī)械手松開(kāi)鉆鋌；下放鉆鋌就位；機(jī)械手后退。

⑦方鉆桿進(jìn)大鼠洞：方鉆桿卸扣后，機(jī)械手前伸；機(jī)械手握住方鉆桿；上提方鉆桿，脫扣；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至對(duì)正大鼠洞；機(jī)械手前伸至大鼠洞；下放方鉆桿進(jìn)大鼠洞；機(jī)械手松開(kāi)方鉆桿；機(jī)械手后退。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

①配用電源：380V 50Hz，三相四線(xiàn)；

②電源功率：≯5kW；

③鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)扭矩： ≮5000Nm；

④鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂作業(yè)面半徑：≮3750mm；

⑤設(shè)備底座用螺栓固定于兩鉆桿盒子之間；

⑥機(jī)械手在液壓缸的控制下進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)合，可完成對(duì)鉆具的夾持、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；

⑦機(jī)械手最大握力：≮1000N；

⑧技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：Q/DYRA001—2012。

3.2 外觀結(jié)構(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)功能需求，鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂主要由底座、伸縮臂、液壓油缸、控制閥組等部件組成。底座固定于鉆臺(tái)面上，利用螺栓固定于兩鉆桿盒子之間。

4 鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鉆臺(tái)輔助機(jī)械臂經(jīng)過(guò)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試，圓滿(mǎn)完成了各項(xiàng)功能的應(yīng)用。該裝置的應(yīng)用替代了部分人工作業(yè)，使鉆臺(tái)操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，減輕了內(nèi)外鉗工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了井口作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。