MZJ6型鉆機(jī)動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置研制

魏柳興，包文濤，任　行，牛永超，馬進(jìn)生

(1.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)有限公司，河南 南陽(yáng) 473006；2.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100028)

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MZJ6型鉆機(jī)動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置研制

魏柳興1，包文濤2，任行1，牛永超2，馬進(jìn)生1

(1.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)有限公司，河南 南陽(yáng) 473006；2.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100028)

煤層氣車(chē)裝鉆機(jī)的動(dòng)力水龍頭的鉆桿連接方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大及生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置。該滑車(chē)裝置利用鼠洞位置進(jìn)行垂直鉆桿連接，采用液壓反饋控制技術(shù)，大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鉆進(jìn)效率，滿足了國(guó)內(nèi)外用戶對(duì)煤層氣鉆機(jī)使用性能不斷提高的要求。

車(chē)裝鉆機(jī)；動(dòng)力水龍頭 ；滑車(chē)裝置

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，煤層氣鉆機(jī)技術(shù)在不斷向前發(fā)展。從國(guó)外使用情況來(lái)看，動(dòng)力水龍頭式單根車(chē)裝鉆機(jī)以其鉆進(jìn)效率高、整體搬家方便等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代煤層氣鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。該類(lèi)型鉆機(jī)主要將動(dòng)力水龍頭與滑車(chē)設(shè)計(jì)成一體，目前水龍頭與鉆桿連接方式主要有2種：

1)連接鉆桿時(shí)水龍頭下降到一定高度，并且傾斜一定角度，與地面上吊起的鉆桿連接，這種連接方式需要2～3人輔助，傾斜式連接使得對(duì)接時(shí)間較長(zhǎng)，作業(yè)效率比較低。

2)連接鉆桿時(shí)鉆桿通過(guò)吊裝裝置在1～2人協(xié)助下將鉆桿吊至水龍頭下方，通過(guò)動(dòng)力水龍頭旋轉(zhuǎn)與鉆桿對(duì)接，這種方式屬于鉆桿高位連接，安全系數(shù)不高，且這種方式對(duì)水龍頭的卸扣轉(zhuǎn)矩要求高，增加動(dòng)力水龍頭成本。

隨著鉆機(jī)人性化設(shè)計(jì)程度的提高，國(guó)內(nèi)外用戶對(duì)車(chē)裝鉆機(jī)使用性能同步提高[1-4]，現(xiàn)有的鉆桿連接方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代鉆井工藝的要求。因此，針對(duì)MZJ6型煤層氣單根鉆機(jī)設(shè)計(jì)一種動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置，該裝置能夠?yàn)閯?dòng)力水龍頭提供一種低勞動(dòng)強(qiáng)度、高鉆進(jìn)效率的鉆桿連接方式。

1　設(shè)計(jì)思路

該滑車(chē)裝置以動(dòng)力水龍頭在鼠洞處連接鉆桿為對(duì)象，對(duì)其各個(gè)動(dòng)作及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證滿足動(dòng)力水龍頭正常鉆井作業(yè)前提下，使其具備在鉆臺(tái)鼠洞處連接鉆桿功能。該裝置連接架與動(dòng)力水龍頭連接為一體，鉆井作業(yè)時(shí)，雙向伸縮液壓缸處于伸出狀態(tài)，動(dòng)力水龍頭隨滑車(chē)主體沿導(dǎo)軌進(jìn)行鉆井作業(yè)。待鉆完一根單根鉆桿后，動(dòng)力水龍頭通過(guò)滑車(chē)提升到一定位置，雙向伸縮液缸縮回，旋轉(zhuǎn)液缸將動(dòng)力水龍頭推至備有待連接鉆桿的鼠洞位置，水龍頭與鼠洞中鉆桿進(jìn)行連接。完成鉆桿連接后，滑車(chē)將動(dòng)力水龍頭提升到可旋轉(zhuǎn)高度，旋轉(zhuǎn)液壓缸縮回，動(dòng)力水龍頭回到井口位置。雙向伸縮液壓缸伸出，動(dòng)力水龍頭與滑車(chē)主體固定，動(dòng)力水龍頭繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)工作。液壓控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化反饋控制，提高了控制效率和安全性。該滑車(chē)裝置使動(dòng)力水龍頭與鉆桿連接時(shí)不需要傾斜一定角度，而且還可以使用液壓大鉗，大幅提高了鉆桿連接效率。

2　結(jié)構(gòu)

2.1總體結(jié)構(gòu)

動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置結(jié)構(gòu)如圖1，主要零部件包括動(dòng)力水龍頭連接架、滑車(chē)主體、導(dǎo)軌、提升銷(xiāo)子、旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸、鎖緊銷(xiāo)軸、雙向液壓缸、旋轉(zhuǎn)液壓缸等。該動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置安裝到井架前腿內(nèi)側(cè)的導(dǎo)軌上，鉆機(jī)作業(yè)是沿導(dǎo)軌方向上下運(yùn)動(dòng)。

1—?jiǎng)恿λ堫^連接架；2—滑車(chē)主體；3—導(dǎo)軌；4—鉆進(jìn)下拉銷(xiāo)軸；5—旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸；6—?jiǎng)恿λ堫^；7—井架。

1—旋轉(zhuǎn)液壓缸；2—提升銷(xiāo)軸；3—鎖緊銷(xiāo)軸；4—雙向伸縮液壓缸；5—?jiǎng)恿λ堫^；6—限位裝置； 7—井架。

1—導(dǎo)向滑輪；2—內(nèi)側(cè)導(dǎo)向滑輪；3—?jiǎng)恿λ堫^。

2.2動(dòng)力水龍頭連接架

動(dòng)力水龍頭連接架為動(dòng)力水龍頭的連接主體，主要由板材焊接而成。該連接架一端與滑車(chē)主體鉸接，另一端配有雙向伸縮液壓缸裝置，在鉆井時(shí)實(shí)現(xiàn)連接架與滑車(chē)主體固定，在連接鉆桿時(shí)實(shí)現(xiàn)連接架與滑車(chē)主體分開(kāi)。連接架轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)計(jì)為以鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)點(diǎn)，動(dòng)力水龍頭中心在井口和鼠洞線路進(jìn)行往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 連接架上配有可調(diào)節(jié)定位裝置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力水龍頭井口和鼠洞位置的定位。

2.3滑車(chē)主體

滑車(chē)主體包括提升耳板、下壓耳板、導(dǎo)向滑輪、內(nèi)側(cè)導(dǎo)向滑輪等零部件。本體采用板材和型鋼焊接而成，并配有動(dòng)力水龍頭連接架鉸接座和固定座?；?chē)主體通過(guò)導(dǎo)向滑輪和內(nèi)側(cè)導(dǎo)向滑輪卡于導(dǎo)軌上，保證動(dòng)力水龍頭在井口位置穩(wěn)定進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。提升耳板設(shè)置于滑車(chē)主體上端，實(shí)現(xiàn)滑車(chē)裝置提升。下壓耳板設(shè)置于滑車(chē)主體下端，為鉆機(jī)鉆井作業(yè)提供鉆壓?；?chē)主體配置的導(dǎo)向滑輪和內(nèi)側(cè)導(dǎo)向滑輪結(jié)構(gòu)為降低摩擦力結(jié)構(gòu)，提高了滑車(chē)的使用壽命。

2.4導(dǎo)軌

為了使結(jié)構(gòu)緊湊，滑車(chē)主體導(dǎo)軌選擇在井架前腿內(nèi)側(cè)，這樣鉆桿連接裝置的外形尺寸將比較小，質(zhì)量較輕。導(dǎo)軌為滑車(chē)裝置提供上下運(yùn)動(dòng)路徑。本體采用方管結(jié)構(gòu)，在其下端設(shè)置有限位裝置，增加滑車(chē)使用的安全性能。

2.5液壓控制及反饋系統(tǒng)

滑車(chē)裝置液壓控制及反饋系統(tǒng)原理如圖2所示。通過(guò)圖2中的三位四通閥來(lái)控制旋轉(zhuǎn)液缸及雙向鎖緊液缸的動(dòng)作。為了保證滑車(chē)使用安全可靠，在液壓系統(tǒng)中增加了旋轉(zhuǎn)液壓缸及雙向液壓缸反饋系統(tǒng)。工作時(shí)，在雙向缸上鎖緊銷(xiāo)軸縮回到位時(shí)便會(huì)頂住肘閥，當(dāng)兩個(gè)鎖緊銷(xiāo)軸同時(shí)到位時(shí)，旋轉(zhuǎn)液缸控制閥主油路開(kāi)通，控制閥方能有效控制。肘閥有一路氣通往司鉆箱氣壓表，司鉆可以隨時(shí)看到鎖緊銷(xiāo)軸的工作狀態(tài)?？刂菩D(zhuǎn)液壓缸推動(dòng)水龍頭連接架旋轉(zhuǎn)到鼠洞位置時(shí)，肘閥便會(huì)被頂住，此時(shí)司鉆箱上的氣壓表便會(huì)顯示動(dòng)力水龍頭旋轉(zhuǎn)到鼠洞位置。增加的這套反饋裝置使整套系統(tǒng)自動(dòng)化及安全性能更高，司鉆可以通過(guò)司鉆箱上的氣壓表隨時(shí)監(jiān)測(cè)雙向液壓缸和旋轉(zhuǎn)液壓缸的工作狀態(tài)。

1—兩位三通氣控閥；2—三位四通換向閥；3—液壓表；4—液壓泵；5—濾油器；6—溢流閥；7—旋轉(zhuǎn)液壓缸；8—肘閥；9—?dú)鈮罕恚?0—雙向鎖緊液壓缸；11—雙向閥。

2.6主要部件強(qiáng)度計(jì)算

采用有限元軟件建立模型，施加最大載荷90 kN，校核連接座及滑車(chē)主體的強(qiáng)度。圖3為連接座體有限元計(jì)算的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為106 MPa，小于材料的許用應(yīng)力345.0 MPa[5]，計(jì)算得其安全系數(shù)為3.25，符合API要求的鉆機(jī)提升系統(tǒng)的安全系數(shù)大于3的規(guī)定。

圖3　動(dòng)力水龍頭連接架有限元計(jì)算應(yīng)力云圖

圖4為滑車(chē)主體有限元計(jì)算的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為64 MPa，滑車(chē)主體采用的主要材料為Q345B，計(jì)算得其安全系數(shù)為4.6，符合API要求的鉆機(jī)提升系統(tǒng)的安全系數(shù)大于3的規(guī)定。由于鉆井時(shí)存在較為復(fù)雜的工況條件，所以設(shè)計(jì)的安全余量較大。

圖4　滑車(chē)主體有限元計(jì)算應(yīng)力云圖

3　工作原理

為了保證安全性，動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝入導(dǎo)軌后，使用前必須將圖1中導(dǎo)軌下端限位裝置裝上。煤層氣鉆機(jī)上配備有提升裝置，控制提升裝置使動(dòng)力水龍頭滑車(chē)能到達(dá)工作行程內(nèi)的任何一個(gè)高度。滑車(chē)上配備的旋轉(zhuǎn)液壓缸控制動(dòng)力水龍頭連接架的旋轉(zhuǎn)，配備的伸縮液壓缸控制鎖緊銷(xiāo)軸的伸出和縮回，在動(dòng)力水龍頭連接架上設(shè)計(jì)有可調(diào)節(jié)性定位裝置，調(diào)節(jié)定位裝置保證動(dòng)力水龍頭連接架回轉(zhuǎn)到位后鎖緊銷(xiāo)軸與滑車(chē)主體上連接座孔的同軸性。

煤層氣鉆機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力水龍頭滑車(chē)工作步驟如下：

1)在提升裝置的控制下，動(dòng)力水龍頭滑車(chē)下降到合適高度，控制雙向液壓缸縮回鎖緊銷(xiāo)軸。

2)控制旋轉(zhuǎn)液壓缸將動(dòng)力水龍頭連接架由井口中心旋轉(zhuǎn)到鼠洞位置，動(dòng)力水龍頭與鼠洞備好的鉆桿連接，液壓大鉗上緊。

3)控制提升裝置使動(dòng)力水龍頭滑車(chē)上升到合適高度，旋轉(zhuǎn)液壓缸縮回，使動(dòng)力水龍頭及鉆桿由鼠洞位置回到井口中心，控制雙向液壓缸伸出鎖緊銷(xiāo)軸。

4)動(dòng)力水龍頭滑車(chē)下降，水龍頭上的鉆桿與已鉆進(jìn)的鉆桿連接后，在鉆進(jìn)下拉裝置的助動(dòng)下繼續(xù)鉆機(jī)工作，鉆入連接好的鉆桿后，動(dòng)力水龍頭滑車(chē)?yán)^續(xù)循環(huán)上述動(dòng)作，進(jìn)行鉆桿的連接和鉆進(jìn)。

4　技術(shù)參數(shù)

最大提升載荷

90 kN

動(dòng)力水龍頭最大轉(zhuǎn)矩

5 kN·m

滑車(chē)工作行程

10 m

動(dòng)力水龍頭架旋轉(zhuǎn)角度

0～ 90°

液壓缸工作壓力

14 MPa

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)

1 134 mm×680 mm×1 178 mm

5　創(chuàng)新技術(shù)

1)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力水龍頭在鼠洞與鉆桿的低位垂直連接，方便液壓大鉗的應(yīng)用，使鉆桿連接效率大幅提高。

2)旋轉(zhuǎn)液壓缸、雙向伸縮液壓缸配合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力水龍頭連接架從井口中心到鼠洞位置連接鉆桿，再?gòu)氖蠖次恢没氐骄谥行倪M(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)所需要的鎖緊和旋轉(zhuǎn)的一系列動(dòng)作，顯示出了人性化設(shè)計(jì)。

3)滑車(chē)主體采用了雙向滾輪導(dǎo)向功能，即沿導(dǎo)軌前后側(cè)滾輪導(dǎo)向，及沿導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)滾輪導(dǎo)向，保證了動(dòng)力水龍頭運(yùn)行平穩(wěn)，提高滑車(chē)的使用壽命。

4)增加了鎖緊銷(xiāo)軸和旋轉(zhuǎn)液缸的反饋裝置，實(shí)現(xiàn)了司鉆對(duì)鎖緊液缸及旋轉(zhuǎn)液缸工作狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，使滑車(chē)使用時(shí)更安全、準(zhǔn)確。

5)連接座體具有調(diào)節(jié)定位裝置，保證了水龍頭連接架旋轉(zhuǎn)到位后鎖緊銷(xiāo)軸順利穿上。

6　試驗(yàn)及應(yīng)用

在MZJ6型煤層氣鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，按照試驗(yàn)規(guī)程通過(guò)動(dòng)力水龍頭對(duì)單根鉆桿連接裝置做90 kN的載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)順利通過(guò)，達(dá)到預(yù)期使用要求。

該裝置于近幾年配備到國(guó)內(nèi)及出口的600～1 500 m的煤層氣鉆機(jī)上，得到用戶認(rèn)可，認(rèn)為該動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置使用效果良好，雙向液壓缸和旋轉(zhuǎn)液壓缸反應(yīng)靈活，動(dòng)力水龍頭旋轉(zhuǎn)到鼠洞位置準(zhǔn)確。在連接鉆桿和鉆井作業(yè)中，滑車(chē)上設(shè)計(jì)鼠洞鉆桿連接方案及采用自動(dòng)化反饋控制系統(tǒng)，節(jié)省了鉆桿的連接時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鉆進(jìn)效率及工作安全性。

7　結(jié)語(yǔ)

MZJ6型煤層氣鉆機(jī)動(dòng)力水龍頭滑車(chē)裝置采用鼠洞位置垂直鉆桿連接方式及液壓反饋控制方法，達(dá)到了降低勞動(dòng)強(qiáng)度及提高鉆進(jìn)效率的目的。該裝置以其低位垂直鉆桿連接技術(shù)、雙向?qū)蚧啘p摩擦結(jié)構(gòu)、使用壽命高等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外用戶的青睞。隨著國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)采力度加大，煤層氣鉆機(jī)需求量將日益增多，該動(dòng)力水龍頭滑車(chē)將有很好的市場(chǎng)前景。本項(xiàng)目已獲得實(shí)用新型專(zhuān)利及發(fā)明專(zhuān)利，實(shí)用新型專(zhuān)利號(hào)為：201020516438.2；發(fā)明專(zhuān)利號(hào)為：201010271767.X。

[1]陳如恒.破除舊觀念 創(chuàng)造新鉆機(jī)(四)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(6)：1-5.

[2]陳如恒.破除舊觀念 創(chuàng)造新鉆機(jī)(五)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(7)：1-10.

[3]劉欽祥，張勇，劉永勤，等.ZXJ30XZK型鉆機(jī)的開(kāi)發(fā)研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36(7)：75-77.

[4]李文藝，楊延娟，王志忠，等.車(chē)裝鉆機(jī)套管臺(tái)的研制與應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38(6)：83-84.

[5]方昆凡，黃英.機(jī)械工程材料實(shí)用手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，1995.

Development of MZJ6 Drilling Rig Power Swivel Pulley

WEI Liuxing1，BAO Wentao2，REN Hang1，NIU Yongchao2，MA Jingsheng1

(1.RG Petro-machinery(Group)Co.，Ltd.，Nanyang 473006，China；2.China Petroleum Technology & Development Corporation，Beijing 100028，China)

Aiming at the problem that the drill pipe connecting of coal movable drilling rig’s power swivel arose more working force and low efficiency.A pulley of power swivel was designed to settle the problem.By connecting drill pipe in mousehole and hydraulic feedback controlling，the pulley of power swivel improve drilling efficiency and reduce working force.It meets for the requirements of well drilling rig to the domestic and the overseas users.

movable rig；power swivel；pulley

1001-3482(2016)05-0079-04

2015-11-25

河南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)“智能化斜直井關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”(141100210700)

魏柳興(1983-)，男，工程師，廣東汕頭人，2006年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事石油鉆井設(shè)備的技術(shù)研制，Email：laoweiliuxing@163.com。

TE923

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.018