IRN-120型鐵鉆工的研制

郝山波

（上海中曼石油裝備有限公司，上海 201306）

0 引言

在修井和鉆井操作中，起、下鉆操作是高頻率工作，在起下鉆操作中操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性差，效率低。為了滿足海洋與陸地石油現(xiàn)代化鉆井技術(shù)的發(fā)展需要，改變鉆井起下鉆作業(yè)中傳統(tǒng)動(dòng)力大鉗上、卸扣作業(yè)的方式,適應(yīng)快速發(fā)展的鉆井需要，歐美國家先后研制出集旋、緊、卸螺紋鉗和扭矩鉗于一體的動(dòng)力鉗—鐵鉆工；鐵鉆工能夠代替操作工人完成鉆具的拆、卸，進(jìn)而降低事故的發(fā)生概率和提高鉆井的效率。目前，我國對(duì)鐵鉆工的研究還處于初級(jí)階段，只有少數(shù)企業(yè)研制出了集旋、緊、卸、上扣于一體的鐵鉆工，但是鐵鉆工的實(shí)際工程應(yīng)用不多。隨著石油鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是智能化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)鉆機(jī)市場(chǎng)對(duì)鐵鉆工的需求量逐漸增加，但是國外生產(chǎn)的鐵鉆工供貨周期長(zhǎng)，價(jià)格貴，這就限制了鐵鉆工在國內(nèi)的應(yīng)用和推廣[1-2]，進(jìn)而也限制了中曼集團(tuán)海外鉆井工程服務(wù)的發(fā)展。為了擺脫目前的這種困局，中曼集團(tuán)集中優(yōu)勢(shì)資源，經(jīng)過多年的研發(fā)終于成功研制了適用于88. 9～254.0 mm鉆具的IRN-120型鐵鉆工。

1 IRN-120型鐵鉆工結(jié)構(gòu)分析

IRN-120型鐵鉆工由工作鉗、伸縮臂架、回轉(zhuǎn)底座以及控制系統(tǒng)等組成；工作鉗包括旋扣鉗和沖扣鉗，伸縮臂架包括伸縮臂和連接體，回轉(zhuǎn)底座包括導(dǎo)軌和底座連接板，控制系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)[3]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IRN-120型鐵鉆工總布置圖Fig.1 GA of IRN-120 type iron roughneck

沖扣鉗是由液壓缸驅(qū)動(dòng)的沖扣工具，可以按照作業(yè)的要求沖緊扣或沖開扣，沖扣鉗的上、卸扣扭矩大小由沖扣鉗扭矩液壓缸的工作壓力控制，可根據(jù)不同的鉆具，設(shè)置不同的上、卸扣扭矩。旋扣鉗工作時(shí)，在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，摩擦輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆具快速旋上或松開鉆具接頭，旋扣鉗采用開式結(jié)構(gòu)，鉗口的大小由雙作用液壓缸的伸縮量控制；為了增大在豎直方向上鉆具的夾持范圍，旋扣鉗在液壓缸的作用下可以上、下移動(dòng)。伸縮臂可以根據(jù)鉆具接頭的位置進(jìn)行前后，高、低自動(dòng)校正操作。IRN-120型鐵鉆工可以一次性完成鉆具的上扣、卸扣工作，能在井口和小鼠洞兩者之間自由切換；既能實(shí)現(xiàn)對(duì)井口鉆具的自動(dòng)對(duì)中，完成上扣、卸工序，又可以實(shí)現(xiàn)在小鼠洞以最大10°前、后及左、右傾斜，完成鉆具的上扣、卸扣功能。

1.1 沖扣鉗

IRN-120型鐵鉆工沖扣鉗采用三點(diǎn)夾持結(jié)構(gòu)，主要由背鉗、夾緊鉗、鉗體架、軌道、連接臂、夾緊液壓缸、扭轉(zhuǎn)液壓缸、鉗牙座以及其他部件組成，沖扣鉗外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

背鉗和夾緊鉗結(jié)構(gòu)基本相同；背鉗、夾緊鉗中間設(shè)有圓弧形軌道，工作時(shí)背鉗夾緊下部鉆具不動(dòng)，夾緊鉗夾緊上部鉆具的同時(shí)可以繞背鉗轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆具的沖緊或沖開。夾緊液壓缸分別固定在夾緊鉗、背鉗殼體內(nèi)，鉗牙安裝在活塞桿前端的鉗頭上，鉗牙的結(jié)構(gòu)形式和材料直接決定了鉗牙的壽命，是鐵鉆工研發(fā)過程中的要點(diǎn)和難點(diǎn)；鉗牙在夾緊液壓缸的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)加緊鉆具的動(dòng)作；左、右扭轉(zhuǎn)液壓缸分別位于鉗體架的兩側(cè)，沖扣鉗通過兩側(cè)扭轉(zhuǎn)液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)夾緊鉗和背鉗的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。沖扣鉗的扭轉(zhuǎn)力矩的大小可以通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力來實(shí)現(xiàn)；連接臂連接沖扣鉗到伸縮臂上，連接臂可以繞連接軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，可以補(bǔ)償小鼠洞內(nèi)鉆桿可能的傾斜角度[4]。

1.2 旋扣鉗

圖2 沖扣鉗結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of torque wrench

旋扣鉗采用開放式結(jié)構(gòu)鉗體，由摩擦輪、液壓馬達(dá)、夾緊架（左、右對(duì)稱）、夾緊液壓缸、導(dǎo)軌架、升降液壓缸、升降架等部件組成，旋扣鉗外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。旋扣鉗的導(dǎo)軌架通過螺栓固定在沖扣鉗的鉗體架上；摩擦輪分別安裝在左右夾緊架的前段，液壓馬達(dá)安裝在夾緊架上部，通過傳動(dòng)軸與摩擦輪連接，帶動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)；夾緊液壓缸的兩端分別連接左、右兩邊的夾緊架。鉗口的大小由夾緊液壓缸的伸縮量控制，夾緊液壓缸是雙向液壓缸，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)夾緊的自動(dòng)對(duì)中。夾緊架通過升降架與升降液壓缸相連；不同規(guī)格的鉆具接頭尺寸也不相同，升降油缸可以帶動(dòng)旋扣鉗在豎直方向上、下移動(dòng)，選擇合適的夾持位置，進(jìn)而有效保護(hù)鉆具本體[5-6]。

旋扣鉗可以作為鉆具旋扣工具單獨(dú)使用，也可作為IRN-120型鐵鉆工的1個(gè)部件配合沖扣鉗共同完成鉆具的上扣、卸扣工序。當(dāng)上扣作業(yè)時(shí)，旋扣鉗首先帶動(dòng)鉆具快速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，然后夾緊鉗工作，將扣上緊。卸扣時(shí)夾緊鉗首先逆時(shí)針沖扣，然后旋扣鉗帶動(dòng)鉆具快速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，把鉆具接頭完全松開。旋扣鉗也以作為動(dòng)力大鉗配合套管鉗實(shí)現(xiàn)套管的旋扣功能。

1.3 伸縮臂

伸縮臂主要由伸縮臂Ⅰ段、伸縮臂液壓缸、伸縮臂Ⅱ段、伸縮臂Ⅲ段、伸縮臂Ⅳ段、伸縮臂Ⅴ段等組成，伸縮臂外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。旋扣鉗連接在伸縮臂Ⅴ段上；其主要功能是將IRN-120型鐵鉆工旋扣鉗、沖扣鉗移送到井口、小鼠洞并回到原來位置。

圖3 旋扣鉗結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of spinner wrench

圖4 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of telescopic arms

為了滿足鐵鉆工伸縮臂在伸縮的過程中前端鉗體保持水平運(yùn)動(dòng)的要求，伸縮臂Ⅱ段、伸縮臂Ⅲ段、伸縮臂Ⅳ段、伸縮臂Ⅴ段組成一組平行四邊形機(jī)構(gòu)相互約束聯(lián)動(dòng)，根據(jù)切貝謝夫-克魯伯規(guī)律,該機(jī)構(gòu)的自由度為1,因此只需要一組伸縮臂液壓缸，就可以完成伸縮動(dòng)作。在伸縮臂伸展運(yùn)動(dòng)過程中，沖扣鉗、旋扣鉗沿近視水平方向運(yùn)動(dòng)[7-10]。

1.4 連接體、導(dǎo)軌

連接體、導(dǎo)軌主要由回轉(zhuǎn)支承、連接體、導(dǎo)向輪、導(dǎo)軌、升降液壓缸、液壓馬達(dá)等組成，外形結(jié)構(gòu)如圖5所示?；剞D(zhuǎn)支承上部和導(dǎo)軌剛性連接，下部固定在鉆臺(tái)面上；回轉(zhuǎn)支承在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，可以在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。連接體套裝在導(dǎo)軌上，在升降液壓的作用下，連接體可以在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輪安裝在連接體上，在導(dǎo)軌的軌道上自由滾動(dòng)。

圖5 連接體、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure of telescopic arms

2 技術(shù)參數(shù)

IRN-120型鐵鉆工技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 IRN-120型鐵鉆工技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter of IRN-120 type iron roughneck

3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由集成液壓站、閥組、機(jī)構(gòu)執(zhí)行單元（液壓缸、液壓馬達(dá)）、過濾器以及液壓管件等組成。液壓系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)控制、整體升降控制、伸縮臂控制、旋扣鉗夾緊控制、旋扣鉗旋轉(zhuǎn)控制、旋扣鉗升降控制、沖扣鉗夾緊控制、扭轉(zhuǎn)液壓缸控制等部分組成。不同的控制閥組可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)馬達(dá)、整體升降液壓缸、伸縮臂液壓缸、旋扣鉗夾緊液壓缸、旋扣鉗旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、旋扣鉗升降液壓缸、沖扣鉗夾緊液壓缸、扭轉(zhuǎn)液壓缸等的控制。所有的控制閥塊都集成在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮鐵鉆工作業(yè)高溫工況，以保證設(shè)備安全性、可靠性為第一要?jiǎng)?wù)，采用國際知名的PLC控制單元及無線控制技術(shù)，系統(tǒng)具有2種控制模式：本地控制模式和無線遙控模式。操作者持無線操作盒，可在距離設(shè)備100米的范圍內(nèi)進(jìn)行有效遙控操作。往返井口和小鼠洞的工作可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操作；操作者可通過本地操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備機(jī)構(gòu)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”操作；2種控制模式可自由選擇，靈活方便。

5 試驗(yàn)情況

IRN-120型鐵鉆工于2016年8月生產(chǎn)出樣機(jī)，在工廠進(jìn)行各種試驗(yàn)后，發(fā)往鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用。1年多的實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，使用IRN-120型鐵鉆工后，鉆井起、下鉆作業(yè)中縮短了鉆臺(tái)面工人接、卸鉆具的工作時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，降低了人工成本。為了進(jìn)一步滿足操作者的需要，研發(fā)人員正在結(jié)合井場(chǎng)的反饋信息，對(duì)IRN-120型鐵鉆工鉗牙的結(jié)構(gòu)形式和熱處理工藝做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高鉗牙的使用壽命。

6 結(jié)論

（1）IRN-120型鐵鉆工經(jīng)過1年多的實(shí)際應(yīng)用，功能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)的工程需要；IRN-120型鐵鉆工的推廣將有助于提高鉆井作業(yè)的效率，減低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及促進(jìn)鉆機(jī)鉆臺(tái)面的自動(dòng)化、無人化操作。

（2）本文對(duì)IRN-120型鐵鉆工的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述，指出了設(shè)計(jì)過程中的要點(diǎn)和難點(diǎn)對(duì)將來鐵鉆工產(chǎn)品系列化起到借鑒作用。目前，根據(jù)中曼集團(tuán)國際工程公司的需要，設(shè)計(jì)人員正在開發(fā)適用于極地、低溫鉆機(jī)的鐵鉆工。

（3）IRN-120型鐵鉆工是智能化、自動(dòng)化陸地鉆機(jī)的重要設(shè)備之一，它的研制成功，可以帶動(dòng)鉆井智能化、自動(dòng)化升級(jí)換代，具有良好的社會(huì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。