適用于在役陸地鉆機(jī)的自動(dòng)化立根排放系統(tǒng)

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(1.三一集團(tuán)有限公司 湖南分公司，長沙 410100；2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣分公司，成都 610017；3.東營市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢檢所，山東 東營 257000)

在鉆井起下鉆作業(yè)過程中，需要將鉆桿立根由井口中心移送至二層臺(tái)指梁間區(qū)域或從二層臺(tái)指梁間區(qū)域移送至井口中心。傳統(tǒng)作業(yè)方式是由一名井架工站在二層臺(tái)的猴臺(tái)上，伸手到井口中心位置將立根接到游車上的吊卡內(nèi)或從吊卡內(nèi)取出，同時(shí)還需要不斷地在指梁間與井口中心之間移動(dòng)鉆桿立根[1]。這一作業(yè)過程存在以下問題：整個(gè)作業(yè)過程動(dòng)作重復(fù)性高，工作枯燥乏味，長時(shí)間工作時(shí)效率低；鉆井作業(yè)多為野外作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且經(jīng)常深夜施工，井架工容易產(chǎn)生疲勞，從而操作失誤，導(dǎo)致安全事故；井架工長時(shí)間在高空作業(yè)，有極大的安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)；新一代石油工人不愿意從事此類高風(fēng)險(xiǎn)且勞動(dòng)強(qiáng)度大的工種，鉆采行業(yè)面臨愈來愈嚴(yán)重的用工難局面[2-3]。

鉆井設(shè)備屬于高價(jià)值的固定資產(chǎn)，更新?lián)Q代較慢。如何針對(duì)相當(dāng)數(shù)量的在役陸地鉆機(jī)，提出適宜的自動(dòng)化改造方案，降低鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升鉆井效率，是一個(gè)值得深入研究的課題[4]。

1 自動(dòng)化立根排放系統(tǒng)總體方案

1.1 方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)化立根排放裝置由二層臺(tái)扶管機(jī)械手、鉆臺(tái)面提管機(jī)械手、司鉆集成控制系統(tǒng)等三部分組成。裝置采用“上扶下提”的方式[5]，以防爆伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，由PLC 控制[6]，實(shí)現(xiàn)在起下鉆和立根排放等作業(yè)過程中對(duì)鉆柱的扶持、提升、下放和平移等動(dòng)作的自動(dòng)控制，替代了井架工和鉆臺(tái)內(nèi)外鉗工，減少了作業(yè)人數(shù)，簡化了起下鉆作業(yè)流程，提高了作業(yè)安全性。

為了滿足在役陸地鉆機(jī)自動(dòng)化改造的要求，二層臺(tái)扶管機(jī)械手的總質(zhì)量比普通二層臺(tái)的增加不超過10%，與鉆機(jī)原有二層臺(tái)具有互換性；鉆臺(tái)面提管機(jī)械手在能夠滿足提升鉆鋌的前提下，占用鉆臺(tái)的面積盡可能小。

1.2 工作原理

本文提出的自動(dòng)化立根排放裝置的工作流程為：起鉆時(shí)，頂驅(qū)帶著液壓吊卡從井口提起鉆柱，到達(dá)指定高度后停止。然后，鉆臺(tái)面提管機(jī)械手伸展至井口，抓住鉆柱的下部。同時(shí)，二層臺(tái)扶管機(jī)械手也伸展至井口，環(huán)持鉆柱的上部。接著，鉆臺(tái)面提管機(jī)械手將鉆柱提升一段距離，使鉆柱上部接箍與液壓吊卡脫離。然后，打開液壓吊卡的活門。接下來，上、下機(jī)械手同步動(dòng)作，臂架收攏，回轉(zhuǎn)，平移，到達(dá)預(yù)定指梁，將鉆柱移動(dòng)至目標(biāo)位置。鉆臺(tái)面機(jī)械手向下移動(dòng)，將鉆柱擺放在立根盒上。最后，上、下機(jī)械手同時(shí)動(dòng)作，釋放鉆柱，回到待機(jī)位置。下鉆時(shí)，工作流程與上述相反。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

二層臺(tái)容量 180柱?127 mm(5英寸)鉆桿

4柱?177.8 mm(7英寸)鉆鋌

4柱?228.6 mm(9英寸)鉆鋌

最大處理管柱質(zhì)量 10 t

操作半徑 ≥2 600 mm

工作電壓 380 V

系統(tǒng)功率 20 kW

1.4 技術(shù)分析

1.4.1二層臺(tái)扶管機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二層臺(tái)扶管機(jī)械手由二層臺(tái)和機(jī)械手兩大部分組成，如圖1所示。其中，二層臺(tái)包括二層臺(tái)框架、指梁、舌臺(tái)、欄桿和維修架，并設(shè)置有鉆鋌鎖、指梁鎖等安全機(jī)構(gòu)；機(jī)械手安裝在二層臺(tái)猴臺(tái)的軌道中，由防爆伺服電機(jī)控制機(jī)械手平移、回轉(zhuǎn)、伸展，以及抓手開合。抓手可張大縮小以適應(yīng)不同外徑的鉆具。二層臺(tái)扶管機(jī)械手與普通二層臺(tái)大工操作模式具有互換性，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械手各部件可手動(dòng)調(diào)整姿勢和開合抓手，方便快速恢復(fù)至人工作業(yè)模式。此外，在維修架內(nèi)可對(duì)機(jī)械手進(jìn)行維修。

由于二層臺(tái)扶管機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、扶管操作方式，結(jié)構(gòu)輕巧，總體質(zhì)量比普通二層臺(tái)增加不多，確保了井架強(qiáng)度安全。

1—二層臺(tái)框架；2—欄桿；3—指梁；4—維修架；5—指梁鎖；6—鉆鋌鎖；7—扶管機(jī)械手。

1.4.2鉆臺(tái)面提管機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆臺(tái)面提管機(jī)械手主要由底座、臂架和抓手組件組成，如圖2所示。底座固定在立根盒對(duì)稱中心線上，靠近井口的一側(cè)，用于安裝臂架和抓手。機(jī)械臂采用的是折疊連桿結(jié)構(gòu)，能夠收攏伸展，以底座為中心進(jìn)行回轉(zhuǎn)，帶著抓手移動(dòng)。抓手組件包含扶持抓手和夾取抓手。夾取抓手布置在下方，可在垂直方向上下移動(dòng)，用于提升或下放鉆柱。在抓手下方設(shè)置用于支撐抓手組件的萬向滾輪[7]，目的是將鉆柱的自重通過萬向滾輪傳遞至鉆臺(tái)面，減小臂架承受的載荷，從而實(shí)現(xiàn)臂架結(jié)構(gòu)小巧緊湊。

鉆臺(tái)面提管機(jī)械手的最小回轉(zhuǎn)半徑為600 mm，最大操作半徑為3 100 mm。

1—底座；2—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3—轉(zhuǎn)臺(tái)；4—折疊臂架；5—扶持抓手；6—抓手固定臂；7—抓手伸縮臂；8—夾持抓手；9—萬向滾輪。

1.4.3司鉆集成控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由中央控制單元和伺服控制單元組成，操作界面如圖3所示。伺服控制單元包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩部分；伺服控制具有優(yōu)異穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性和對(duì)負(fù)載變化自適應(yīng)能力[8]，可以消除機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中因機(jī)械負(fù)載的慣量大范圍變化所帶來的不良影響。通過司鉆房內(nèi)操作，自動(dòng)化立根排放裝置能完成自動(dòng)(或手動(dòng))起下鉆作業(yè)，將立根從立根盒(指梁)內(nèi)精確往返移運(yùn)到井眼中心。

圖3 自動(dòng)化立根排放系統(tǒng)操作界面

2 技術(shù)特點(diǎn)

1) 與國內(nèi)外懸持式管柱自動(dòng)排放裝置相比，本文提出的自動(dòng)化立根排放裝置采用“上扶下提”式結(jié)構(gòu)，將鉆柱重力的受力點(diǎn)從二層臺(tái)轉(zhuǎn)移到了底座上，減輕了二層臺(tái)負(fù)載對(duì)井架的影響，可廣泛應(yīng)用于陸地和海洋新造鉆機(jī)和在役鉆機(jī)自動(dòng)化改造。

2) 在二層臺(tái)上預(yù)設(shè)了人工作業(yè)模式，系統(tǒng)包括翻轉(zhuǎn)式舌臺(tái)，能夠自動(dòng)操作和人工操作的鉆鋌鎖和指梁鎖等，可滿足緊急情況下快速切換到人工作業(yè)模式的需求。

3) 鉆臺(tái)面提管機(jī)械手采用隨動(dòng)支撐臂結(jié)構(gòu)，簡化了承載結(jié)構(gòu)，占用鉆臺(tái)面的空間小，適用于舊鉆機(jī)的改造。

4) 階段式一鍵操作?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)置了幾個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行至關(guān)鍵位置點(diǎn)后，司鉆在確定相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)后，點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，設(shè)備將自動(dòng)執(zhí)行下一流程的動(dòng)作。在兼顧安全的前提下，大幅提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度，降低了司鉆操作的難度。

5) 二層臺(tái)扶管機(jī)械手和鉆臺(tái)面提管機(jī)械手聯(lián)合作業(yè)，能夠簡化起、下鉆的流程，兩者同步動(dòng)作，直接將立柱移動(dòng)到指定位置。原人工操作，二層臺(tái)和鉆臺(tái)面的操作存在先后順序，此裝置的二層臺(tái)扶管機(jī)械手和鉆臺(tái)面提管機(jī)械手可并行作業(yè)，大幅提高了起下鉆的效率。

6) 二層臺(tái)扶管機(jī)械手和鉆臺(tái)面提管機(jī)械手均采用防爆伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作精準(zhǔn)、響應(yīng)速度快、同步性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)管柱精確、平穩(wěn)排放。系統(tǒng)功率小，節(jié)能環(huán)保，避免了液壓系統(tǒng)固有的“跑冒滴漏”的頑疾[9]。

7) 系統(tǒng)功率小，節(jié)能環(huán)保。傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)的管柱排放系統(tǒng)的功率大約為50 kW[10]，而本系統(tǒng)的功率僅為20 kW。

3 結(jié)論

本文提出的自動(dòng)化立根排放裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過司鉆房集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)扶管機(jī)械手和鉆臺(tái)面提管機(jī)械手同步作業(yè)，簡化了起下鉆的作業(yè)流程，能夠自動(dòng)完成抓取、移動(dòng)和排放鉆柱的作業(yè)，替代了井架工和鉆臺(tái)內(nèi)外鉗工，減少了危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人數(shù)，提高了鉆井效率。此外，輕量化的二層臺(tái)扶管機(jī)械手和占地面積小的鉆臺(tái)面提管機(jī)械手特別適用于在役陸地鉆機(jī)的自動(dòng)化改造。