貓道機(jī)結(jié)構(gòu)及功能分析

崔海朋

（青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東青島 266061）

0 引言

目前修井機(jī)中管柱從井場(chǎng)場(chǎng)地上下鉆臺(tái)面的方式是需要三四個(gè)場(chǎng)地工配合使用氣葫蘆把管柱順著斜坡道提升到鉆臺(tái)面的傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，上下管柱一直是風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、占用人工多的施工過程。

近年來，隨著中國(guó)石油和天然氣總公司對(duì)鉆井安全生產(chǎn)要求的不斷提高，自動(dòng)化程度的不斷提高，管柱處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制已成為一種趨勢(shì)，在這種情況下貓道機(jī)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)管柱處理自動(dòng)化。因此，建立一套管柱自動(dòng)化處理的貓道機(jī)已成為鉆井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主要設(shè)備。

1 貓道機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)比

從我國(guó)石油鉆機(jī)裝備制造情況來看，生產(chǎn)成套石油鉆機(jī)、鉆機(jī)控制裝備、海洋鉆井平臺(tái)或水下生產(chǎn)系統(tǒng)等具有較大影響和規(guī)模制造能力的企業(yè)相對(duì)較少。目前整套鉆機(jī)或修井機(jī)廠家很少，只有極少數(shù)大型制造商正在大力發(fā)展，但貓道機(jī)都沒有體現(xiàn)在所生產(chǎn)的系列產(chǎn)品中，關(guān)于貓道機(jī)的研制都在前期調(diào)研準(zhǔn)備階段[1]。

國(guó)外對(duì)石油鉆機(jī)的自動(dòng)化裝備研究已經(jīng)比較成熟，大部分石油鉆機(jī)都已經(jīng)配套相應(yīng)的自動(dòng)化和機(jī)械化裝置，國(guó)際上比較有代表性的國(guó)家有美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、挪威、加拿大等。美國(guó)的National Oil Well Varco公司是世界上最早研究開發(fā)鉆柱自動(dòng)化操作技術(shù)的廠家之一。目前Varco公司的管柱自動(dòng)化操作系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)模塊化和系列化，能夠滿足陸地和海洋不同類型鉆機(jī)的需求。挪威Aker Kvaerner公司從1980年開始為陸地和海洋石油鉆機(jī)提供鉆井管柱自動(dòng)排放和管柱處理裝置，目前發(fā)展為多種類型的管柱處理裝置，且技術(shù)水平先進(jìn)，自動(dòng)化程度高[2]。這些鉆機(jī)都具有的共同特點(diǎn)是：普遍采用井口自動(dòng)化系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)和輔助配套自動(dòng)化裝置，通過工業(yè)計(jì)算機(jī)控制和記錄鉆井作業(yè)的全過程，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制井口的起下鉆、上卸扣和排管整套鉆機(jī)的機(jī)械化操作。

國(guó)外對(duì)石油鉆機(jī)智能控制裝備的使用非常普及，具有自動(dòng)化程度高、作業(yè)效率高、作業(yè)安全性高等特點(diǎn)，引領(lǐng)著國(guó)際石油鉆機(jī)的發(fā)展方向。目前西方發(fā)達(dá)國(guó)際的鉆機(jī)發(fā)展正在從陸地鉆機(jī)向海洋鉆機(jī)移動(dòng)，海上鉆井市場(chǎng)已成為全球鉆井工業(yè)的重要部分。國(guó)外的海洋鉆井平臺(tái)將向高可靠性、自動(dòng)化、多功能化以及深水領(lǐng)域方向發(fā)展。

2 結(jié)構(gòu)分析

貓道機(jī)主要包括下底板組、底座組、底座-管架挑管組、滑動(dòng)臂支撐腿組、滑動(dòng)臂組、滑動(dòng)臂翻管組、滑動(dòng)車組、坡道組、動(dòng)力管架組，如圖1、2所示。

圖1 貓道機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖2 貓道機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

下底板組在設(shè)備中起到連接上下部件的作用，在下底板下方裝有限制設(shè)備前后移動(dòng)的限位塊。

底座組安裝在下底板上方，與下底板進(jìn)行焊接，底座組共包括兩個(gè)底座，這兩個(gè)底座成左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。每個(gè)底座分為上底座蓋和下底座兩個(gè)部分，在每個(gè)底座上裝有滑動(dòng)臂支撐腿滑動(dòng)導(dǎo)軌，對(duì)滑動(dòng)臂支撐腿組滑動(dòng)起到導(dǎo)向支撐作用，并保證滑動(dòng)臂在滑動(dòng)時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。另外在滑動(dòng)導(dǎo)軌前端裝有兩組彈簧減震裝置，此裝置是為減輕滑動(dòng)臂支撐腿組與限位塊之間的撞擊效果[3]。

底座-管架挑管組安裝在底座組-下底座上，再由上底座蓋將其整體蓋住。底座-管架挑管組由旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸、挑爪、帶座軸承及油缸組成。底座-管架挑管組作用是將管柱從動(dòng)力管架移送至滑動(dòng)臂上，保證在移送不同規(guī)格的管柱時(shí)無需進(jìn)行部件替換。油缸作為動(dòng)力源，通過連接塊將油缸輸出力傳遞到旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸上，帶動(dòng)挑爪進(jìn)行管柱移送。

滑動(dòng)臂支撐腿組安裝在滑動(dòng)臂下后方，與滑動(dòng)臂采用銷軸連接方式?；瑒?dòng)臂支撐腿組起到對(duì)整個(gè)滑動(dòng)臂支撐的作用，并保證滑動(dòng)臂能夠安全、正確、穩(wěn)定的滑動(dòng)?；瑒?dòng)臂支撐腿組結(jié)構(gòu)主要包括支撐腿本體及支撐輪組部分，支撐輪組包括4個(gè)縱向支撐輪及4個(gè)側(cè)導(dǎo)向輪，限制滑動(dòng)臂支撐腿組在上、下、左、右4個(gè)方向上的移動(dòng)，保證支撐輪組在底座導(dǎo)軌中正確、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。

滑動(dòng)臂組與滑動(dòng)臂支撐腿組之間采用銷軸連接?；瑒?dòng)臂組主要包括滑動(dòng)臂本體、后支撐輪組、前支撐輪組、滑動(dòng)車軌道?；瑒?dòng)臂本體是整個(gè)滑動(dòng)臂組的支撐框架，滑動(dòng)臂本體上表面采用V型槽結(jié)構(gòu)，保證管柱在滑動(dòng)臂內(nèi)能夠很好的放置，保證管柱在滑動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的安全性。后支撐輪安裝在滑動(dòng)臂后端，是在底座導(dǎo)軌的上表面上運(yùn)動(dòng)，在后支撐輪組未脫離軌道前起到支撐滑動(dòng)臂的作用。前支撐輪組安裝在滑動(dòng)臂前端，當(dāng)設(shè)備不使用或工作回到初始位置時(shí)對(duì)滑動(dòng)臂起到支撐作用，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行工作時(shí)在坡道-滑動(dòng)臂軌道上運(yùn)動(dòng)，保證滑動(dòng)臂組能夠穩(wěn)定的向上運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)臂-滑動(dòng)車軌道在滑動(dòng)車前后運(yùn)動(dòng)時(shí)起到導(dǎo)向作用，保證滑動(dòng)車按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)[4]。

滑動(dòng)臂翻管組安裝在滑動(dòng)臂內(nèi)部，在甩管柱時(shí)負(fù)責(zé)將管柱從滑動(dòng)臂上移送到動(dòng)力管架上，滑動(dòng)臂翻管組主要包括左翻翻管組和右翻翻管組，其中每個(gè)翻板組包括兩個(gè)同步滑動(dòng)臂翻板。

滑動(dòng)車組放置在滑動(dòng)臂上方，負(fù)責(zé)管柱的上下移送工作。滑動(dòng)車組主要包括滑動(dòng)車本體、支撐輪組、管柱鎖定裝置?；瑒?dòng)車本體是滑動(dòng)車組的主要框架。支撐輪組包括4個(gè)縱向支撐輪及4個(gè)側(cè)導(dǎo)向輪，限制了滑動(dòng)車組在上、下、左、右4個(gè)方向上的移動(dòng)，保證了滑動(dòng)車組在滑動(dòng)臂導(dǎo)軌中正確、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。管柱鎖定裝置是為了保證在滑動(dòng)車上下移動(dòng)時(shí)管柱能夠完全的與滑動(dòng)車一起下滑，通過油缸輸出力的作用使前端卡爪卡住管柱，與滑動(dòng)臂一起移動(dòng)。

坡道組安裝在底座前端，與底座之間銷軸連接，坡道設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)折疊式結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)備在運(yùn)輸時(shí)可將坡道完全折疊放置在底座上，當(dāng)設(shè)備安裝使用時(shí)再將坡道打開繼續(xù)安裝。坡道組主要包括坡道本體和支撐導(dǎo)向輪組兩部分。在坡道本體上有坡道-滑動(dòng)臂軌道，負(fù)責(zé)滑動(dòng)臂前端支撐輪組的導(dǎo)向支撐作用。在滑動(dòng)臂沿著坡道向上運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)滑動(dòng)臂前端支撐輪組脫離坡道支撐軌道時(shí)，坡道支撐導(dǎo)向輪組與滑動(dòng)臂下軌道接觸，滑動(dòng)臂沿著坡道支撐導(dǎo)向輪組繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，起到支撐導(dǎo)向的作用[5]。

動(dòng)力管架組的作用是將管柱自動(dòng)排放的裝置，管架前端底座連接處可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)折疊效果，當(dāng)管架不用時(shí)可回收至底座附近不會(huì)影響設(shè)備的整體占用空間。動(dòng)力管架組安裝在底座的左右兩側(cè)，動(dòng)力管架組共分為左、右兩組動(dòng)力管架，每組有3個(gè)管架，即本設(shè)備共有6個(gè)管架。當(dāng)?shù)孛娌黄秸麜r(shí)管架可自行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)管架受力方向始終保持豎直。管架連接塊用于連接管架本體和底座，實(shí)現(xiàn)管架與設(shè)備本體合為一體。

3 功能分析

（1）可適應(yīng)不同規(guī)格、不同長(zhǎng)度的管柱自動(dòng)移送、自動(dòng)排放。貓道機(jī)可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格和長(zhǎng)度的管柱的自動(dòng)移送、自動(dòng)排放。在底座上有3個(gè)挑爪結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)從4.7～10.5 m不同長(zhǎng)度管柱的自動(dòng)移送。

（2）可實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的管柱均能自動(dòng)準(zhǔn)確的送至井口位置。通過編碼器和接近開關(guān)作用，當(dāng)管柱前端接觸到接近開關(guān)時(shí)，由于接近開開關(guān)距離井口位置是一個(gè)定值，那么通過編碼器控制可實(shí)現(xiàn)管柱精確的到達(dá)井口位置。

（3）管柱自動(dòng)長(zhǎng)度測(cè)量及數(shù)據(jù)輸出。通過編碼器及接近開關(guān)收取信號(hào)進(jìn)行管柱長(zhǎng)度計(jì)算，在計(jì)算管柱長(zhǎng)度時(shí)可在設(shè)備的顯示屏上手動(dòng)輸入公扣的長(zhǎng)度，通過控制器內(nèi)部計(jì)算可得出管柱最終連接在一起的長(zhǎng)度，并且可將管柱相關(guān)參數(shù)輸出。

（4）貓道機(jī)“一鍵送鉆”?！耙绘I送鉆”按鈕可分為兩種功能：在送鉆時(shí)，此按鈕的功能是將管柱從動(dòng)力管架上直接送至井口位置；在甩鉆時(shí)，此按鈕的功能是將設(shè)備從甩鉆最終狀態(tài)恢復(fù)至甩鉆初始狀態(tài)。

（5）貓道機(jī)“一鍵甩鉆”。“一鍵甩鉆”按鈕可分為兩種功能：在送鉆時(shí)，此按鈕的功能是將設(shè)備從送鉆最終狀態(tài)恢復(fù)至送鉆初始狀態(tài)；在甩鉆時(shí)，此按鈕的功能是將管柱從鉆臺(tái)面上送至動(dòng)力管架上[6]。

4 結(jié)論

該貓道機(jī)實(shí)現(xiàn)了管柱在場(chǎng)地與鉆臺(tái)面之間的自動(dòng)搬運(yùn)和自動(dòng)排放，操作方式為遙控器操作，并具備接口方便與司鉆房集成控制系統(tǒng)連接，配視覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)貓道機(jī)在司控室進(jìn)行控制操作。是提高作業(yè)效率，增強(qiáng)安全作業(yè)，減少鉆工人員，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低建井周期和成本和實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化作業(yè)模式的關(guān)鍵所在。