立柱式鉆桿自動運移系統(tǒng)與方案設(shè)計

王寶杰 尹曉麗 曹惠 劉志斌 張文科 張世奇

摘 要：傳統(tǒng)鉆桿運移主要通過絞車拖曳提升和人工連接的方式完成鉆桿上下鉆臺任務(wù)，該方式不僅運移穩(wěn)定性差、效率低，且工人勞動強度高，人身風險大。基于此，針對陸地鉆機開發(fā)設(shè)計了一套立柱式鉆桿自動運移系統(tǒng)，將極大減少工人數(shù)量，提高作業(yè)安全性。

關(guān)鍵詞：立柱式；鉆桿運移；陸地鉆機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.052

鉆機在工作過程中鉆桿需要在鉆臺、排放架之間完成往復的運移、連接、排放等操作。傳統(tǒng)的工作過程需要3-5名鉆工協(xié)同工作，通過鋼絲繩提拉與人工導向?qū)崿F(xiàn)鉆桿的運移，整個過程工人直接接觸鉆桿，勞動強度高，人身風險大，且運移穩(wěn)定性差，易對鉆桿造成損傷[1]。目前，油田開發(fā)處于中后期，鉆進深度逐步增加，作業(yè)所需要鉆桿數(shù)量也隨之增加，且作業(yè)效率要求較高，因此實現(xiàn)鉆桿上下鉆臺時能夠完成自動運移、連接、拆卸等工作，對于提高鉆井效率變得尤為重要。

開展鉆桿自動運移系統(tǒng)的研究順應(yīng)了鉆井設(shè)備朝自動化方向發(fā)展的態(tài)勢。本文就是在這種情況下撰寫出來的，其主要目標就是針對ZJ70D鉆機設(shè)計一套鉆桿自動運移系統(tǒng)，為陸地鉆機鉆桿自動運移提供可行的方案參考。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，美國的Varco公司和挪威的Aker Kvaerner MH公司在鉆桿自動運移研究領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。Varco公司對鉆桿自動排放系統(tǒng)和鉆桿自動運移系統(tǒng)的研究已趨于成熟，其產(chǎn)品適用于大多數(shù)鉆機的管子排放系統(tǒng)。Aker Kvaerner MH 公司主要針對管子運移系統(tǒng)和處理裝置進行研發(fā)[2-3]。鉆井工業(yè)界一直在研究新型鉆井機械化設(shè)備嘗試改進鉆井程序，具有代表性的是德國超深孔鉆進股份有限公司的高度自動化的TUB-1型鉆機，其自主創(chuàng)新的移擺管子系統(tǒng)所具有的高度自動化特征是未來管子處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[4]。

以上鉆桿自動運移系統(tǒng)主要針對環(huán)境惡劣的海洋鉆井，陸地鉆井的鉆桿自動運移系統(tǒng)的研究較少。

國內(nèi)陸地鉆機鉆桿上下鉆臺主要有三種方式，一是采用電動或氣動絞車，二是利用吊車，三是采用動力貓道。采用電動或氣動絞車在輸送鉆桿時穩(wěn)定性低、效率低，易對鉆桿桿體和接箍造成損傷；利用吊車輸送鉆桿占用場地大、費用高、穩(wěn)定性亦差；采用動力貓道輸送鉆桿是目前國內(nèi)的主流傳送方式，其中中石化工程機械有限公司、青島杰瑞、南陽二機等都對動力貓道和鉆桿自動運移裝置展開過研究，目前已投入現(xiàn)場實際應(yīng)用，但沒有實現(xiàn)鉆桿傳送的全自動化操作，仍依賴于人工操作或部分自動化傳送，不能完全滿足現(xiàn)代陸地鉆機自動化鉆井的需求。

2 立柱式鉆桿運移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

立柱式鉆桿運移系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成，整體安裝在井場前區(qū)位置如圖1所示。輸送系統(tǒng)擔任鉆桿的輸送和翻轉(zhuǎn)任務(wù)，主要由底座、輸送機和承重臂組成。舉升系統(tǒng)擔任鉆桿的舉升和平移任務(wù)，主要由桅桿、行走齒條和兩組機械臂組成。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)擔任鉆桿的平轉(zhuǎn)任務(wù)，主要由基座和旋轉(zhuǎn)液壓盤組成。

立柱式鉆桿運移系統(tǒng)主要用于鉆井作業(yè)時鉆桿、鉆鋌、石油套管等細長桿件從地面排放架到鉆臺的自動化運移，為方便運輸，立柱式鉆桿運移裝置的底座采用一體化設(shè)計，如圖2所示。輸送機固定連接在基座上，距地面1-1.2m，可滿足多數(shù)鉆桿排放架的使用。

輸送鉆桿時，杠桿式勾爪勾取排放架上的鉆桿，在橡膠滾筒的滾動作用下將鉆桿輸送至承重臂上，通過液壓驅(qū)動承重臂翻轉(zhuǎn)從而改變鉆桿姿態(tài)，當鉆桿垂直于地面時，舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)依次啟動，將鉆桿運移至井口位置進行連接。

為保證承重臂翻轉(zhuǎn)靈活可靠，此處采用位移補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)承重臂在0-90°內(nèi)自由翻轉(zhuǎn)，當翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸長（收縮）至極限位置時，在電機的驅(qū)動下，翻轉(zhuǎn)液壓缸鉸鏈支座隨絲杠的轉(zhuǎn)動發(fā)生前后移動，使鉆桿在臥式與立式兩種姿態(tài)間往復切換，提高鉆桿的輸送效率和可靠性。

2.2 設(shè)計參數(shù)及特點

立柱式鉆桿運移系統(tǒng)適用于ZJ70D型電動鉆機，最大鉆深能力為5000-7000m，井架高度為45m，鉆臺高度為10.5m。為滿足鉆機鉆探需求，該系統(tǒng)采用電動和液壓驅(qū)動兩種傳動方式實現(xiàn)鉆桿運移，設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3 立柱式鉆桿運移系統(tǒng)工作流程

3.1 鉆桿上臺過程

鉆桿上臺工作流程如圖3所示。

首先，勾取鉆桿至輸送機，輸送機將鉆桿輸送至承重臂適當位置，固定機械手和翻轉(zhuǎn)機械手夾持鉆桿桿體，翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸出，帶動承重臂以轉(zhuǎn)動連接部分為中心向上轉(zhuǎn)動，電機驅(qū)動絲杠使翻轉(zhuǎn)液壓缸整體向前運動，直至承重臂（鉆桿）與地面垂直。

其次，舉升系統(tǒng)的上、下兩機械臂運動至適當位置，機械手抓取鉆桿，行走馬達啟動，帶動上、下兩機械臂沿行走齒條垂直起升，至鉆桿下端面距鉆臺20-30cm高度時，舉升任務(wù)結(jié)束。

最后，旋轉(zhuǎn)液壓盤啟動，帶動桅桿以轉(zhuǎn)動連接部分為中心順（或逆）時針旋轉(zhuǎn)90°，將鉆桿從桅桿外側(cè)轉(zhuǎn)動至桅桿內(nèi)側(cè)；舉升液壓缸活塞桿收縮，水平液壓缸活塞桿伸長，將鉆桿以垂直鉆臺姿態(tài)水平運移至井口位置，調(diào)整鉆桿與井口之間位置，鉆桿連接裝置啟動，進行鉆桿連接，鉆桿上臺過程完成。

3.2 鉆桿下臺過程

鉆桿下臺工作流程如圖4所示。

首先，機械手夾持鉆桿，舉升液壓缸活塞桿伸長，水平液壓缸活塞桿收縮，將鉆桿以垂直鉆臺姿態(tài)水平運移至桅桿內(nèi)側(cè)；旋轉(zhuǎn)液壓盤啟動，帶動桅桿以轉(zhuǎn)動連接部分為中心順（或逆）時針旋轉(zhuǎn)90°，將鉆桿轉(zhuǎn)動至桅桿外側(cè)。

其次，行走馬達啟動，帶動上、下機械臂沿行走齒條垂直下降至適當位置，該過程進行的同時承重臂已起升至預(yù)定位置，即承重臂處于垂直狀態(tài)，水平液壓缸活塞桿伸長將鉆桿水平運移至固定機械手和翻轉(zhuǎn)機械手手心位置，并夾持鉆桿。

最后，翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿收縮，電機驅(qū)動絲杠帶動翻轉(zhuǎn)液壓缸向后運動，使承重臂以轉(zhuǎn)動連接部分為中心轉(zhuǎn)動至水平位置，輸送機啟動將鉆桿輸送至適當位置，勾取鉆桿至排放架上，鉆桿下臺過程完成。

4 桅桿的結(jié)構(gòu)力學分析

通過對桅桿的受力分析可知，當兩組機械臂的主臂（長6m）水平時桅桿受力最大，即桅桿受到的壓彎組合載荷值最大。若機械手此時夾持的鉆具為11〃鉆鋌（476.2kg·m-1）且桅桿能夠正常承載，宏觀上不發(fā)生變形，則說明該桅桿能承載其他管狀類鉆具。桅桿受力狀態(tài)簡圖如圖5所示。

鉆鋌長度按9.45m計算，受力分析可知M=F·L=（476.2×9.45×9.8）6= 264.6 kN/m，由平衡方程：

（1）

解得F1=F3=11kN。兩組機械臂自重210kg，則F2=F4=210×9.8+476.2×9.45×9.8=46.2kN。由此桅桿各截面的彎矩和軸力圖如圖6所示。

由可知危險截面為B截面，其中FN max=-46.2kN（壓力），Mmax=-127.5kN/m（逆時針）。桅桿整體采用熔渣焊焊接而成，且焊后需熱處理，提高其強度和后續(xù)加工精度，橫截面如圖7所示，其中橫截面積A=0.033m2，抗彎截面系數(shù)Wy=1.72×10-3m3。

所以：

（2）

（3）

解得，MP，則，強度條件滿足。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的立柱式鉆桿自動運移系統(tǒng)是針對ZJ70D鉆機的配套設(shè)備，該設(shè)備操作方便，結(jié)構(gòu)可靠，可實現(xiàn)鉆桿上下鉆臺的自動化操作，不僅降低了勞動強度，延長鉆桿使用壽命，而且極大地提高了鉆井效率和安全性。

參考文獻：

[1]李寧，李林，李千山.深井鉆機鉆桿自動傳送裝置載重臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械制造與自動化，2018，47（01）：213-217.

[2]尹曉麗.ZJ70DHY鉆機鉆桿自動連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].青島：中國石油大學（華東），2010：3.

[3]白丙建，譚剛強，欒蘇等.陸地鉆機鉆桿自動化處理系統(tǒng)方案設(shè)

計[J].石油礦場機械，2014，43（02）：86-88.

[4]劉廣志譯.UTB-1型超深井鉆機推進了自動化的發(fā)展[J].維普資訊，23-27.

基金項目：校級大學生創(chuàng)新訓練項目（2017028）；

中國石油大學勝利學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助

作者簡介：王寶杰（1997-），男，山東臨沂人，本科，研究方向：材料成型及控制工程。