自動化液壓貓道的設(shè)計(jì)研究

胡小剛，陳 德，杜瑞穎，張志敏，張 杰，章迎春

（渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘 062550）

0 引言

目前國內(nèi)石油鉆井過程中，上、下鉆具仍以氣動絞車使用鋼絲繩拉、拽的方式為主，需要3～4 名工人配合，鉆具易發(fā)生碰撞損壞，安全隱患多。國外先進(jìn)鉆機(jī)大多配有自動化貓道，其中以德國本泰克、美國Canrig 等公司為代表，技術(shù)先進(jìn)可靠。但國外設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都比較大，不符合我國對運(yùn)輸尺寸的要求。我國鉆機(jī)主要有2 大特點(diǎn)：鉆臺面高，4 000 m 鉆機(jī)通常在7.5 m，5 000 m 鉆機(jī)在9 m，7 000 m 鉆機(jī)為10.5 m，井口與大門坡道之間的距離比較遠(yuǎn)。形成上述特點(diǎn)的原因在于將鉆機(jī)的立根盒梁設(shè)計(jì)在井架的正前方，鉆具必須穿過排放立根的立根盒才能到達(dá)井口，因此需要結(jié)合國內(nèi)鉆機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行研究，以滿足國內(nèi)及國際高端市場對自動化貓道的需求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渤海石油裝備制造有限公司研制了一種自動化液壓貓道，集機(jī)械、電氣、液壓于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)將鉆桿、套管在地面與鉆機(jī)鉆臺之間進(jìn)行送上或運(yùn)下。主要由平跑道、斜跑道、運(yùn)移桿、支架、電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等幾大部分組成，主體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1 平跑道

平跑道是整個(gè)系統(tǒng)的基座，是運(yùn)移桿及支架在翻起前的軌道支撐，安放有液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)，將輸送物送入運(yùn)移桿及將輸出物送出。主要由平臺、軌道、物料進(jìn)出機(jī)構(gòu)等組成，斜跑道與平跑道在端部鉸接，如圖2。

1.2 斜跑道

圖1 自動化貓道

圖2 平跑道

斜跑道部分由坡道、滑輪裝置及液壓絞車等組成。其一端與平跑道鉸接，另一端與鉆臺連接。斜跑道的作用是作為運(yùn)移桿前輪的軌道，在背面接近底端安裝液壓絞車。

1.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要包括軟啟動器、工業(yè)無線遙控器、PLC 控制系統(tǒng)、動力電纜、控制電纜等幾個(gè)部分。通過軟啟動器驅(qū)動55 kW 的電動機(jī)帶動液壓泵，使系統(tǒng)壓力保持在15 MPa 左右，為系統(tǒng)各油缸提供動力。具有遙控器控制和電控箱本體就地控制兩種操作方式。

1.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由液壓源、液壓閥組、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（搖臂油缸、撥翻油缸、擋舌油缸等）、液壓管路（硬管與軟管）、附件組成。

液壓源的作用是為液壓貓道提供液壓動力，包括油箱、油泵、電機(jī)、閥塊、電器控制等元器件。液壓源采用2 級泵，即1 臺電機(jī)驅(qū)動2 個(gè)泵工作(柱塞泵和齒輪泵)。正常工作時(shí)，柱塞泵主要為主、副絞車提供液壓動力，從而實(shí)現(xiàn)液壓貓道的起升及鉆桿的推進(jìn)。齒輪泵主要為起升油缸、擋舌油缸及撥翻油缸提供動力，能快速實(shí)現(xiàn)鉆桿至液壓貓道的裝卸。

液壓貓道中的液壓管路部分主要是由軟管和硬管兩部分組成，其中泵的進(jìn)出油、過濾器的進(jìn)出油、閥塊的進(jìn)出油、油缸的進(jìn)出油以及主、副絞車的進(jìn)出油都是通過軟管方式連接，其特點(diǎn)為可以防止因電機(jī)工作時(shí)的震動而使得接頭松動，方便拆卸及更換。另外閥塊進(jìn)出油至油缸進(jìn)出油的中間距離是通過硬管連接，特點(diǎn)為整齊，無需拆卸。液壓管線采用軟硬管結(jié)合的方式使得液壓油路易檢修，易更換。

液壓源設(shè)有獨(dú)立的風(fēng)冷裝置，對液壓油進(jìn)行冷卻。該風(fēng)冷裝置通過溫控器來控制，當(dāng)油溫高于設(shè)定值上限，風(fēng)冷電機(jī)自動啟動，油溫低于設(shè)定值下限時(shí)停止。

1.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

搖臂機(jī)構(gòu)（物料進(jìn)出機(jī)構(gòu)）：主要作用是將鉆桿從低位起升至高位或從高位降至低位。

擋舌：主要作用是鉆桿傾翻或起升至鉆機(jī)平臺時(shí)防止鉆桿慣性或人為誤操作而使得鉆桿翻出運(yùn)移槽。

撥翻（翻管裝置）：主要作用是將鉆桿翻出運(yùn)移槽至搖臂機(jī)構(gòu)，通過搖臂機(jī)構(gòu)將鉆桿從高位降至低位。

2 技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動形式：55 kW 電機(jī)驅(qū)動，運(yùn)送鉆具的長度8～11 m，運(yùn)送鉆具的最大直徑500 mm，運(yùn)送鉆具的最大重量3 000 kg，運(yùn)送單根鉆具的時(shí)間70～120 s，根據(jù)40、50、70、90 鉆機(jī)的不同做成系列化貓道。

3 產(chǎn)品特點(diǎn)

上下鉆臺面不需要人工操作，安全性高。上下鉆臺面不需要其他輔助設(shè)備，操作簡單。一人即可完成操作，較常規(guī)方式減人2～3 人。液壓驅(qū)動，PLC 控制，自動聯(lián)鎖，平穩(wěn)可靠。不需要對井臺作特別的改動。在井臺面上裝有機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，防止運(yùn)移桿沖出井臺面的過沖危險(xiǎn)。在緊急情況下，自動液壓貓道可作為貓道使用。

4 結(jié)語

自動化液壓貓道能夠大大降低鉆井過程中拆卸鉆具的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少現(xiàn)場操作人員，符合各大鉆探公司的實(shí)際需求，隨著中油油服等企業(yè)“四化建設(shè)”的實(shí)施，機(jī)械化、自動化裝備將逐步推廣，傳統(tǒng)鉆機(jī)的貓道逐步被自動化貓道取代已成為發(fā)展的必然趨勢。