多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置設計研究

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(1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206； 2.油氣鉆井技術國家工程實驗室，北京 102206)①

在石油鉆井過程中，管柱處理是一項重要工作，勞動強度大，安全性差。據國際鉆井承包商(IADC)統(tǒng)計，鉆井過程中80%左右的事故發(fā)生在管柱處理過程中[1]。在管柱處理過程中，管柱的上下鉆臺是其中最費時、費力且風險較高的工作之一。常規(guī)的動力貓道僅針對特定鉆機的鉆臺高度而設計，無法滿足多種不同類型鉆臺的需求，而且自動化程度低。目前，國內油田鉆修井現場所用的自動化管柱上下鉆臺裝置類型多，通用性差，對設備的維護、維修成本高。有相當數量的舊鉆機沒有配備自動化上下鉆臺裝置，亟需進行改造，而現有的自動化上下鉆臺設備都是針對某一特定鉆機設計，改造難度大、周期長、費用高。工廠化作業(yè)是一種效率高、占地面積小、成本低的綜合鉆完井技術，已在美國頁巖氣開發(fā)等取得了良好成效[2]，不同級別鉆機共用一套自動化上下鉆臺裝置是其必然要求。為此，設計了一種新型多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置，可適用于多種不同高度和類型的鉆臺，其自重和所移運管柱的重力施加給自身底座而非鉆臺面。采用模塊化可折疊設計，搬家移運方便快捷。

1 地面管柱自動上下鉆臺裝置現狀

目前在用的地面管柱自動上下鉆臺裝置有固定式動力貓道、平行連桿式動力貓道、拉升式動力貓道、翻轉式動力貓道、齒輪齒條式動力貓道等類型[3-8]，這些上下鉆臺裝置可將鉆桿、鉆鋌和套管等鉆井管柱由地面?zhèn)魉偷姐@臺設定位置或由鉆臺輸送到地面管架上，地面僅需1人操作。這些裝置明顯降低了工人的勞動強度，提高了鉆柱上下鉆臺的安全性和工作效率。

1) 固定式動力貓道。這種自動化上下鉆臺裝置結構簡單，造價低，操作簡便，但對鉆具接頭的磨損嚴重，而且一般適用于低鉆臺鉆機或修井機，應用局限性較大。

2) 平行連桿式動力貓道。這是一種國內外常用的上下鉆臺裝置，其結構根據前后連桿的驅動液缸情況可分為單驅動式和雙驅動式兩類，如圖1所示。輸送鉆具的連桿在整個作業(yè)過程僅靠前后2個連桿支撐，在開始起升、下降或突然停止時出現晃動，不僅會損壞設備，還易發(fā)生安全事故。

3) 拉升式動力貓道。這是另外一種常用的動力貓道，很多大型國際石油裝備公司的動力貓道采用這種型式，例如美國NOV、CARIG，國內的寶雞石油機械有限公司等。鉆具輸送梁一端通過支撐連桿連接貓道底座，另一端通過滾輪與坡道相連，如圖2所示。液壓絞車通過鋼絲繩帶動滾輪，使鉆具輸送梁沿坡道上下往復運動， 將鉆具在地面和鉆臺之間輸送。由于鋼絲繩的伸縮性大，且易磨損斷裂，需定期檢測更換。隨著HSE要求越來越嚴苛，此類動力貓道的應用受到很多限制[9]。

圖1 平行連桿式動力貓道原理

圖2 拉升式動力貓道原理

這些動力貓道均只適用于特定型號的鉆機或一定高度的鉆臺，無法滿足不同的鉆臺布局和鉆臺高度、不同的井口中心距離的鉆機，國內外主要廠家的動力貓道參數如表1所示。另外，傳統(tǒng)的動力貓道需要通過坡道與鉆臺連接，并將其自身重力和工作過程中鉆柱的重力一并施加給鉆臺。

2 多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置機械結構及工作原理

2.1 結構組成

多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置主要由可伸縮底座總成、第一輸送單元、第二輸送單元、支架總成、滑塊、動力管排架、吊裝大鉤及控制單元等組成，如圖3～4所示。其中，可伸縮底座安放在地面，第一輸送單元的一端通過銷軸耳板結構與底座相連，另一端通過銷軸耳板結構與第二輸送單元相連。第二輸送單元通過支架總成將自身重力和管柱重力傳遞給可伸縮底座。

表1 國內外主要廠家動力貓道參數對比

1—第二輸送單元；2—滑塊；3—第一輸送單元；4—起升液缸；5—動力管排架；6—控制單元；7—可伸縮底座；8—液壓提升絞車；9—支架總成；10—吊裝大鉤。

1—第二輸送單元；2—滑塊；3—第一輸送單元；4—起升液缸；5—動力管排架；6—控制單元；7—可伸縮底座；8—液壓提升絞車；9—支架總成；10—吊裝大鉤。

底座采用可伸縮設計，安裝支架總成的部分在搬家移運時可縮回。底座配備了起升液缸，在工作過程中可將第一輸送單元起升或下放?？刂茊卧O置在底座的端部。可伸縮底座上分別設置2個前后移動的液缸和2個左右移動的液缸，以適應不同的鉆臺。

第一輸送單元和第二輸送單元采用耳板銷軸相連，可折疊設計，便于快速搬運安裝，2臺輸送單元之間還設置調節(jié)液缸，用于調節(jié)管柱到達鉆臺面時的角度。2臺輸送單元均配備了液壓防墜落銷，以保證鉆具在輸送過程中的安全[10]。

常規(guī)的滑塊采用的是電機帶動鋼絲繩驅動[11]。多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置的推動滑塊安裝在輸送單元中間的V形槽中，采用液壓馬達帶動鏈輪鏈條的驅動方式。

第二輸送單元有保護鉆具接頭的滑塊，可隨接頭在其V型槽中移運。另外，還設有液壓小絞車、滑輪和提升大鉤，可安全高效地在地面和鉆臺之間傳送各種鉆臺和井下工具，例如套管鉗、穩(wěn)定器、短接和鉆頭等工具。

動力管排架放置在底座的兩側，用于排放和輸送鉆具。

2.2 工作原理

起升前，多適應性管柱自動化上下鉆臺裝置處于停放狀態(tài)，如圖3所示。工作狀態(tài)如圖4，動力管排架端部的液缸將其頂起，使其傾斜一定角度。排放在動力管排架上的鉆具在重力作用下滑進第一輸送單元的V型槽中。底座上的起升液缸將第一輸送單元抬起，兩輸送單元之間的調節(jié)液缸收回，調節(jié)它們之間的相對角度至近乎在一條直線上，以減小鉆具的輸送阻力。然后，液壓馬達驅動鏈條帶動滑塊運動，推動鉆具向前滑動。隨著滑塊的運動，鉆具的前端接頭逐漸進入第二輸送單元并沿第二輸送單元的V型槽繼續(xù)前進，滑塊將鉆具的后端接頭推入第二輸送單元后繼續(xù)向前推，直至將鉆具送至鉆臺面上的特定位置，交給動力吊卡后完成整個起升工作。然后，底座上的起升液缸收回，同時調節(jié)液缸伸出，整個裝置回到初始停放位置。

甩鉆具過程是起升過程的逆過程，需要注意的是第一輸送單元的起升液缸收回要平穩(wěn)，防止速度過快而撞擊底座，發(fā)生事故。

2.3 其他輔助功能

多適應性自動化上下鉆臺裝置還具有以下輔助功能：

1) 集成了吊裝大鉤。位于第二輸送單元內部的液壓絞車通過鋼絲繩驅動吊裝大鉤運動，可在地面和鉆臺之間搬運套管鉗、井下動力鉆具、各種短節(jié)等工具設備，無需另配鉆臺升降機。

2) 配備有微調步行裝置，可微調裝置與鉆臺之間的位置。

3) 配備防干涉系統(tǒng)，避免設備在工作過程中各部件發(fā)生干涉。

4) 無線便攜式控制手柄便利靈活，既可遠程操作，又可在司鉆室內操作，另外還可在發(fā)生故障時一鍵切換為手動操作。

3 主要結構設計

3.1 可折疊輸送單元

常規(guī)的動力貓道一般由貓道本體和坡道組成，且貓道本體和坡道是分離的，坡道與底座相連，移運安裝不便。多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置的第一輸送單元和第二輸送單元通過耳板相連，可折疊后搬家安裝，如圖5所示。另外，底座采用內外方管嵌套結構，在移運過程中可將連接支架總成的底座部分收回，此時底座與2個輸送單元的長度相近，可組成一個運輸橇。

1—第一輸送單元；2—第二輸送單元；3—調節(jié)液缸；4—可伸縮底座。

3.2 鏈條傳動滑塊

傳統(tǒng)的動力貓道通常采用電機帶動鋼絲繩驅動滑塊，由于現場工作環(huán)境惡劣，鋼絲繩易磨損斷裂，需定期更換，嚴重影響作業(yè)效率，增加作業(yè)成本。

多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置推動鉆具運動的滑塊采用液壓馬達驅動鏈條傳動的型式，如圖6。鏈傳動無彈性滑動和打滑現象，平均傳動比準確，工作可靠，效率高[12]。另外，鏈條傳動比較大，可遠距離傳動，傳遞功率大，過載能力強，能在高溫、潮濕、多塵、有油污等惡劣環(huán)境中工作，適宜輸送鉆具。

滑塊通過螺栓與鏈節(jié)相連，隨鏈條一起運動，其結構如圖7所示。管柱進入滑塊后，液壓馬達驅動鏈條向前運動，連桿向前進入V型塊下部圓管中，夾爪逐漸打開，在夾爪打開到最大位置后，滑塊即被推動并在輸送單元的V型槽中運動，直至完成管柱上鉆臺作業(yè)。甩管柱時，管柱進入輸送單元的V型槽中，其接箍與滑塊接觸?；瑝K上設置了緩沖彈簧，防止管柱沖擊對滑塊和鏈條造成破壞。液壓馬達驅動鏈條向后運動，連桿向后退出V型塊下部圓管，夾爪逐漸關閉，在夾爪關閉到最小位置并夾緊管柱接箍后，滑塊即被拉動在輸送單元的V型槽中運動，直至完成甩管柱作業(yè)。

1—主動輪；2—滑塊；3—鏈條；4—從動輪；5—鏈條張緊裝置。

圖7 滑塊結構

3.3 上下鉆臺裝置主體結構計算

運用有限元軟件對裝置進行計算，得到工作狀態(tài)下等效應力和變形情況(如圖8)。整個結構的最大等效應力為100 MPa，發(fā)生在第一輸送單元和第二輸送單元之間的調整液缸處，除此之外的等效應力均低于10 MPa，材料的屈服強度為235 MPa，安全系數為2.35，結構滿足強度要求。整個結構的最大變形為40 mm，發(fā)生在第一輸送單元中前部，除此之外的其他位置位移均在1 mm以內，滿足結構剛度要求。

圖8 工作狀態(tài)下主體結構的等效應力和變形情況

分析停放狀態(tài)下等效應力和變形情況，如圖9所示。

圖9 停放狀態(tài)下主體結構的等效應力和變形情況

由圖9可知，整個結構的最大等效應力為57.4 MPa，發(fā)生在支撐架與底座連接處，材料的屈服強度為235 MPa，結構安全系數為4.1，滿足強度要求。整個結構的最大位移僅為0.546 mm，發(fā)生在第二輸送單元中部，滿足結構剛度要求。

4 結語

多適用性管柱自動化上下鉆臺裝置可以滿足不同高度、不同布局鉆臺的要求，可減輕工人的勞動強度，提高安全性。其自動化程度高，操作簡便且適用性強，結構安全可靠。該裝置對于上下鉆臺設備的標準化、舊鉆機的自動化改造和工廠化作業(yè)時同一區(qū)塊相鄰作業(yè)鉆機共用都有重要意義，具有廣闊的應用前景。