GJ340-12H管柱檢測(cè)一體機(jī)的研制

韓亞洲， 張波， 魯鵬程， 王玉， 趙亮亮,2， 付華

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 7210022；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002）

0 引言

鉆井作業(yè)過程中鉆桿、鉆鋌、套管等管柱數(shù)量較多，上鉆臺(tái)之前需要進(jìn)行絲扣清洗、長(zhǎng)度測(cè)量統(tǒng)計(jì)等準(zhǔn)備工作。目前常規(guī)絲扣清洗是將管柱并排擺在排管架上由人工手持鋼刷清洗或者用蘸有煤油的棉紗擦洗，通徑檢測(cè)采用投入法，人工將標(biāo)準(zhǔn)通徑規(guī)從管柱一端投入，在管柱上鉆臺(tái)的過程中，通徑規(guī)從一端輸出則證明管柱通徑合格，長(zhǎng)度測(cè)量依靠?jī)扇耸褂娩摼沓哌M(jìn)行逐根測(cè)量，噴碼標(biāo)記依靠人工將編碼涂刷在管柱本體上，管柱的長(zhǎng)度及編碼等數(shù)據(jù)信息采用人工紙質(zhì)記錄。上述作業(yè)全部依靠不同崗位人員配合手工完成，工作零散單一且效率低，工人工作環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作質(zhì)量難以保證。

近年來，隨著鉆井市場(chǎng)對(duì)鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化和信息化需求的日益提高，以及貫徹以人為本的HSE 管理理念，對(duì)鉆機(jī)管柱自動(dòng)化設(shè)備的需求日益旺盛[1]。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司于2020 年開發(fā)研制了GJ340-12H 管柱檢測(cè)一體機(jī)，該自動(dòng)化設(shè)備集成化程度高，能完全替代人完成地面鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的絲扣清洗、通徑檢測(cè)、長(zhǎng)度測(cè)量、噴碼標(biāo)記、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)地面管柱處理的自動(dòng)化作業(yè)[2]。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案

GJ340-12H 管柱檢測(cè)一體機(jī)（如圖1）主要由定位移運(yùn)單元、絲扣清洗單元、通徑檢測(cè)及測(cè)長(zhǎng)單元、噴碼標(biāo)記及數(shù)顯單元、電氣液控制系統(tǒng)等部分組成。定位移運(yùn)單元包括基座、移動(dòng)導(dǎo)軌、定位V 槽、傾斜機(jī)構(gòu)及踢出機(jī)構(gòu)等，其作為管柱檢測(cè)一體機(jī)的安裝基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)管柱的定位及工位間移運(yùn)。絲扣清洗單元包括公扣清洗裝置、母扣清洗裝置、推移油缸和支撐座等，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格管柱公母絲扣的清洗，其中清洗方式有鋼刷刷洗和蒸汽清洗兩種，兩種機(jī)構(gòu)可互換安裝。通徑檢測(cè)及測(cè)長(zhǎng)單元包括通徑規(guī)、通氣裝置、推移油缸、位移傳感器和支撐座等，完成管柱的通徑檢測(cè)及長(zhǎng)度測(cè)量。噴碼標(biāo)記及數(shù)顯單元包括噴碼機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸線、顯示終端等，用于管體的噴碼和管柱長(zhǎng)度、數(shù)量等信息的顯示記錄。電氣液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體機(jī)的自動(dòng)控制。

圖1 GJ340-12H管柱檢測(cè)一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 定位移運(yùn)單元

管柱檢測(cè)一體機(jī)的安裝基座是定位移運(yùn)單元，兩端安裝有移動(dòng)導(dǎo)軌，其顯著特點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在長(zhǎng)度方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的管柱檢測(cè)，適應(yīng)性好。傾斜機(jī)構(gòu)位于初始待命位置，保證單次進(jìn)入一根管柱進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。V型定位槽完成管柱的位置確定，便于兩端執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)正。檢測(cè)完成后進(jìn)入下一工位時(shí)，踢出機(jī)構(gòu)完成管柱的轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.3 絲扣清洗單元

絲扣清洗單元是管柱檢測(cè)一體機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，分為母扣清洗子單元和公扣清洗子單元，布置在一體機(jī)的兩端，其顯著特點(diǎn)是管柱在V型定位槽定位后無需旋轉(zhuǎn)，只是兩端的子單元機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)兩端的子單元可沿導(dǎo)軌移動(dòng)，適應(yīng)不同長(zhǎng)度管柱的絲扣清洗作業(yè)，在高度方向也可進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同規(guī)格直徑的管柱[3]。公母絲扣清洗子單元兩端還安裝有推移機(jī)構(gòu)，在管柱定位后便于絲扣清洗單元與管柱兩端靠緊進(jìn)行清洗作業(yè)。絲扣清洗有兩種方式：一種是鋼刷刷洗。母扣清洗子單元和公扣清洗子單元結(jié)構(gòu)完全相同，都由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、固定連接盤、清洗刷等組成，只是清洗刷的安裝方向不同，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與固定連接盤通過鍵連接，清洗刷通過燕尾槽插裝在固定連接盤上，便于更換，在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的作用下，固定連接盤帶動(dòng)清洗刷一起旋轉(zhuǎn)，完成公母絲扣的清洗，該清洗方式的特點(diǎn)是可以調(diào)節(jié)固定連接盤，實(shí)現(xiàn)清洗刷布置的變徑，利于清洗不同規(guī)格的管柱，對(duì)固態(tài)雜質(zhì)的清洗效果較好。另一種是蒸汽清洗。安裝接口與蒸汽清洗接口一致，只是兩端的清洗機(jī)構(gòu)不同，通過若干通道在管柱絲扣對(duì)射高壓高溫蒸汽完成清洗作業(yè)，適用于套管絲扣油等的清洗及低溫環(huán)境作業(yè)。

1.4 通徑檢測(cè)及測(cè)長(zhǎng)單元

通徑檢測(cè)及測(cè)長(zhǎng)單元同樣是檢測(cè)一體機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，與絲扣清洗單元平行布置，安裝在同一個(gè)移運(yùn)導(dǎo)軌上，兩端結(jié)構(gòu)完全相同，由通徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)、推移油缸和通徑規(guī)等組成。通徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)是一種氣動(dòng)工作裝置，兩端安裝永磁鐵，在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)通徑規(guī)沿著管柱的內(nèi)腔移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)通徑檢測(cè)，以此判斷管柱內(nèi)腔是否堵塞和彎曲，其顯著特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，永磁鐵可將通徑規(guī)回收，效率較高[4]。推移油缸上安裝有位移傳感器，在管柱定位后，推移油缸帶動(dòng)通徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)向管柱兩端靠近頂緊，在通徑檢測(cè)的同時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量，該測(cè)量方法為間接測(cè)量法，在初始狀態(tài)下推移油缸有位置信息，與位移傳感器的最終位置數(shù)據(jù)計(jì)算后可讀出管柱的外形長(zhǎng)度。

1.5 噴碼標(biāo)記及數(shù)顯單元

噴碼標(biāo)記單元位于基座的中間位置，可以對(duì)通徑檢測(cè)合格并且絲扣清洗完成的管柱進(jìn)行噴碼編號(hào)，編號(hào)與長(zhǎng)度信息對(duì)應(yīng)，便于對(duì)管柱建立臺(tái)賬管理。噴碼采用非接觸式工作方式，提高了噴頭的可靠性。手操遙控器顯示屏可集中顯示管柱的長(zhǎng)度及編碼信息，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)查詢，為鉆井過程提供準(zhǔn)確的信息支持，該顯示終端還可以與電腦連接導(dǎo)出相關(guān)信息。

1.6 電氣液控制系統(tǒng)

電氣液控制系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，是管柱檢測(cè)一體機(jī)的神經(jīng)中樞。液壓系統(tǒng)為傾斜、踢出、推移等執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力，氣控系統(tǒng)為氣馬達(dá)旋轉(zhuǎn)及通徑規(guī)移動(dòng)提供動(dòng)力，電控系統(tǒng)通過PLC 程序控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)根據(jù)位移傳感器、數(shù)據(jù)線對(duì)一體機(jī)的測(cè)長(zhǎng)單元進(jìn)行控制，使一體機(jī)能夠安全高效地作業(yè)。

操作臺(tái)是整個(gè)一體機(jī)的應(yīng)急操作和控制臺(tái)體，安裝在基座后端，在程序故障時(shí)可通過手柄進(jìn)行應(yīng)急操作。

1.7 主要技術(shù)參數(shù)（如表1）

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.8 關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

1）集成化設(shè)計(jì)技術(shù)。集絲扣清洗、通徑檢測(cè)、長(zhǎng)度測(cè)量及噴碼標(biāo)記功能為一體，將零散的管柱預(yù)處理作業(yè)集中化、自動(dòng)化作業(yè)，可與動(dòng)力貓道配合作業(yè)，完善了地面管柱一體化解決方案。2）氣動(dòng)可調(diào)絲扣鋼刷清洗技術(shù)。管柱本體不旋轉(zhuǎn)，通過氣馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲扣清洗單元旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼刷旋轉(zhuǎn)進(jìn)行清理，適應(yīng)于鉆桿接頭固體污染物清理作業(yè)。鋼刷可實(shí)現(xiàn)變徑調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同規(guī)格管柱，靈活性好。3）絲扣的蒸汽清洗技術(shù)。清洗單元對(duì)稱布置，蒸汽通過小孔對(duì)射絲扣清洗，適應(yīng)套管絲扣油等軟態(tài)污染物的清理。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不旋轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)程控制開通蒸汽后即可進(jìn)行作業(yè)。與鋼刷清洗單元接口互換，通用性好。4）氣動(dòng)循環(huán)通徑檢測(cè)技術(shù)。運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理，壓力能轉(zhuǎn)換成通徑規(guī)動(dòng)能，永磁鐵實(shí)現(xiàn)回收，達(dá)到兩端循環(huán)通徑檢測(cè)的目的，作業(yè)高效。5）長(zhǎng)度測(cè)量及數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)技術(shù)。位移傳感器間接測(cè)量管柱外形長(zhǎng)度，程序減去管柱公接頭長(zhǎng)度即可得到有效長(zhǎng)度，該方法易于測(cè)量、誤差小。同時(shí)可記錄顯示編號(hào)、單根長(zhǎng)度及總長(zhǎng)度等管柱信息。

2 廠內(nèi)試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證管柱檢測(cè)一體機(jī)的絲扣清洗、通徑檢測(cè)、長(zhǎng)度測(cè)量、噴碼標(biāo)記、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)功能和實(shí)際效果，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司在車間進(jìn)行了組裝和型式試驗(yàn)。

2.1 空載試驗(yàn)

此項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)該管柱檢測(cè)一體機(jī)的運(yùn)行情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，管柱檢測(cè)一體機(jī)的傾斜機(jī)構(gòu)、踢出機(jī)構(gòu)、推移機(jī)構(gòu)、絲扣清洗單元、通徑檢測(cè)單元等動(dòng)作靈活、到位，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無卡阻和沖擊現(xiàn)象。

2.2 功能試驗(yàn)

此項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)該管柱檢測(cè)一體機(jī)各功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工況。試驗(yàn)結(jié)果表明，管柱檢測(cè)一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長(zhǎng)度、不同規(guī)格直徑的鉆桿、鉆鋌及套管的絲扣清理作業(yè)，通徑檢測(cè)成功率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)兩端循環(huán)高效作業(yè)，長(zhǎng)度測(cè)量準(zhǔn)確，誤差在允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)記錄及存儲(chǔ)顯示準(zhǔn)確。

2.3 最大載荷試驗(yàn)

此項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)管柱檢測(cè)一體機(jī)的最大工作載荷和液壓缸的工作能力。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了45 kN（1.5 倍最大載荷）工裝管柱的試驗(yàn)，從傾斜機(jī)構(gòu)滾入定位槽后可自動(dòng)定位，踢出到下一工位的過程中無明顯沖擊，踢出到位，整個(gè)過程滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

GJ340-12H管柱檢測(cè)一體機(jī)的研制使得堆場(chǎng)管柱的零散作業(yè)更加高效，大大降低了一線工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作質(zhì)量和安全性。廠內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，管柱檢測(cè)一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，滿足鉆井作業(yè)中管柱堆場(chǎng)預(yù)處理的作業(yè)要求。