下沉式鉆臺(tái)機(jī)械手研制與應(yīng)用

趙亮亮，王耀華，馬升平，付 華，嚴(yán) 亮，張 洪

(1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002;2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002； 3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司，成都 610051)

自動(dòng)化鉆機(jī)是當(dāng)前石油鉆井裝備發(fā)展的方向，更是改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境、提高鉆井作業(yè)效率、減輕勞動(dòng)力強(qiáng)度、提升裝備自動(dòng)化水平的有效措施[1-7]。

目前，常規(guī)鉆機(jī)的立根排放通過二層臺(tái)井架工(或者二層臺(tái)機(jī)械手)和鉆臺(tái)面鉆工的配合來完成，少許鉆機(jī)通過在鉆臺(tái)面安裝簡(jiǎn)易的機(jī)械臂輔助鉆臺(tái)面鉆工進(jìn)行立根排放。通過分析常規(guī)的作業(yè)方式可以看出，鉆井過程中鉆臺(tái)面的立根排放是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、任務(wù)繁重、作業(yè)環(huán)境惡劣的工作?，F(xiàn)有的鉆臺(tái)面立根排放設(shè)備具有如下缺點(diǎn)：

1) 受制于鉆機(jī)形式的限制，陸地鉆機(jī)的鉆臺(tái)面空間較小，各設(shè)備布局十分緊湊，造成現(xiàn)有的鉆臺(tái)面立根排放設(shè)備安裝位置相當(dāng)受限，而且經(jīng)常與其它作業(yè)發(fā)生干涉，這時(shí)為了保證鉆井作業(yè)正常進(jìn)行不得不將鉆臺(tái)面立根排放設(shè)備拆除，這樣既影響作業(yè)效率，又為設(shè)備的連續(xù)可靠運(yùn)行帶來了隱患。

2) 現(xiàn)有的鉆臺(tái)面立根排放設(shè)備功能單一，僅用于立根排放，不能替代人工完成鉆井過程中其它的工作任務(wù)。

3) 回轉(zhuǎn)角度受限。在回轉(zhuǎn)機(jī)械限位或程序保護(hù)失效的情況下會(huì)產(chǎn)生重大安全事故，而且作業(yè)范圍有限。

針對(duì)當(dāng)前鉆井作業(yè)流程的特點(diǎn)和一些鉆臺(tái)機(jī)械化設(shè)備的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地進(jìn)行了鉆臺(tái)機(jī)械手的功能集成設(shè)計(jì)和滿足避讓立根臺(tái)通道要求的設(shè)計(jì)。該設(shè)備采用機(jī)、電、液相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)面管柱處理自動(dòng)化，使用過程中根據(jù)不同作業(yè)工況要求可通過偏移和下沉動(dòng)作，簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間避讓，對(duì)提高鉆機(jī)自動(dòng)化水平具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

鉆臺(tái)機(jī)械手主要由扶持鉗、副臂、短調(diào)平連桿、伸縮油缸、中間連桿、拉桿、長(zhǎng)調(diào)平連桿、主臂、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)座、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等組成，如圖1所示。

1-扶持鉗；2-副臂；3-短調(diào)平連桿；4-伸縮油缸；5-中間連桿；6-拉桿；7-長(zhǎng)調(diào)平連桿；8-主臂；9-液壓系統(tǒng)；10-電控系統(tǒng)；11-升降機(jī)構(gòu)；12-回轉(zhuǎn)座；13-回轉(zhuǎn)馬達(dá)。圖1 鉆臺(tái)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

1) 作業(yè)原理。

鉆臺(tái)機(jī)械手是一種用于推扶管柱下端，實(shí)現(xiàn)管柱在立根臺(tái)、井口、鼠洞、大門坡道之間遞送的自動(dòng)化設(shè)備。采用遠(yuǎn)程自動(dòng)控制液壓馬達(dá)、油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、伸縮，結(jié)合傳感器檢測(cè)技術(shù)，確保扶持鉗準(zhǔn)確、可靠地抱合鉆柱立根下端，完成推扶作業(yè)，如圖2所示。

圖2 鉆臺(tái)機(jī)械手工作過程

2) 偏移避讓立根臺(tái)通道原理

圖3 鉆臺(tái)機(jī)械手偏移避讓通道

3) 下沉避讓立根臺(tái)通道原理

圖4 鉆臺(tái)機(jī)械手下沉避讓通道

1.3主要技術(shù)特點(diǎn)

1) 具有立根排放、單根扶持、井口和鼠洞對(duì)扣等功能，可減少鉆臺(tái)面鉆工數(shù)量。

2) 鉆臺(tái)機(jī)械手可通過行走裝置進(jìn)行偏移，讓開井口中心線，以避讓鉆臺(tái)面大門坡道上下尺寸相對(duì)較小的鉆桿、鉆鋌，利于測(cè)井等作業(yè)。

3) 當(dāng)立根臺(tái)通道需要移運(yùn)尺寸相對(duì)較大的套管時(shí)，鉆臺(tái)機(jī)械手本體可通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下沉隱藏在立根臺(tái)里面，確保立根臺(tái)通道無障礙。當(dāng)需要進(jìn)行立根排放或單根扶持時(shí)，鉆臺(tái)機(jī)械手本體可通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上升至鉆臺(tái)面以上進(jìn)行工作。

4) 當(dāng)鉆機(jī)搬家運(yùn)輸時(shí)，鉆臺(tái)機(jī)械手本體可通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下翻隱藏在立根臺(tái)中跟隨立根臺(tái)一起運(yùn)輸，減少了拆裝工作量和運(yùn)輸車次。

5) 雙平行四邊形機(jī)械臂有效地保證了扶持鉗在伸出范圍內(nèi)任意位置均處于水平狀態(tài)，具有工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且通過合理地布置拉桿兩端的鉸接點(diǎn)位置，將扶持鉗在伸縮過程中的高度變化差值降低至50 mm以內(nèi)，保證了管柱處理的精度。

6) 回轉(zhuǎn)裝置設(shè)有液壓旋轉(zhuǎn)接頭和電滑環(huán)，可以保證設(shè)備連續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度不受液壓膠管和電纜的限制，有效避免了在機(jī)械限位或程序保護(hù)失效的情況下產(chǎn)生的重大安全事故。

7) 自動(dòng)化程度高。通過傳感檢測(cè)技術(shù)和智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的一鍵式操作要求，管柱處理過程自動(dòng)化。

8) 操控模式多樣化，適應(yīng)不同的操作需求，具有司鉆房操控模式、無線遙控器操控模式和本地閥體應(yīng)急操控模式。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

扶持管柱直徑

?73～?248 mm

最大作業(yè)半徑

3 400 mm

最小作業(yè)半徑

700 mm

回轉(zhuǎn)角度

360°

回轉(zhuǎn)速度

3 r/min

2 動(dòng)態(tài)特性研究

鉆臺(tái)機(jī)械手在工作過程中面對(duì)的管柱類型比較多，運(yùn)行軌跡比較復(fù)雜，不同工作位置上的負(fù)載也不相同，因此有必要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究。

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)鉆臺(tái)機(jī)械手進(jìn)行仿真分析，首先通過UG軟件建立設(shè)備的三維模型，其次經(jīng)過x_t文件格式導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，然后根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況對(duì)模型施加約束、載荷、驅(qū)動(dòng)等參數(shù)[8-15]。

2.1 機(jī)械臂伸縮與回轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)特性分析

鉆臺(tái)機(jī)械手在工作過程中通過機(jī)械臂的伸縮和回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)扶持鉗的位置變化，進(jìn)而將管柱下端扶持到目標(biāo)位，在作業(yè)中機(jī)械臂的伸縮和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參與的作業(yè)工況有2種：①配合二層臺(tái)機(jī)械手按照推扶模式完成鉆桿立根排放；②配合二層臺(tái)機(jī)械手按照推扶模式完成鉆鋌立根排放。其中作業(yè)工況①下鉆桿立根的負(fù)載要比作業(yè)工況②下鉆鋌立根的負(fù)載小很多，因此這里只對(duì)作業(yè)工況②下的機(jī)械臂伸縮和回轉(zhuǎn)進(jìn)行研究。

1) 作業(yè)對(duì)象。

2) 作業(yè)流程。

3) 仿真結(jié)果。

圖5 回轉(zhuǎn)力矩仿真結(jié)果界面

圖6 伸縮油缸推力仿真結(jié)果界面

圖7 伸縮油缸拉力仿真結(jié)果界面

2.2 升降機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究

鉆臺(tái)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自身在鉆臺(tái)面的上升和下降，該機(jī)構(gòu)工作時(shí)主要承受設(shè)備的自重力，在升降過程主要靠升降油缸提供動(dòng)力。

1) 作業(yè)對(duì)象。

鉆臺(tái)機(jī)械手本體。

2) 作業(yè)流程。

鉆臺(tái)機(jī)械手從鉆臺(tái)面工作位置下沉至鉆臺(tái)面以下，以及從鉆臺(tái)面以下上升至鉆臺(tái)面工作位置。

3) 仿真結(jié)果。

通過仿真分析可得，鉆臺(tái)機(jī)械手到達(dá)最終起升位置時(shí)升降油缸所受推力為32 487 N，如圖8所示。

圖8 最終起升位置時(shí)升降油缸推力仿真結(jié)果界面

通過仿真分析可得，鉆臺(tái)機(jī)械手在初始起升位置時(shí)升降油缸所受推力為23 215 N，如圖9所示。

圖9 初始起升位置時(shí)升降油缸推力仿真結(jié)果界面

通過仿真分析可得，鉆臺(tái)機(jī)械手在中間起升位置時(shí)升降油缸所受推力最大，為35 000 N，如圖10所示。

圖10 中間起升位置時(shí)升降油缸推力仿真結(jié)果

通過對(duì)鉆臺(tái)機(jī)械手上述關(guān)鍵動(dòng)作的動(dòng)態(tài)特性研究，掌握了不同作業(yè)工況和作業(yè)流程下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化情況，可作為指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型和計(jì)算依據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

從2018-12至今，該下沉式鉆臺(tái)機(jī)械手配套于中油油服公司的5 000、7 000 、8000、9 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)，已經(jīng)在大慶、長(zhǎng)慶、四川、華北、新疆油田進(jìn)行作業(yè)，設(shè)備整體運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，提高了作業(yè)效率。某臺(tái)下沉機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖11所示。

圖11 鉆臺(tái)機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1) 功能得到驗(yàn)證。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該鉆臺(tái)機(jī)械手自動(dòng)去井口、自動(dòng)去鼠洞、自動(dòng)復(fù)位、一鍵排管、偏移、下沉等功能得到了驗(yàn)證。

2) 可減少操作人員。每個(gè)生產(chǎn)班減少鉆工1人。

3) 提高作業(yè)安全性。通過司鉆房操作或者遠(yuǎn)程無線遙控器操作，使作業(yè)人員遠(yuǎn)離高危作業(yè)區(qū)域，最大限度地降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4) 改善作業(yè)環(huán)境。司鉆房?jī)?nèi)的操作在很大程度上降低了操作工身體上來自泥漿、寒冷、酷熱、強(qiáng)風(fēng)、暴雨等惡劣環(huán)境的傷害。

5) 減輕鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度。管柱處理由人工操作變?yōu)闄C(jī)械化和自動(dòng)化，降低了鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，體現(xiàn)了以人為本的理念。

4 結(jié)語(yǔ)

鉆臺(tái)機(jī)械手的成功研制與應(yīng)用為當(dāng)前鉆井裝備的升級(jí)和鉆井作業(yè)自動(dòng)化水平提高提供了有力支持。面對(duì)國(guó)外鉆井裝備的持續(xù)創(chuàng)新和國(guó)內(nèi)智能鉆機(jī)的發(fā)展需求，建議鉆臺(tái)面管柱處理設(shè)備從如下幾個(gè)方面持續(xù)開展研制工作。

1) 鉆臺(tái)設(shè)備應(yīng)充分考慮井架及鉆臺(tái)面相對(duì)空間較小、需頻繁拆卸搬家等陸地鉆機(jī)特征，需要設(shè)計(jì)方便鉆機(jī)配套，易于安裝、拆卸、運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)設(shè)備。

2) 當(dāng)前新制陸地鉆機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了管柱作業(yè)機(jī)械化，部分設(shè)備達(dá)到了半自動(dòng)化。為了進(jìn)一步提高管柱作業(yè)效率、自動(dòng)化程度和安全可靠性，后續(xù)應(yīng)該開展鉆臺(tái)設(shè)備的一鍵操作、軌跡規(guī)劃、識(shí)別定位、智能檢測(cè)等技術(shù)研究。

3) 開展石油鉆臺(tái)機(jī)器人研制工作，突破石油鉆臺(tái)機(jī)器人智能、精確、穩(wěn)定操作瓶頸，實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)機(jī)器人與常規(guī)石油鉆臺(tái)設(shè)備集成智能聯(lián)動(dòng)應(yīng)用，提升我國(guó)石油鉆井裝備技術(shù)水平。