DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道研制與應(yīng)用

(中原石油工程公司 裝備管理部，河南 濮陽(yáng) 457001 )

隨著國(guó)內(nèi)外陸地石油鉆機(jī)向超深井、自動(dòng)化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)人工作業(yè)模式管柱輸送機(jī)械貓道已無(wú)沒(méi)法滿足自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)配套要求[1]。數(shù)據(jù)顯示，在整個(gè)鉆井過(guò)程中，30%以上的時(shí)間耗費(fèi)在管柱輸送、處理作業(yè)上[2-3]，超深井鉆機(jī)更為顯著，其管柱作業(yè)更加頻繁，占用了大量的鉆井輔助作業(yè)時(shí)間，嚴(yán)重制約石油鉆井效率的提升，同時(shí)該工作的勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性差[4-5]。鑒于此，采用自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)，通過(guò)智能控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)代替人力的高強(qiáng)度體力工作的自動(dòng)化鉆井裝備應(yīng)運(yùn)而生。動(dòng)力貓道是地面排管架與鉆臺(tái)面之間輸送管柱的自動(dòng)化鉆井裝備之一，是管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的重要組成部分[6-7]。開(kāi)發(fā)了9 000 m超深井石油鉆機(jī)用DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道， 替代了傳統(tǒng)作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了管柱從堆場(chǎng)至鉆臺(tái)面間的一鍵式自動(dòng)輸送，有效解決了傳統(tǒng)作業(yè)模式作業(yè)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大、作業(yè)強(qiáng)度高等問(wèn)題。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案

DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由基座、支撐臂、運(yùn)移臂、坡道、排管架、雙出繩液壓絞車(chē)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。

1—液壓站；2—基座；3—排管架；4—雙出繩液壓絞車(chē)；5—坡道；6—運(yùn)移臂；7—支撐臂；8—電控系統(tǒng)。圖1 DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

該型動(dòng)力貓道采用鋼絲繩拖拽方案，由防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，帶動(dòng)雙出繩液壓絞車(chē)滾筒旋轉(zhuǎn)，通過(guò)2根獨(dú)立的鋼絲繩拖曳運(yùn)移臂與支撐臂、坡道組成的大三角機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)管柱從排管架到鉆臺(tái)面的雙向輸送。以鉆桿上鉆臺(tái)為例，動(dòng)力貓道輸送管柱的具體步驟如下：

1) 多根管柱單層排放在司鉆側(cè)或司鉆對(duì)側(cè)排管架上，通過(guò)排管架起升油缸，排管架傾斜，管柱依靠重力分力，滾動(dòng)至基座擋銷處，擋銷根據(jù)鉆桿規(guī)格不同，設(shè)有5個(gè)擋并可調(diào)節(jié)。

2) 鉆桿在基座擋銷處，通過(guò)基座翻料油缸同步起升，同時(shí)運(yùn)移臂對(duì)側(cè)安全銷起升，管柱越過(guò)擋銷，進(jìn)入運(yùn)移臂V型槽，同側(cè)安全銷起升，保證鉆桿輸送過(guò)程中不會(huì)掉落。

3) V型槽中設(shè)置有管柱檢測(cè)的傳感設(shè)備，待檢測(cè)到管柱后，運(yùn)移臂小車(chē)、坡道雙出繩絞車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，運(yùn)移臂小車(chē)將鉆桿推送在運(yùn)移臂內(nèi)移動(dòng)，坡道絞車(chē)通過(guò)鋼絲繩拖曳運(yùn)移臂在坡道軌道內(nèi)運(yùn)行，運(yùn)移臂帶動(dòng)支撐臂在基座內(nèi)運(yùn)動(dòng)，直至支撐臂前滾輪與基座制動(dòng)塊接觸，支撐臂由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)移臂后端起升，待運(yùn)移臂前段伸出坡道，液壓絞車(chē)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)移臂小車(chē)?yán)^續(xù)推送鉆桿至目標(biāo)位置。

4) 自動(dòng)吊卡抓住鉆桿，隨著自動(dòng)吊卡的提升，運(yùn)移臂小車(chē)根據(jù)吊卡提升速度，自動(dòng)匹配小車(chē)推送速度，直至鉆桿輸送到位，離開(kāi)貓道。

5) 輸送完成后，運(yùn)移臂小車(chē)自動(dòng)回位，液壓絞車(chē)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)移臂與支撐臂、坡道組成的大三角機(jī)構(gòu)依靠重力自動(dòng)落回，通過(guò)絞車(chē)轉(zhuǎn)速控制落回速度，直至運(yùn)移臂、支撐臂檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到位為止，完成1個(gè)鉆桿上鉆臺(tái)循環(huán)[8-9]。

反之，可將鉆臺(tái)面管柱輸送至地面排管架。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)鉆臺(tái)面高度 13.7～14.2 m

輸送管柱最大長(zhǎng)度 12 m

輸送管柱最大直徑 610 mm

輸送管柱額定載荷 45 kN

工作循環(huán)時(shí)間 80～100 s

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 主機(jī)結(jié)構(gòu)采用大三角起升結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好。起升過(guò)程絞車(chē)驅(qū)動(dòng)，而下降過(guò)程依靠運(yùn)移臂與支撐臂重力分力提供動(dòng)力，更加節(jié)能。

2) 整套設(shè)備采用主機(jī)+獨(dú)立液壓站房結(jié)構(gòu)形式，主機(jī)采用框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，配套獨(dú)立液壓站，維修便利，提高人的操作舒適度，滿足HSE的要求。獨(dú)立液壓站既可以為動(dòng)力貓道提供所需動(dòng)力，在應(yīng)急情況下，可為其他鉆井設(shè)備提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)一站多能的作用。

3) 電控液自動(dòng)控制技術(shù)。動(dòng)力及控制系統(tǒng)采用電控液自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)本地操作、遠(yuǎn)程遙控操作、司鉆集成操作，操作靈活；絞車(chē)起升、運(yùn)移臂滑車(chē)采用編碼器技術(shù)，精準(zhǔn)控制，可與管柱處理系統(tǒng)自動(dòng)吊卡等其他設(shè)備精準(zhǔn)交接，為鉆機(jī)自動(dòng)化提供有利條件。再者，利用程序算法，有效控制運(yùn)移臂支撐臂運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，減少了沖擊，提升了安全性。

4) 管柱滾動(dòng)降噪技術(shù)。主機(jī)基座管柱運(yùn)移面采用高分子樹(shù)脂材料，耐磨性能好，同時(shí)與鉆桿接觸可減輕作業(yè)時(shí)對(duì)管子的傷害及避免金屬與金屬撞擊的噪聲。

5) 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。采用雙出繩動(dòng)力絞車(chē)及安全防墜落裝置，確保作業(yè)安全，同時(shí)，配套了甩多根裝置，甩鉆桿效率大幅提高。

6) 液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)有不同負(fù)載模式選擇，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)管柱負(fù)載按需分配動(dòng)力，更加節(jié)能[10]。

2 主要部件結(jié)構(gòu)和功能

2.1 貓道基座

貓道基座主體采用型鋼組焊式框架結(jié)構(gòu)，剛性足，質(zhì)量輕?；倔w設(shè)計(jì)兩組排管架，排管架與本體采用銷軸連接，使用時(shí)展開(kāi)，運(yùn)輸時(shí)收回。同時(shí)設(shè)計(jì)有2組適應(yīng)不同管柱尺寸的翻料裝置，實(shí)現(xiàn)管柱從排管架至V型槽的自動(dòng)輸送。

1—基座本體；2—翻料裝置；3—排管架。圖2 動(dòng)力貓道基座示意

2.2 運(yùn)移臂

運(yùn)移臂是動(dòng)力貓道核心關(guān)鍵部件，采用細(xì)長(zhǎng)箱型結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度H型鋼組焊，內(nèi)部設(shè)計(jì)環(huán)筋，兩側(cè)設(shè)計(jì)減重孔，有效提升細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)剛度，液壓管線、電氣線纜整齊布置內(nèi)側(cè)，外形美觀。V型槽中設(shè)計(jì)有2組甩料機(jī)構(gòu)、管柱安全銷、運(yùn)移滑車(chē)及傳感檢測(cè)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)管柱的輸送、監(jiān)測(cè)及定位。

1—管柱到位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；2—本體 ；3—驅(qū)動(dòng)馬達(dá)； 4—甩料機(jī)構(gòu)； 5—鋼絲繩固定裝置； 6—安全銷； 7—滑車(chē)； 8—小滾輪； 9—驅(qū)動(dòng)鏈輪；10—張緊裝置；11—支撐臂連接裝置；12—大滾輪圖。圖3 動(dòng)力貓道運(yùn)移臂示意

2.3 支撐臂

支撐臂主要是支撐運(yùn)移臂，并與運(yùn)移臂、坡道組成大三角穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，防止擺動(dòng)，前端安裝有導(dǎo)向滾輪，后端與支撐臂鉸接[11]。主體采用型鋼組焊，提升細(xì)長(zhǎng)件剛度。

1—支撐臂主體； 2—導(dǎo)向板； 3—調(diào)整墊板 ；4—導(dǎo)向滾輪。圖4 動(dòng)力貓道支撐臂示意

2.4 坡道

坡道主要用于安裝雙出繩液壓絞車(chē)及滑輪，為運(yùn)移臂提供運(yùn)動(dòng)支撐，與運(yùn)移臂、支撐臂構(gòu)成大三角機(jī)構(gòu)，下部與基座連接，上部與鉆臺(tái)面連接。

1—本體；2—液壓絞車(chē)；3—絞車(chē)護(hù)罩；4—滑輪組。 圖5 動(dòng)力貓道坡道示意

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大三角起升機(jī)構(gòu)

三角形具有良好的穩(wěn)定性，利用該特性，將動(dòng)力貓道坡道、運(yùn)移臂、支撐臂設(shè)計(jì)構(gòu)成大三角的起升機(jī)構(gòu)，很好地解決了輸送管柱運(yùn)移過(guò)程的穩(wěn)定性及可靠性問(wèn)題。同時(shí)該起升機(jī)構(gòu)利用雙出繩液壓絞車(chē)，絞車(chē)滾筒采用Lebus繩槽，完全對(duì)稱繩槽設(shè)計(jì)，確保起升同步性。該液壓絞車(chē)由馬達(dá)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，配置常閉剎車(chē)系統(tǒng)，在設(shè)備故障或者斷電后迅速剎車(chē)，避免設(shè)備造成安全事故。滾筒軸一側(cè)安裝防爆編碼器，檢測(cè)滾筒軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC程序計(jì)算管柱運(yùn)移姿態(tài)及位置信息，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間節(jié)點(diǎn)均可可視化顯示當(dāng)前作業(yè)在整個(gè)工藝流程中的位置及狀態(tài)。

3.2 一鍵操作控制系統(tǒng)

動(dòng)力貓道作為石油鉆井自動(dòng)化裝備之一，自動(dòng)化程度的高低決定設(shè)備的適用性。該動(dòng)力貓道優(yōu)化作業(yè)流程，采用“一鍵式”自動(dòng)控制，控制系統(tǒng)如圖6所示，由感知層、處理層、執(zhí)行層3部分組成。一鍵操作控制系統(tǒng)嚴(yán)格依照動(dòng)力貓道控制流程[8]，根據(jù)感知層編碼器、接近開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC數(shù)據(jù)處理，反饋至執(zhí)行層，完成相應(yīng)的控制[12-13]。自動(dòng)上管柱過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)編碼器反饋的位置信息，對(duì)運(yùn)移臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加減速控制，比如支撐臂運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)+旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，必然會(huì)出現(xiàn)沖擊，產(chǎn)生沖擊載荷，對(duì)設(shè)備運(yùn)行極其不利。通過(guò)采用編碼器位置信息實(shí)時(shí)反饋，在即將達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)進(jìn)行減速處理，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度幾乎為零，過(guò)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)繼續(xù)加速運(yùn)行，有效避免沖擊，同時(shí)保證效率。同時(shí)，支撐臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)移臂運(yùn)動(dòng)為非線性運(yùn)動(dòng)，速度變化大，穩(wěn)定性差，通過(guò)程序算法，運(yùn)行速度實(shí)行PID控制，擬合線性速度控制曲線，達(dá)到高速運(yùn)行平穩(wěn)，降低運(yùn)移臂細(xì)長(zhǎng)箱型結(jié)構(gòu)剛度要求。該系統(tǒng)人機(jī)交互便捷，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際工況及需要，可在HMI上設(shè)置加減速點(diǎn)，通過(guò)輸入鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)上下減速點(diǎn)的設(shè)置。

圖6 動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)

3.3 負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用

動(dòng)力貓道起升絞車(chē)需要的壓力和流量特別大，支腿、上料、下料、甩料、安全銷等部分需要的壓力和流量均較小，若動(dòng)力貓道仍配套傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)有大量的流量通過(guò)溢流閥發(fā)熱，造成系統(tǒng)持續(xù)高溫，影響系統(tǒng)性能并降低系統(tǒng)的使用壽命。為滿足動(dòng)力貓道所有工作狀態(tài)正常使用，并解決長(zhǎng)時(shí)間使用小流量造成液壓系統(tǒng)發(fā)熱的問(wèn)題。設(shè)計(jì)新型負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)采用變量泵與負(fù)載敏感閥配合使用，通過(guò)LS口實(shí)時(shí)傳遞負(fù)載功率，通過(guò)負(fù)載流量和壓力控制變量泵的排量和壓力的方式，完全符合動(dòng)力貓道多執(zhí)行結(jié)構(gòu)在不同速度、不同壓力的工況要求，使得系統(tǒng)更加節(jié)能、高效、低噪聲。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2021-06，開(kāi)展了9 000 m鉆機(jī)用DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道功能動(dòng)作試驗(yàn)、 載荷試驗(yàn)、 效率試驗(yàn)及安全試驗(yàn)等，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、控制準(zhǔn)確到位、帶載舉升及輸送過(guò)程平穩(wěn)，效率高，如圖7所示。2021-09，DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道發(fā)運(yùn)至中原石油工程公司，配套蘭石鉆機(jī)使用，如圖8所示?，F(xiàn)已完成不同規(guī)格鉆桿、鉆鋌、套管的輸送作業(yè)，輸送管柱超過(guò)7 800 m，成功取代現(xiàn)場(chǎng)傳統(tǒng)人工作業(yè)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該裝置輸送管柱循環(huán)周期最快80 s，常規(guī)作業(yè)100 s左右，可承運(yùn)4.5 t鉆鋌及609.6 mm(24英寸)套管輸送，運(yùn)行平穩(wěn)，降低了人工作業(yè)強(qiáng)度，提高了管柱輸送效率，提高了作業(yè)安全性，有效改善鉆工作業(yè)環(huán)境，提升了鉆井作業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平。

圖7 動(dòng)力貓道型式試驗(yàn)

圖8 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié)論

1) 研制超深井的DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道已經(jīng)完成9 000 m鉆井輸送管柱的應(yīng)用考驗(yàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

2) DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道整機(jī)采用大三角起升機(jī)構(gòu)，運(yùn)行平穩(wěn)，有效提升鉆具輸送安全性。

3) DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道在提高管柱輸送效率、減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低鉆井作業(yè)成本等方面優(yōu)勢(shì)顯著。

4) DM13.7/4.5型動(dòng)力貓道負(fù)載敏感控制系統(tǒng)的應(yīng)用，按需分配，節(jié)能高效，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念。

5) 該設(shè)備適應(yīng)陸地鉆井裝備自動(dòng)化、智能化發(fā)展需求，適用于現(xiàn)役陸地鉆機(jī)升級(jí)改造和新鉆機(jī)配套，市場(chǎng)前景廣闊。