自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用研究

相軍峰，王加松

（中石油川慶鉆探厄瓜多爾分公司，四川 成都 610051）

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步離不開能源消耗的支持，石油作為一種重要能源資源，每年的消耗都是不計(jì)其數(shù)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，對(duì)石油能源的需求更是巨大，國(guó)家每年都要從國(guó)外大量進(jìn)口原油，同時(shí)加大國(guó)內(nèi)的石油開采量，用以滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。隨著石油消耗的提升，需要加大石油開采效率，才能滿足消耗需求，故此，需要不斷提升石油鉆機(jī)的自動(dòng)化程度，提升石油開采效率。

目前我國(guó)石油鉆機(jī)的主要設(shè)備自動(dòng)化程度，與發(fā)達(dá)國(guó)家的石油鉆機(jī)水平不相上下，但在石油鉆機(jī)輔助設(shè)備的自動(dòng)化上，卻仍處于落后狀態(tài)，存在勞動(dòng)量大、危險(xiǎn)系數(shù)高等顯著缺點(diǎn)。故此，需要加快石油鉆機(jī)輔助設(shè)備的自動(dòng)化研發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)一步提升我國(guó)的石油鉆機(jī)技術(shù)，提升石油開采效率、自動(dòng)化程度及安全性，推動(dòng)我國(guó)石油鉆機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本文就貓道的自動(dòng)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行分析，探索有效的貓道自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)石油鉆機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 石油鉆機(jī)自動(dòng)化貓道意義與運(yùn)行原理

1.1 自動(dòng)化貓道應(yīng)用的意義

目前全球的石油開采主要以鉆井的方式進(jìn)行開采，這種特殊的鉆井開采方式在鉆井施工中，需要不斷地將地面排管向鉆井平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)輸。貓道是排管運(yùn)輸?shù)妮斔屯ǖ?，而傳統(tǒng)上、下管柱傳輸，需要應(yīng)用貓道上的氣動(dòng)絞車掛掛住管柱，在通過人力進(jìn)行拉拽，不但需要大量的人力勞動(dòng)，同時(shí)在拉拽過程中會(huì)導(dǎo)致管柱出現(xiàn)一定磨損，降低了管柱的使用壽命，導(dǎo)致石油鉆機(jī)存在一定的安全隱患問題。故此，需要提升石油鉆機(jī)的貓道自動(dòng)化程度，提升石油鉆機(jī)的管柱運(yùn)輸效率與安全性。

1.2 國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化貓道現(xiàn)狀分析

目前我國(guó)對(duì)于石油鉆機(jī)的貓道自動(dòng)化研究投入較少，僅有少數(shù)單位致力于石油鉆機(jī)的貓道自動(dòng)化研究，多數(shù)石油開采仍在采用傳統(tǒng)的貓道運(yùn)輸管柱的方法。只有少數(shù)國(guó)有裝備公司研發(fā)了自動(dòng)化貓道，如南陽二機(jī)石油裝備有限公司研發(fā)的自動(dòng)化貓道，其由撬裝模塊組成，具有穩(wěn)定高、利于安裝維修、運(yùn)輸方便等優(yōu)勢(shì)，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的自動(dòng)化操作，其自動(dòng)化程度無法滿足石油鉆機(jī)的作業(yè)需求。又如中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局研制的自動(dòng)化貓道設(shè)備，其利用油缸液壓驅(qū)動(dòng)雙搖桿，在通過搖桿的加長(zhǎng)油缸傳送管柱，其具有運(yùn)輸速度快、適用不同高度的石油鉆機(jī)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也相對(duì)明顯，油壓過高、需要消耗大量能源維持運(yùn)行。

國(guó)外石油鉆機(jī)的自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)大體可以分為3類。

（1）固定式自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)。該類自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)采用固定式結(jié)構(gòu)，貓道沿固定軌道運(yùn)行，管柱卡在貓道的卡槽中進(jìn)行傳輸。該類自動(dòng)化貓道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但管柱需要通過卡槽進(jìn)行傳輸，在安裝過程中會(huì)使管柱產(chǎn)生磨損，降低管柱是使用壽命。

（2）升舉式貓道設(shè)計(jì)。該類自動(dòng)化貓道采用液壓裝置，驅(qū)動(dòng)支撐臂運(yùn)輸管柱，在管柱傳輸至鉆機(jī)平臺(tái)相同高度，再通過推送裝置將管住推送至鉆機(jī)。

（3）機(jī)械手臂式。該種方式摒棄了傳統(tǒng)的貓道設(shè)計(jì)理念，采用機(jī)械手臂直接完成管柱的上下運(yùn)輸。該種設(shè)計(jì)理念具有自動(dòng)化程度高、工作效率快等優(yōu)點(diǎn)，但其需要高負(fù)荷的液壓動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)轉(zhuǎn)，安裝、維修、運(yùn)輸成本相對(duì)較高，適合大型石油鉆機(jī)作業(yè)需求。

1.3 自動(dòng)化貓道的運(yùn)行原理

通過分析國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)來看，貓道的自動(dòng)化設(shè)計(jì)主要在于管柱的上鉆臺(tái)與下鉆具的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，故此，可以將其自動(dòng)化原理分為2部分，一為上鉆臺(tái)自動(dòng)化原理、一為下鉆具自動(dòng)化原理。

上鉆臺(tái)自動(dòng)化原理：以低位運(yùn)行情況為例，此時(shí)貓道的中云梁處在水平位置，鉆桿排放架的液鋼支腳架伸出，導(dǎo)致排放架一端上升，在重力的驅(qū)使下排放架會(huì)向貓道滾動(dòng)。排放架滾動(dòng)過程中遇到貓道限位銷，就會(huì)卡住滾動(dòng)的排放架，同時(shí)觸發(fā)拔板液鋼頂起排放架，此時(shí)排放架上的鉆具高度若高于限位銷就會(huì)繼續(xù)向上滾動(dòng)直至云梁凹槽。同時(shí)，由于排放架的滾動(dòng)會(huì)觸發(fā)安全銷，推動(dòng)主梁上升同時(shí)啟動(dòng)雙向液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，推動(dòng)小車將管柱推送至鉆機(jī)完成管柱上鉆具運(yùn)輸。

下鉆自動(dòng)化運(yùn)行原理：鉆具送至鉆機(jī)平臺(tái)，吊卡驅(qū)使鉆具抵住貓道云梁，之后運(yùn)輸小車與鉆具接觸，將鉆具引向云梁凹槽，到位后觸發(fā)安全銷彈出。鉆具卸載時(shí)，啟動(dòng)回收主液鋼的安全銷，推動(dòng)小車將鉆具引向云梁凹槽，鉆具全部進(jìn)入云梁凹槽后，促使拔板液鋼啟動(dòng)將鉆具帶回排放架，完成下鉆自動(dòng)化。

2 石油鉆機(jī)自動(dòng)化貓道優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 端部液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

石油鉆機(jī)的貓道自動(dòng)化動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由液壓缸提供，若液壓缸的活塞推力為F，A為活塞桿的有效面積、D為活塞桿直徑、p為活塞桿的工作壓力，那么，可以得到F=Ap×106=π/4D2p×106。也就是說液壓缸中的活塞桿推動(dòng)力大小，與活塞桿的有效面積、活塞桿的工作壓力有直接關(guān)系，想要進(jìn)一步提升自動(dòng)化貓道的動(dòng)力總成，可以通過提升液壓缸的工作壓力，或加大活塞桿直徑來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力提升。

（1）考慮增加液壓缸工作壓力的方式來優(yōu)化自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)。眾所周知，液壓缸的工作壓力提升是相對(duì)較難，從設(shè)計(jì)方案到設(shè)備制作，都是需要投入大量資金才能完成，會(huì)提高自動(dòng)化貓道設(shè)備的成本，而成本一旦增加對(duì)于中、小型的石油開采企業(yè)來說，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力就大幅下降了，故此，增加工作壓力的方案不作為貓道自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)的首選方案。（2）考慮以增大活塞桿直徑的辦法，來優(yōu)化貓道自動(dòng)化設(shè)計(jì)。該種方案理論上是一種可行方案，想要增大活塞桿直徑，可以通過增加液壓缸體積來實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際石油鉆機(jī)作業(yè)中，要考慮到貓道設(shè)備的自重問題，無限制的增大液壓缸體積就會(huì)導(dǎo)致貓道自動(dòng)化設(shè)備重量的無限增加，同時(shí)，液壓缸的耗能性也會(huì)大幅增加。而對(duì)于中小型的石油鉆機(jī)來說，需要上、下鉆具相對(duì)較少，較少的鉆具傳送若采用大規(guī)模自動(dòng)化貓道設(shè)備，就會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)?？v觀石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，增大活塞桿直徑的方案，與石油鉆機(jī)的發(fā)展形式不符，故此，增大活塞桿直徑方案被排除。（3）由于沒有投入實(shí)際作業(yè)的自動(dòng)化貓道設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)，無法得知液壓油缸的其他工作參數(shù)，也就無法獲得自動(dòng)化貓道的實(shí)際動(dòng)力大小。但就目前投入實(shí)際石油開采的自動(dòng)化貓道設(shè)備來看，液壓缸安全銷的伸出都是以鉆具排滿一層作為觸發(fā)點(diǎn)，這是一個(gè)很明顯的設(shè)計(jì)缺陷，要考慮到深井鉆井的鉆具需求量，增加鉆具運(yùn)輸量滿足鉆井作業(yè)需求。

根據(jù)對(duì)自動(dòng)化貓道運(yùn)行原理及優(yōu)化方案分析，得到針對(duì)端部液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從以下幾方面入手。

（1）端部液壓缸的獨(dú)立使用，采用銷軸將液壓缸連接鉆具排放架，在貓道上部安裝帶孔可插入式裝置，采用這種方式增大鉆具的運(yùn)輸量，以三層排管運(yùn)輸為例，若排放架疊滿三層排管，獨(dú)立式液壓缸只需考慮排滿后的動(dòng)力輸出，觸發(fā)安全銷伸出頂起排放架即可，無需考慮貓道下部對(duì)動(dòng)力的需求及下補(bǔ)兩層的排管重量。該種優(yōu)化方案，沒有從提升頂端液壓缸的動(dòng)力輸出入手，采用獨(dú)立使用的方法，在提升工作效率的同時(shí)無需對(duì)自動(dòng)化貓道設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與制作。

（2）液壓缸與排放架的分開使用，二者自成一體獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)增設(shè)液壓缸的起升護(hù)罩，通過起升護(hù)罩將液壓缸的銷軸連接。起升護(hù)罩由三塊鋼板組成，側(cè)面鋼板設(shè)計(jì)3個(gè)擋片孔，由于擋片安裝，值得注意的是在擋片孔的設(shè)計(jì)，要預(yù)留液壓缸的起升空間，避免排管架與起升護(hù)罩產(chǎn)生碰撞。在擋片安裝時(shí)，應(yīng)采用上下兩個(gè)銷軸卡住擋片，以免擋片發(fā)生位移。

（3）液壓缸的管線優(yōu)化設(shè)計(jì)。原有的自動(dòng)化貓道液壓缸管線較為理想，只是管線采用了固定化設(shè)計(jì)，不利于自動(dòng)化貓道的安裝、維修，可將原有管線設(shè)計(jì)改為快插式。以三層排管架為例，優(yōu)化后的自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)，采用銷軸連接液壓缸與起升護(hù)罩，運(yùn)行后鉆具一端會(huì)插入到兩側(cè)起升護(hù)罩的插孔中，從而確定液壓缸位置。而當(dāng)?shù)谌龑拥膿跗迦霌蹩睾?，就可以確定銷軸位置，直接與液壓管管線連接，此時(shí)若是液壓缸處于上升狀態(tài)，液壓缸就會(huì)頂起起升護(hù)罩，然后觸發(fā)頂層擋片頂起，從而頂起鉆具使其滾入凹槽完成鉆具上升運(yùn)輸。同時(shí)在擋板孔的設(shè)計(jì)中，由于留有液壓缸的移動(dòng)空間，為護(hù)罩移動(dòng)提供了充足空間，當(dāng)二層排管子處于起升護(hù)罩處于不動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)在頂層鉆具傳送完成后，第二層排管開始滾動(dòng)插入插孔中，按照頂層排管的運(yùn)行狀態(tài)完成第二層排管運(yùn)輸。

2.2 安全銷及踢出機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

貓道傳送鉆機(jī)管柱主要通過凹槽卡住管柱，之后貓道運(yùn)轉(zhuǎn)完成傳輸，而貓道的傳輸軌道是一種坡道設(shè)計(jì)，在重力環(huán)境的影響下，管柱會(huì)從凹槽中脫離，造成管柱損壞。而在凹槽上下兩端設(shè)置安全銷，可以有效卡住管柱，在鉆機(jī)管柱運(yùn)輸中不會(huì)造成管柱脫落，而形成安全隱患也避免了管柱的損傷危險(xiǎn)。另外，由于安全銷的伸出，在鉆井管柱滾入凹槽后，會(huì)防止其他管柱滾入同一凹槽。

自動(dòng)化貓道的下鉆具運(yùn)行中，安全銷通過伸出可以將管柱踢出凹槽，在與推動(dòng)小車接觸完成下鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)。綜上所述，安全銷無論是上鉆具、還是下鉆具都會(huì)頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)，在頻繁的伸出、彈回工作中，會(huì)造成安全銷的損耗較大，易出現(xiàn)安全隱患問題。針對(duì)改點(diǎn)可以進(jìn)行自動(dòng)化貓道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，自動(dòng)化貓道的安全銷設(shè)計(jì)，都是采用分開設(shè)計(jì)，這里可以采用合并安全銷方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上鉆具為例，此時(shí)貓道成上升狀態(tài)，端部的液壓缸會(huì)逐漸升起，導(dǎo)致鉆機(jī)管柱開始滾動(dòng)，同時(shí)外傾斜機(jī)的油罐呈伸出狀態(tài)，再次推動(dòng)石油管柱向翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳輸。當(dāng)鉆機(jī)管柱觸發(fā)液壓鋼的安全銷伸出后，第一根管柱就滾進(jìn)了凹槽中，同時(shí)，管柱一端會(huì)插入到反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)當(dāng)中，將鉆機(jī)管柱鎖死，也就說一個(gè)凹槽只能滾入一根管柱，減少了安全銷的應(yīng)用。

3 結(jié)語

石油作為一種不可再生的重要能源，被稱為軟黃金，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。而由于石油所處的地理位置，對(duì)于石油的開采，一般采用鉆井作業(yè)方式進(jìn)行開采工作。隨著機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展，石油鉆機(jī)自動(dòng)化的程度越來越高，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工鉆井開采來說，大幅度提升了石油開采效率與開采安全性。由于鉆井的特殊構(gòu)造，隨著開采深度的增加，需要不斷增添鉆機(jī)管柱，滿足鉆井開采需求。目前，最為先進(jìn)的石油鉆機(jī)技術(shù)，無論是石油鉆機(jī)的主體設(shè)備，還是石油鉆機(jī)的輔助設(shè)備，都進(jìn)行了自動(dòng)化改造，大大提升了工作效率與安全性，但我國(guó)目前對(duì)于石油鉆機(jī)的輔助設(shè)備自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)，并不成熟，需要進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)與實(shí)踐。本文就石油鉆機(jī)的自動(dòng)化貓道優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，分析自動(dòng)化貓道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以從液壓缸的優(yōu)化改造和安全銷的優(yōu)化改造入手，提升石油鉆機(jī)的自動(dòng)化程度，推動(dòng)我國(guó)石油開采行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。