液壓鉆具輸送裝置研制

王建偉，孫麗麗，王衛華，劉士巖，張　寧，吳國輝，李慎奎

(華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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液壓鉆具輸送裝置研制

王建偉，孫麗麗，王衛華，劉士巖，張寧，吳國輝，李慎奎

(華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：針對斜直井鉆機不能使用吊卡、固定貓道等工具的問題，需要采用新的工具來完成接單根工作。通過研究斜直井鉆機液壓頂驅、液壓大鉗、提升系統的特點，研制出液壓鉆具輸送裝置，其功能類似于動力貓道，由變幅機構、伸縮機構、翻轉機構、小鉗子等組成。裝置通過液壓控制，操作人員少，勞動強度低，安全性和生產效率大幅提高。

關鍵詞：輕型鉆機；接單根；鉗子；坡道；液壓

全液壓控制是目前各輕型鉆機生產廠家普遍選用的設計思路，通常配備液壓頂驅、提升系統、液壓(氣動)卡瓦等，而且一些輔助設備也實現了液壓控制，包括液壓升降的鉆臺、液壓自動排管和鉆具輸送系統等。國外先進鉆機一般采用全液壓控制裝置，自動化程度高，大幅降低了工人的勞動強度[1]。目前，國外生產商有雪姆、阿特拉斯、寶峨、FORMOST等，國內生產廠家有石油四機廠、南陽二機集團、黃海機械、渤海中成裝備等。華北石油榮盛機械制造有限公司在2011年也推出了一款MZJ-15XY型斜直井煤層氣液壓鉆機。

國外鉆機大多配有井場鉆具自動上、下鉆臺的裝置，又名動力貓道[2]。在起下鉆過程中，需要將鉆桿從井口移送到排放架或從排放架移送到井口，即鉆桿排放操作。其特點是一個重復性高而勞動強度大的過程；花費大量時間；需要多人合作共同完成[3]；具有危險性。由于新型斜直井鉆機不使用吊卡、固定貓道等工具，因此必須采用新的工具來完成接單根工作。通過研究斜直井鉆機，結合鉆機的液壓頂驅、液壓大鉗、提升系統的特點，開發出液壓鉆具輸送裝置。其功能類似于動力貓道，包括變幅機構、伸縮機構、翻轉機構、小鉗子等，可通過液壓控制，操作人員少，勞動強度低，提高了安全性和生產效率。

1結構設計

1.1總體結構

1—小鉗子；2—小伸縮臂；3—大伸縮臂；4—主梁；

1.2變幅機構

變幅結構采用了曲柄導桿機構[4]的原理，由3個轉動副和1個移動副構成，通過擺動桿機構的擺動角實現變幅，最大變幅角度小于18°，通過液壓缸推動撐桿，撐桿轉動帶動滑塊滑動，滑塊與撐桿間為鉸鏈連接，可相對轉動。整個變幅動作完成時間不大于8 s，變幅機構如圖2所示。

a　曲柄導桿機構

b　鉆具輸送裝置機構

1.3伸縮臂機構

伸縮臂為2層方管結構(如圖3)，通過2個液缸實現單獨伸縮，為了防止小伸縮臂的管線在大伸縮臂內部移動造成摩擦，將小伸縮臂液缸倒置安裝，將管線從小伸縮臂前端引出并通過拖鏈引導。而大伸縮臂液缸通過后側的引出，再從主梁的開口處引出并通過拖鏈引導。通過優化設計管線，避免了工作中對管線的磨損和擠壓，提高了安全性。

1—主梁；2—大伸臂液缸；3—大伸縮臂；

1.4翻轉機構

翻轉機構采用了雙液缸聯動設計，如圖4所示。翻轉機構工作時，如果左側的液缸伸出時，右側的液缸縮回，形成1個液缸是推力、1個液缸拉力的作用狀態，行程上有一定余量。這樣使得翻轉機構的左右翻轉作用力相等，且能增大載荷能力。同樣由于液缸隨動，管線也安裝在外側有拖鏈引導，固定于主梁上，當坡道整體滑動時，不會與其他部位碰撞。

圖4　翻轉機構動作示意

1.5小鉗子

小鉗子用于夾緊鉆桿接頭，作用是一方面防止上升過程中掉落，另一方面承受旋扣時的反轉矩，最大夾緊力時可承受12 kN·m的反轉矩。小鉗子由鉗體、鉗爪和液缸組成，鉗體上有可拆卸的牙塊，鉗爪前端有圓周方向布置的可拆卸的牙塊，2種牙塊可互換。當液缸推動鉗爪時，鉗爪繞鉗體上的轉軸分別轉動，向放置在鉗體V形槽上的鉆桿接頭下壓，使得鉗體和鉗爪上的牙塊嵌入接頭表面(如?127 mm鉆桿接頭?168 mm外圓[5])。由于牙塊采用表面淬火處理，硬度可達55 HRC以上，因此牙板有較好的強度和耐磨性。牙塊牢牢地抓住鉆桿接頭，實現承受反轉矩的作用，完成旋扣動作。鉗頭采用曲線擬合設計，可兼容大部分鉆具接頭或者套管尺寸，鉗爪的壓緊力方向總是通過接頭的中心線，實現3點定位，在滿足轉矩的前提下一直夾緊接頭，小鉗子夾緊不同的鉆桿直徑，如圖5所示。

隨著生活水平的提高，人們對自身健康的重視也越來越高，食品已不再僅僅滿足于口味和營養，更要求其具有功能性，因此功能性食品的開發成為一大趨勢[1]。黃精為百合科植物黃精、滇黃精或多花黃精的根莖，功效良多，被列為上品的滋補藥，具有補氣益陰、健脾、潤肺、益腎之功效[2]，已被國家食品藥品監督管理局列為藥食兩用的中藥，也被廣泛用于功能性食品的制作中。現代研究表明，黃精具有降血壓、降血脂、降血糖、防止動脈粥樣硬化、延緩衰老和抗菌等作用[3]。

圖5　小鉗子夾緊不同直徑鉆具

1.6機械手同步回路

在裝置兩側安裝有機械手，負責將鉆具送上和送下坡道，每1對機械手沒有使用機械固連，而是安裝液壓同步回路。使用分流集流閥既可以使兩液壓缸的進油流量相等，又可使兩液壓缸的回油流量相等，從而實現兩液壓缸的往返同步[6]。液壓回路如圖6所示，機械手結構如圖7所示。

圖6　分流集流閥同步回路

圖7　機械手機構

2工作原理

2.1下鉆接單根

下鉆時，鉆具輸送裝置放置在鉆機的正前方，鉆桿放置在鉆具輸送裝置的左側或者右側。首先鉆具輸送裝置的小伸縮臂向前伸出，為后續鉆桿滾入做好準備，鉆桿從通用排管架上滾向鉆具輸送裝置，到達機械手鉤桿；液壓缸推動鉤桿，在同步回路的控制下，鉤桿同步運動，使鉆桿從排管架上被鉤起；隨著液缸到達最大行程，鉤桿上升直到上表面與水平面形成一定的角度，使鉆桿能夠自由滾向坡道。坡道翻轉機構的V形坡道可通過內部的液缸實現左右翻轉，在鉤桿到達高度前，坡道轉向有鉆桿的左位(或右位)，鉆桿在重力作用下滾向坡道V板，鉆桿到位后，坡道V板轉向中位。小伸縮臂縮回，小鉗子夾緊鉆桿的接頭，變幅液缸推動撐桿，撐桿一端連接有滑塊，滑塊在主梁下側滑動。隨著液壓缸的伸長，主梁快速升起到一定高度后，頂驅的變幅液壓缸推動頂驅翹起主軸，與鉆具輸送裝置上的鉆桿調整到同軸位置。此時，大伸縮臂伸出帶動坡道上的鉆桿一起在主梁上移動，頂驅上安裝有浮動短節，用于彌補螺紋傳動的位移差。鉆桿接頭對接后，頂驅旋轉主軸正轉，將螺紋旋緊，小鉗子松開，通過鉆機的提升系統將鉆桿沿坡道V板將鉆桿拉起，完成下鉆接單根工作。

2.2起鉆甩單根

起鉆過程與下鉆過程相反，鉆機提升系統將鉆桿提起離開卡瓦平面后，由液壓大鉗卸扣，頂驅旋開螺紋后，由扶正器推動鉆桿翹起一定角度。此時，鉆具輸送裝置主梁已經上升到鉆臺高度，小鉗子打開，鉆機提升系統下降，鉆桿下降，由于頂驅的變幅功能，鉆桿不斷變化角度，并下降高度，直至被完全放置在坡道V板中。小鉗子夾緊鉆桿接頭，頂驅反轉卸開螺紋，鉆桿脫離頂驅，鉆具輸送裝置按原來的路線返回，主梁下降至最低位置，機械手翹起鉤桿，小鉗子松開，小伸縮臂伸出，坡道翻轉至左側(或右側)，由于坡道翻轉的角度大于30°，V板的一側會與水平面形成負角度，鉆桿由于重力作用滾向機械手鉤桿，鉤桿的一側有一個小的凸起，可防止鉆桿滾回坡道。當機械手液缸縮回時，鉤桿帶動鉆桿平穩放置在排管架上，坡道V板回中位，等待下一次循環完成起鉆甩單根的工作。

3主要技術參數(如表1)

表1　主要技術參數

4創新技術

1)大小伸縮臂雙層設計，可利用小伸縮臂的單獨伸縮帶動小鉗子避讓一定距離，以方便鉆桿滾入坡道，還可以利用1 m長的伸縮距離來調整鉆具在坡道上的位置，方便夾住接頭本體；大小伸縮臂嵌套2層，并分別控制，使得小伸縮臂與大伸縮臂互相不受影響，又增大了伸長的距離；優化的管線設計使得管線的磨損降到最低。

2)小鉗子自定心設計，通過擬合鉗爪的移動軌跡，計算出鉗爪夾緊力法線的移動軌跡，使得在鉆具中心變化時，一直能夠使夾緊力法線方向通過管子中心線，實現3點定位夾緊。這種設計提高了小鉗子的通用性，省去了更換鉗爪的步驟，為用戶提供了便利，也提高了效率。

3)同步閥的應用使得兩側的機械手可用1條油路控制，不需要機械固連便可實現同步移動，舉升鉆桿更加平穩。

4)坡道翻轉機構液缸聯動設計，用2個對稱布置的液缸串聯油路，1個為推力，1個為拉力，實現翻轉機構的翻轉功能，增大了翻轉機構的載荷能力，同時又沒有增加原來機構的體積，結構緊湊。

5廠內試驗及現場應用

1)小鉗子夾緊力試驗。最大緊扣轉矩為12 kN·m，夾緊液缸實際油壓小于15 MPa。

2)翻轉機構試驗。利用長9 m、直徑180 mm的芯棒測試翻轉載荷，最大壓力17 MPa。

3)2012-12，中石油渤海鉆探公司在榮盛試驗1X井中采用該鉆具輸送裝置工程機原型進行了45°斜直井鉆井作業，達到了使用要求。

4)2014-10，方圓科技發展有限公司在中石油華固34-1、34-2井鉆井作業中使用該裝置工程機改進型，作業順利完成，滿足現場使用要求。

6結論

1)使用液壓鉆具輸送裝置改變了傳統的用鋼絲繩拉拽、坡道導引的模式，操作更加簡便，僅需1名操作人員和1名場地工，并且大幅減輕了勞動強度，而且可在3 min內完成接單根工序，整體安裝簡單，大幅縮短了鉆進輔助時間，提高了鉆進的效率，降低了鉆井附加費用[7]。

2)采用液壓控制，使操作人員和場地人員遠離危險源，人員安全得到保障。

3)地面井場設備的自動化程度要求越來越高，車載拖掛、自動化控制、遠程遙控、全電驅動、鉆機與鉆具輸送裝置一體化等技術將是今后的研究方向。

參考文獻：

[1]王軍，解慶，劉金榮.煤層氣勘探開發設備配套方案建議[J].石油礦場機械，2010，39(3)：79-82.

[2]趙淑蘭，李文彪，聶永普，等.動力貓道技術國內外現狀和發展趨勢[J].石油礦場機械，2010，39(2)：13-15.

[3]劉文慶，崔學政，張富強.鉆桿自動排放系統的發展及典型結構[J].石油礦場機械，2007，36(7)：74-77.

[4]成大先.機械設計手冊(第1卷)[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]SY/T5290—2000，石油鉆桿接頭[S].

[6]王益群，高殿榮.液壓工程師技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[7]寇紅濤，崔建春，劉海偉，等.液壓動力鉆桿排放貓道設計與應用[J].石油機械，2008，36(9)：29-35.

Research and Development of the Hydraulic Drill Pipe Handling System

WANG Jianwei，SUN Lili，WANG Weihua，LIU Shiyan，ZHANG Ning，WU Guohui，LI Shenkui

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062252，China)

Abstract：Due to not use the elevator and fixed catwalk on the slant drilling rig，the new equipments must be used to complete the works of the making a joint.By studying the function characteristics of the hydraulic top driver，hydraulic clamp，hoist system of the slant drilling rig，developed hydraulic pipe handling system，its function is similar to the power catwalk，and it is composed of the lifting，telescopic，rotating mechanism，little clamp，etc.The equipment can be controlled by the hydraulic，and need fewer operators，the intensity of labor is lower，the safety and efficiency are improved.

Keywords：light rig；make a joint；clamp；catwalk；hydraulic

中圖分類號：TE923

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.019

作者簡介：王建偉(1982-)，男，河北任丘人，工程師，主要從事斜直井鉆機設計及水下井控設備研發工作，E-mail：wjw647@163.com。

收稿日期：2015-10-20

文章編號：1001-3482(2016)04-0074-04