MZJ6型鉆機動力水龍頭滑車裝置研制

魏柳興，包文濤，任　行，牛永超，馬進生

(1.南陽二機石油裝備集團有限公司，河南 南陽 473006；2.中國石油技術開發公司，北京 100028)

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MZJ6型鉆機動力水龍頭滑車裝置研制

魏柳興1，包文濤2，任行1，牛永超2，馬進生1

(1.南陽二機石油裝備集團有限公司，河南 南陽 473006；2.中國石油技術開發公司，北京 100028)

煤層氣車裝鉆機的動力水龍頭的鉆桿連接方式存在勞動強度大及生產效率低的問題。設計了一種動力水龍頭滑車裝置。該滑車裝置利用鼠洞位置進行垂直鉆桿連接，采用液壓反饋控制技術，大幅降低了勞動強度，提高了鉆進效率，滿足了國內外用戶對煤層氣鉆機使用性能不斷提高的要求。

車裝鉆機；動力水龍頭 ；滑車裝置

隨著科學技術的日新月異，煤層氣鉆機技術在不斷向前發展。從國外使用情況來看，動力水龍頭式單根車裝鉆機以其鉆進效率高、整體搬家方便等優點成為現代煤層氣鉆機的發展趨勢。該類型鉆機主要將動力水龍頭與滑車設計成一體，目前水龍頭與鉆桿連接方式主要有2種：

1)連接鉆桿時水龍頭下降到一定高度，并且傾斜一定角度，與地面上吊起的鉆桿連接，這種連接方式需要2～3人輔助，傾斜式連接使得對接時間較長，作業效率比較低。

2)連接鉆桿時鉆桿通過吊裝裝置在1～2人協助下將鉆桿吊至水龍頭下方，通過動力水龍頭旋轉與鉆桿對接，這種方式屬于鉆桿高位連接，安全系數不高，且這種方式對水龍頭的卸扣轉矩要求高，增加動力水龍頭成本。

隨著鉆機人性化設計程度的提高，國內外用戶對車裝鉆機使用性能同步提高[1-4]，現有的鉆桿連接方式已經不能滿足現代鉆井工藝的要求。因此，針對MZJ6型煤層氣單根鉆機設計一種動力水龍頭滑車裝置，該裝置能夠為動力水龍頭提供一種低勞動強度、高鉆進效率的鉆桿連接方式。

1　設計思路

該滑車裝置以動力水龍頭在鼠洞處連接鉆桿為對象，對其各個動作及結構進行設計，保證滿足動力水龍頭正常鉆井作業前提下，使其具備在鉆臺鼠洞處連接鉆桿功能。該裝置連接架與動力水龍頭連接為一體，鉆井作業時，雙向伸縮液壓缸處于伸出狀態，動力水龍頭隨滑車主體沿導軌進行鉆井作業。待鉆完一根單根鉆桿后，動力水龍頭通過滑車提升到一定位置，雙向伸縮液缸縮回，旋轉液缸將動力水龍頭推至備有待連接鉆桿的鼠洞位置，水龍頭與鼠洞中鉆桿進行連接。完成鉆桿連接后，滑車將動力水龍頭提升到可旋轉高度，旋轉液壓缸縮回，動力水龍頭回到井口位置。雙向伸縮液壓缸伸出，動力水龍頭與滑車主體固定，動力水龍頭繼續進行鉆進工作。液壓控制系統采用自動化反饋控制，提高了控制效率和安全性。該滑車裝置使動力水龍頭與鉆桿連接時不需要傾斜一定角度，而且還可以使用液壓大鉗，大幅提高了鉆桿連接效率。

2　結構

2.1總體結構

動力水龍頭滑車裝置結構如圖1，主要零部件包括動力水龍頭連接架、滑車主體、導軌、提升銷子、旋轉銷軸、鎖緊銷軸、雙向液壓缸、旋轉液壓缸等。該動力水龍頭滑車裝置安裝到井架前腿內側的導軌上，鉆機作業是沿導軌方向上下運動。

1—動力水龍頭連接架；2—滑車主體；3—導軌；4—鉆進下拉銷軸；5—旋轉銷軸；6—動力水龍頭；7—井架。

1—旋轉液壓缸；2—提升銷軸；3—鎖緊銷軸；4—雙向伸縮液壓缸；5—動力水龍頭；6—限位裝置； 7—井架。

1—導向滑輪；2—內側導向滑輪；3—動力水龍頭。

2.2動力水龍頭連接架

動力水龍頭連接架為動力水龍頭的連接主體，主要由板材焊接而成。該連接架一端與滑車主體鉸接，另一端配有雙向伸縮液壓缸裝置，在鉆井時實現連接架與滑車主體固定，在連接鉆桿時實現連接架與滑車主體分開。連接架轉動通過轉動液壓缸實現，其運動路徑設計為以鉸接點為轉點，動力水龍頭中心在井口和鼠洞線路進行往返旋轉運動。 連接架上配有可調節定位裝置，實現動力水龍頭井口和鼠洞位置的定位。

2.3滑車主體

滑車主體包括提升耳板、下壓耳板、導向滑輪、內側導向滑輪等零部件。本體采用板材和型鋼焊接而成，并配有動力水龍頭連接架鉸接座和固定座。滑車主體通過導向滑輪和內側導向滑輪卡于導軌上，保證動力水龍頭在井口位置穩定進行鉆進作業。提升耳板設置于滑車主體上端，實現滑車裝置提升。下壓耳板設置于滑車主體下端，為鉆機鉆井作業提供鉆壓。滑車主體配置的導向滑輪和內側導向滑輪結構為降低摩擦力結構，提高了滑車的使用壽命。

2.4導軌

為了使結構緊湊，滑車主體導軌選擇在井架前腿內側，這樣鉆桿連接裝置的外形尺寸將比較小，質量較輕。導軌為滑車裝置提供上下運動路徑。本體采用方管結構，在其下端設置有限位裝置，增加滑車使用的安全性能。

2.5液壓控制及反饋系統

滑車裝置液壓控制及反饋系統原理如圖2所示。通過圖2中的三位四通閥來控制旋轉液缸及雙向鎖緊液缸的動作。為了保證滑車使用安全可靠，在液壓系統中增加了旋轉液壓缸及雙向液壓缸反饋系統。工作時，在雙向缸上鎖緊銷軸縮回到位時便會頂住肘閥，當兩個鎖緊銷軸同時到位時，旋轉液缸控制閥主油路開通，控制閥方能有效控制。肘閥有一路氣通往司鉆箱氣壓表，司鉆可以隨時看到鎖緊銷軸的工作狀態。控制旋轉液壓缸推動水龍頭連接架旋轉到鼠洞位置時，肘閥便會被頂住，此時司鉆箱上的氣壓表便會顯示動力水龍頭旋轉到鼠洞位置。增加的這套反饋裝置使整套系統自動化及安全性能更高，司鉆可以通過司鉆箱上的氣壓表隨時監測雙向液壓缸和旋轉液壓缸的工作狀態。

1—兩位三通氣控閥；2—三位四通換向閥；3—液壓表；4—液壓泵；5—濾油器；6—溢流閥；7—旋轉液壓缸；8—肘閥；9—氣壓表；10—雙向鎖緊液壓缸；11—雙向閥。

2.6主要部件強度計算

采用有限元軟件建立模型，施加最大載荷90 kN，校核連接座及滑車主體的強度。圖3為連接座體有限元計算的應力云圖，最大應力為106 MPa，小于材料的許用應力345.0 MPa[5]，計算得其安全系數為3.25，符合API要求的鉆機提升系統的安全系數大于3的規定。

圖3　動力水龍頭連接架有限元計算應力云圖

圖4為滑車主體有限元計算的應力云圖，最大應力為64 MPa，滑車主體采用的主要材料為Q345B，計算得其安全系數為4.6，符合API要求的鉆機提升系統的安全系數大于3的規定。由于鉆井時存在較為復雜的工況條件，所以設計的安全余量較大。

圖4　滑車主體有限元計算應力云圖

3　工作原理

為了保證安全性，動力水龍頭滑車裝入導軌后，使用前必須將圖1中導軌下端限位裝置裝上。煤層氣鉆機上配備有提升裝置，控制提升裝置使動力水龍頭滑車能到達工作行程內的任何一個高度。滑車上配備的旋轉液壓缸控制動力水龍頭連接架的旋轉，配備的伸縮液壓缸控制鎖緊銷軸的伸出和縮回，在動力水龍頭連接架上設計有可調節性定位裝置，調節定位裝置保證動力水龍頭連接架回轉到位后鎖緊銷軸與滑車主體上連接座孔的同軸性。

煤層氣鉆機工作時，動力水龍頭滑車工作步驟如下：

1)在提升裝置的控制下，動力水龍頭滑車下降到合適高度，控制雙向液壓缸縮回鎖緊銷軸。

2)控制旋轉液壓缸將動力水龍頭連接架由井口中心旋轉到鼠洞位置，動力水龍頭與鼠洞備好的鉆桿連接，液壓大鉗上緊。

3)控制提升裝置使動力水龍頭滑車上升到合適高度，旋轉液壓缸縮回，使動力水龍頭及鉆桿由鼠洞位置回到井口中心，控制雙向液壓缸伸出鎖緊銷軸。

4)動力水龍頭滑車下降，水龍頭上的鉆桿與已鉆進的鉆桿連接后，在鉆進下拉裝置的助動下繼續鉆機工作，鉆入連接好的鉆桿后，動力水龍頭滑車繼續循環上述動作，進行鉆桿的連接和鉆進。

4　技術參數

最大提升載荷

90 kN

動力水龍頭最大轉矩

5 kN·m

滑車工作行程

10 m

動力水龍頭架旋轉角度

0～ 90°

液壓缸工作壓力

14 MPa

外形尺寸(長×寬×高)

1 134 mm×680 mm×1 178 mm

5　創新技術

1)實現動力水龍頭在鼠洞與鉆桿的低位垂直連接，方便液壓大鉗的應用，使鉆桿連接效率大幅提高。

2)旋轉液壓缸、雙向伸縮液壓缸配合，實現動力水龍頭連接架從井口中心到鼠洞位置連接鉆桿，再從鼠洞位置回到井口中心進行鉆進作業所需要的鎖緊和旋轉的一系列動作，顯示出了人性化設計。

3)滑車主體采用了雙向滾輪導向功能，即沿導軌前后側滾輪導向，及沿導軌內側滾輪導向，保證了動力水龍頭運行平穩，提高滑車的使用壽命。

4)增加了鎖緊銷軸和旋轉液缸的反饋裝置，實現了司鉆對鎖緊液缸及旋轉液缸工作狀態的自動化監測，使滑車使用時更安全、準確。

5)連接座體具有調節定位裝置，保證了水龍頭連接架旋轉到位后鎖緊銷軸順利穿上。

6　試驗及應用

在MZJ6型煤層氣鉆機現場試驗中，按照試驗規程通過動力水龍頭對單根鉆桿連接裝置做90 kN的載荷試驗，試驗順利通過，達到預期使用要求。

該裝置于近幾年配備到國內及出口的600～1 500 m的煤層氣鉆機上，得到用戶認可，認為該動力水龍頭滑車裝置使用效果良好，雙向液壓缸和旋轉液壓缸反應靈活，動力水龍頭旋轉到鼠洞位置準確。在連接鉆桿和鉆井作業中，滑車上設計鼠洞鉆桿連接方案及采用自動化反饋控制系統，節省了鉆桿的連接時間，降低了勞動強度，提高了鉆進效率及工作安全性。

7　結語

MZJ6型煤層氣鉆機動力水龍頭滑車裝置采用鼠洞位置垂直鉆桿連接方式及液壓反饋控制方法，達到了降低勞動強度及提高鉆進效率的目的。該裝置以其低位垂直鉆桿連接技術、雙向導向滑輪減摩擦結構、使用壽命高等特點，受到國內外用戶的青睞。隨著國內外煤層氣開采力度加大，煤層氣鉆機需求量將日益增多，該動力水龍頭滑車將有很好的市場前景。本項目已獲得實用新型專利及發明專利，實用新型專利號為：201020516438.2；發明專利號為：201010271767.X。

[1]陳如恒.破除舊觀念 創造新鉆機(四)[J].石油礦場機械，2008，37(6)：1-5.

[2]陳如恒.破除舊觀念 創造新鉆機(五)[J].石油礦場機械，2008，37(7)：1-10.

[3]劉欽祥，張勇，劉永勤，等.ZXJ30XZK型鉆機的開發研制[J].石油礦場機械，2007，36(7)：75-77.

[4]李文藝，楊延娟，王志忠，等.車裝鉆機套管臺的研制與應用[J].石油礦場機械，2009，38(6)：83-84.

[5]方昆凡，黃英.機械工程材料實用手冊[M].沈陽：東北大學出版社，1995.

Development of MZJ6 Drilling Rig Power Swivel Pulley

WEI Liuxing1，BAO Wentao2，REN Hang1，NIU Yongchao2，MA Jingsheng1

(1.RG Petro-machinery(Group)Co.，Ltd.，Nanyang 473006，China；2.China Petroleum Technology & Development Corporation，Beijing 100028，China)

Aiming at the problem that the drill pipe connecting of coal movable drilling rig’s power swivel arose more working force and low efficiency.A pulley of power swivel was designed to settle the problem.By connecting drill pipe in mousehole and hydraulic feedback controlling，the pulley of power swivel improve drilling efficiency and reduce working force.It meets for the requirements of well drilling rig to the domestic and the overseas users.

movable rig；power swivel；pulley

1001-3482(2016)05-0079-04

2015-11-25

河南省重大科技專項“智能化斜直井關鍵技術研發及產業化”(141100210700)

魏柳興(1983-)，男，工程師，廣東汕頭人，2006年畢業于西安石油大學機械設計制造及其自動化專業，現主要從事石油鉆井設備的技術研制，Email：laoweiliuxing@163.com。

TE923

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.018