新型自動化鉆桿接頭螺紋清洗機的設計與應用

摘要：鉆桿是石油鉆探必備的生產工具，其螺紋端面的正常清洗維護是確保后期有效運作的重要環節。國內同行業對鉆桿螺紋的清洗維護普遍采取以室外清洗機為源動力，人工手持噴槍的清洗方式為主。文章結合前期清洗實際情況，對新型自動化鉆桿接頭螺紋清洗機的設計與應用進行了探討。

關鍵詞：石油鉆探；鉆桿接頭；螺紋；清洗機；鉆井 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE92 文章編號：1009-2374（2017）02-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.017

1 前期鉆桿螺紋清洗維護系統技術弊端

鉆桿是鉆井過程必須使用的重要工具，在井下惡劣的高溫、高壓、高含硫等復雜地質情況下長期運作，其端面螺紋頻繁受到拉伸、壓縮、扭轉、震動等各種復雜的交變應力，往往極易導致磨損失效，主要表現為鉆桿井下屈曲、錯斷以及本體化學腐蝕等。因此為有效確保后期鉆井生產及井下安全，需要定期將在鉆井現場的鉆桿拉回管具公司進行檢驗修復。

鉆桿在井隊使用后，接頭螺紋沾滿了泥漿和油污，看不到金屬底色，因而不能判斷接頭螺紋的磨損程度。所以鉆桿拉回管具公司后，第一道工序就是清洗鉆桿接頭螺紋，清洗干凈的目的首先是為判定接頭螺紋的磨損程度提供條件，其次為修理螺紋提供基礎條件。

以前鉆桿螺紋清洗是在室外進行，以清洗機作為動力，員工手持噴槍清洗。這種陳舊方式清洗主要存在以下技術弊端：（1）清洗質量差：清洗是低壓水噴頭對著鉆桿接頭螺紋一面噴洗的，螺紋的另一面不能清洗到。冬季接頭螺紋上的泥漿和油污結冰，低壓水噴頭不能完全清理掉泥漿和油污；（2）污染環境：清洗后的油污水、污垢隨意沖灑在地面上，沒有及時回收，造成環境負面影響；（3）時效低：陳舊清洗模式耗時長、人力得不到有效利用，對于大批量清洗工種而言，無法滿足生產需求。

2 新型自動化鉆桿接頭螺紋清洗機方案設計

2.1 總體方案及其參數

自動化鉆桿內外螺紋清洗機的組成：鉆桿內外螺紋清洗裝置由清洗內螺紋和清洗外螺紋兩部分組成。

清洗內螺紋部分由行走裝置、清洗頭、底座、翻轉機構和旋轉機構組成。

同樣，清洗外螺紋部分也是由行走裝置、清洗頭、底座、翻轉機構和旋轉機構組成。清洗內外螺紋的兩部分需要安裝在同一軸線、同一平面上。

主要技術參數：（1）清洗鉆桿范圍：60～139.7mm；（2）清洗時間：25s；（3）電機功率：15kW；（4）清洗泵壓力：0～4MPa；（5）外形尺寸：14000mm×700mm×1100mm。

2.2 上下料機構方案設計

上下料機構的作用是將鉆桿從清洗裝置中移出和移進，要求是將鉆桿從清洗裝置中移出和移進能一次完成。

如圖2，上料機構主要由左右連桿、左右銷釘、氣缸組成。其工作原理是利用氣缸的升降來實現鉆桿的上料和下料。當一根鉆桿噴焊完畢后，給出氣缸進氣的信號，氣缸上升，右連桿在氣缸的作用下升起，鉆桿沿連桿滾到右鉆桿支架上，實現鉆桿的下料；同時左連桿降下，左鉆桿支架上的鉆桿自動滾到被升起的位置，隨后氣缸下降，右連桿降下，左連桿升起，在左鉆桿支架被升起位置上的鉆桿隨左連桿升起，沿左連桿滾到支架上，實現上料過程。左連桿擋住下一根鉆桿，實現每次只上一根鉆桿的目的。

2.3 旋轉機構設計

旋轉機構由光電開關控制，當鉆桿擋住光電開關發射出的光線時，電路閉合，旋轉機構開始工作，旋轉機構的工作時間由2個時間繼電器控制，1個繼電器控制前25秒順時針旋轉，后一個繼電器控制后20秒逆時針旋轉，完全實現了自動化。

2.4 行走裝置

行走裝置直接用電路按鈕控制，在按下按鈕，行走裝置開始工作的同時，清洗泵電路自動接通，也開始工作，實現了行走裝置的機械化工作與清洗泵啟動自動化。

2.4.1 內螺紋的清洗機構方案設計。內螺紋清洗頭由本體、鋼絲刷、側板、側鋼絲刷，止位橡膠等組成。工作時中高壓清洗水從9個噴嘴噴出，和鋼絲刷相配合，開始清洗內螺紋。

2.4.2 外螺紋的清洗機構方案。外螺紋清洗裝置由噴嘴、連接板、本體、鋼絲刷、臺階面鋼絲刷等組成。

2.5 工作原理

首先位于內外螺紋清洗裝置部分的翻轉機構升起，下面的鉆桿滾動到翻轉機構上，然后翻轉機構下降，鉆桿被翻轉到旋轉機構上，然后旋轉機構帶動鉆桿開始順時針旋轉，同時內外螺紋行走裝置向鉆桿內外螺紋逼近，使噴洗頭伸進內外螺紋，同時清洗機開始工作，開始清洗工作，等清洗20s后，旋轉機構帶動鉆桿反向旋轉，25s后清洗完畢，行走裝置遠離內外螺紋，清洗泵停止工作，翻轉裝置升起，鉆桿被翻轉到上面支架上，同時下面的鉆桿滾動到翻轉機構上，開始下一根鉆桿的清洗。

3 現場應用效果

自動化鉆桿接頭螺紋清洗機已經成功用于西部鉆探工程公司吐哈鉆井公司的鉆桿檢驗修復中，2012～2013年，共清洗Φ114mm、Φ127mm、Φ139mm等各類型的鉆桿5000多根，清洗一對外螺紋和內螺紋需要25s；因為是自動清洗，清洗過程不需要工人操作，為防止發生意外，只需要一名員工照看機器，需要人員少，勞動強度低，因而提高了勞動生產率；清洗過后的廢水收集到了底座，通過底座進入到了污水處理裝置當中，清洗現場地面沒有以往常見污水橫流的現象，保護了環境；在現場應用當中，該清洗機效果良好，取得一定的經濟效益和社會效益。

4 結論與建議

（1）自動化鉆桿接頭螺紋清洗機通過旋轉機構使鉆桿旋裝，行走機構迫使內、外螺紋清洗頭深入到鉆桿內、外螺紋當中，高壓清洗水從內、外螺紋清洗頭中噴出，配合鋼絲刷將內、外螺紋清洗干凈；（2）在自動化鉆桿接頭螺紋清洗機工作過程中，因為是自動化操作，所以勞動強低，需要人員少，清洗效率高；（3）工作過程產生的油污水能夠有效回收，保護了環境。

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作者簡介：張天輝（1981-），西部鉆探工程公司吐哈鉆井公司助理工程師，研究方向：鉆具、鉆井工具和井控設備技術管理。

（責任編輯：黃銀芳）