自動化貓道設計在石油鉆機上的應用研究

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）

經濟社會的發展進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其數，是經濟發展的命脈。我國作為發展中國家，對石油能源的需求更是巨大，國家每年都要從國外大量進口原油，同時加大國內的石油開采量，用以滿足我國經濟發展需求。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的自動化程度，提升石油開采效率。

目前我國石油鉆機的主要設備自動化程度，與發達國家的石油鉆機水平不相上下，但在石油鉆機輔助設備的自動化上，卻仍處于落后狀態，存在勞動量大、危險系數高等顯著缺點。故此，需要加快石油鉆機輔助設備的自動化研發與應用，進一步提升我國的石油鉆機技術，提升石油開采效率、自動化程度及安全性，推動我國石油鉆機技術的進一步發展。本文就貓道的自動化設計與應用進行分析，探索有效的貓道自動化設計方案，進一步推動我國石油鉆機技術的發展，為我國經濟發展做出貢獻。

1 石油鉆機自動化貓道意義與運行原理

1.1 自動化貓道應用的意義

目前全球的石油開采主要以鉆井的方式進行開采，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進行運輸。貓道是排管運輸的輸送通道，而傳統上、下管柱傳輸，需要應用貓道上的氣動絞車掛掛住管柱，在通過人力進行拉拽，不但需要大量的人力勞動，同時在拉拽過程中會導致管柱出現一定磨損，降低了管柱的使用壽命，導致石油鉆機存在一定的安全隱患問題。故此，需要提升石油鉆機的貓道自動化程度，提升石油鉆機的管柱運輸效率與安全性。

1.2 國內外自動化貓道現狀分析

目前我國對于石油鉆機的貓道自動化研究投入較少，僅有少數單位致力于石油鉆機的貓道自動化研究，多數石油開采仍在采用傳統的貓道運輸管柱的方法。只有少數國有裝備公司研發了自動化貓道，如南陽二機石油裝備有限公司研發的自動化貓道，其由撬裝模塊組成，具有穩定高、利于安裝維修、運輸方便等優勢，但由于其結構簡單，只能進行簡單的自動化操作，其自動化程度無法滿足石油鉆機的作業需求。又如中國石化集團勝利石油管理局研制的自動化貓道設備，其利用油缸液壓驅動雙搖桿，在通過搖桿的加長油缸傳送管柱，其具有運輸速度快、適用不同高度的石油鉆機作業等優點，但其缺點也相對明顯，油壓過高、需要消耗大量能源維持運行。

國外石油鉆機的自動化貓道設計，根據設計特點大體可以分為3類。

（1）固定式自動化貓道設計。該類自動化貓道設計采用固定式結構，貓道沿固定軌道運行，管柱卡在貓道的卡槽中進行傳輸。該類自動化貓道結構簡單，但管柱需要通過卡槽進行傳輸，在安裝過程中會使管柱產生磨損，降低管柱是使用壽命。

（2）升舉式貓道設計。該類自動化貓道采用液壓裝置，驅動支撐臂運輸管柱，在管柱傳輸至鉆機平臺相同高度，再通過推送裝置將管住推送至鉆機。

（3）機械手臂式。該種方式摒棄了傳統的貓道設計理念，采用機械手臂直接完成管柱的上下運輸。該種設計理念具有自動化程度高、工作效率快等優點，但其需要高負荷的液壓動力系統驅動機械手臂的運轉，安裝、維修、運輸成本相對較高，適合大型石油鉆機作業需求。

1.3 自動化貓道的運行原理

通過分析國內外的自動化貓道設計來看，貓道的自動化設計主要在于管柱的上鉆臺與下鉆具的自動化設計，故此，可以將其自動化原理分為2部分，一為上鉆臺自動化原理、一為下鉆具自動化原理。

上鉆臺自動化原理：以低位運行情況為例，此時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，導致排放架一端上升，在重力的驅使下排放架會向貓道滾動。排放架滾動過程中遇到貓道限位銷，就會卡住滾動的排放架，同時觸發拔板液鋼頂起排放架，此時排放架上的鉆具高度若高于限位銷就會繼續向上滾動直至云梁凹槽。同時，由于排放架的滾動會觸發安全銷，推動主梁上升同時啟動雙向液壓馬達運轉，推動小車將管柱推送至鉆機完成管柱上鉆具運輸。

下鉆自動化運行原理：鉆具送至鉆機平臺，吊卡驅使鉆具抵住貓道云梁，之后運輸小車與鉆具接觸，將鉆具引向云梁凹槽，到位后觸發安全銷彈出。鉆具卸載時，啟動回收主液鋼的安全銷，推動小車將鉆具引向云梁凹槽，鉆具全部進入云梁凹槽后，促使拔板液鋼啟動將鉆具帶回排放架，完成下鉆自動化。

2 石油鉆機自動化貓道優化設計

2.1 端部液壓缸的優化設計

石油鉆機的貓道自動化動力驅動由液壓缸提供，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力大小，與活塞桿的有效面積、活塞桿的工作壓力有直接關系，想要進一步提升自動化貓道的動力總成，可以通過提升液壓缸的工作壓力，或加大活塞桿直徑來實現動力提升。

（1）考慮增加液壓缸工作壓力的方式來優化自動化貓道設計。眾所周知，液壓缸的工作壓力提升是相對較難，從設計方案到設備制作，都是需要投入大量資金才能完成，會提高自動化貓道設備的成本，而成本一旦增加對于中、小型的石油開采企業來說，其市場競爭力就大幅下降了，故此，增加工作壓力的方案不作為貓道自動化優化設計的首選方案。（2）考慮以增大活塞桿直徑的辦法，來優化貓道自動化設計。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現。但在實際石油鉆機作業中，要考慮到貓道設備的自重問題，無限制的增大液壓缸體積就會導致貓道自動化設備重量的無限增加，同時，液壓缸的耗能性也會大幅增加。而對于中小型的石油鉆機來說，需要上、下鉆具相對較少，較少的鉆具傳送若采用大規模自動化貓道設備，就會造成大量的資源浪費。縱觀石油鉆機的發展趨勢，增大活塞桿直徑的方案，與石油鉆機的發展形式不符，故此，增大活塞桿直徑方案被排除。（3）由于沒有投入實際作業的自動化貓道設備的數據參數，無法得知液壓油缸的其他工作參數，也就無法獲得自動化貓道的實際動力大小。但就目前投入實際石油開采的自動化貓道設備來看，液壓缸安全銷的伸出都是以鉆具排滿一層作為觸發點，這是一個很明顯的設計缺陷，要考慮到深井鉆井的鉆具需求量，增加鉆具運輸量滿足鉆井作業需求。

根據對自動化貓道運行原理及優化方案分析，得到針對端部液壓缸的優化設計可以從以下幾方面入手。

（1）端部液壓缸的獨立使用，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輸量，以三層排管運輸為例，若排放架疊滿三層排管，獨立式液壓缸只需考慮排滿后的動力輸出，觸發安全銷伸出頂起排放架即可，無需考慮貓道下部對動力的需求及下補兩層的排管重量。該種優化方案，沒有從提升頂端液壓缸的動力輸出入手，采用獨立使用的方法，在提升工作效率的同時無需對自動化貓道設備進行重新設計與制作。

（2）液壓缸與排放架的分開使用，二者自成一體獨立運行，同時增設液壓缸的起升護罩，通過起升護罩將液壓缸的銷軸連接。起升護罩由三塊鋼板組成，側面鋼板設計3個擋片孔，由于擋片安裝，值得注意的是在擋片孔的設計，要預留液壓缸的起升空間，避免排管架與起升護罩產生碰撞。在擋片安裝時，應采用上下兩個銷軸卡住擋片，以免擋片發生位移。

（3）液壓缸的管線優化設計。原有的自動化貓道液壓缸管線較為理想，只是管線采用了固定化設計，不利于自動化貓道的安裝、維修，可將原有管線設計改為快插式。以三層排管架為例，優化后的自動化貓道設計，采用銷軸連接液壓缸與起升護罩，運行后鉆具一端會插入到兩側起升護罩的插孔中，從而確定液壓缸位置。而當第三層的擋片插入擋控后，就可以確定銷軸位置，直接與液壓管管線連接，此時若是液壓缸處于上升狀態，液壓缸就會頂起起升護罩，然后觸發頂層擋片頂起，從而頂起鉆具使其滾入凹槽完成鉆具上升運輸。同時在擋板孔的設計中，由于留有液壓缸的移動空間，為護罩移動提供了充足空間，當二層排管子處于起升護罩處于不動狀態，同時在頂層鉆具傳送完成后，第二層排管開始滾動插入插孔中，按照頂層排管的運行狀態完成第二層排管運輸。

2.2 安全銷及踢出機構的優化設計

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

自動化貓道的下鉆具運行中，安全銷通過伸出可以將管柱踢出凹槽，在與推動小車接觸完成下鉆具運轉。綜上所述，安全銷無論是上鉆具、還是下鉆具都會頻繁運轉，在頻繁的伸出、彈回工作中，會造成安全銷的損耗較大，易出現安全隱患問題。針對改點可以進行自動化貓道的優化設計。目前，自動化貓道的安全銷設計，都是采用分開設計，這里可以采用合并安全銷方法進行優化設計。以上鉆具為例，此時貓道成上升狀態，端部的液壓缸會逐漸升起，導致鉆機管柱開始滾動，同時外傾斜機的油罐呈伸出狀態，再次推動石油管柱向翻轉機構傳輸。當鉆機管柱觸發液壓鋼的安全銷伸出后，第一根管柱就滾進了凹槽中，同時，管柱一端會插入到反轉機構當中，將鉆機管柱鎖死，也就說一個凹槽只能滾入一根管柱，減少了安全銷的應用。

3 結語

石油作為一種不可再生的重要能源，被稱為軟黃金，對國民經濟的發展起著至關重要的作用。而由于石油所處的地理位置，對于石油的開采，一般采用鉆井作業方式進行開采工作。隨著機械自動化的發展，石油鉆機自動化的程度越來越高，相對于傳統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。由于鉆井的特殊構造，隨著開采深度的增加，需要不斷增添鉆機管柱，滿足鉆井開采需求。目前，最為先進的石油鉆機技術，無論是石油鉆機的主體設備，還是石油鉆機的輔助設備，都進行了自動化改造，大大提升了工作效率與安全性，但我國目前對于石油鉆機的輔助設備自動化應用技術，并不成熟，需要進一步進行研發與實踐。本文就石油鉆機的自動化貓道優化設計進行討論，分析自動化貓道的優化設計，可以從液壓缸的優化改造和安全銷的優化改造入手，提升石油鉆機的自動化程度，推動我國石油開采行業的進一步發展。