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

彭長(zhǎng)江

（中石化江漢石油工程有限公司，湖北 武漢 430070）

近年來，我國(guó)機(jī)械自動(dòng)化水平逐漸提高，在此情況下，我國(guó)鉆機(jī)行業(yè)具有越來越高的自動(dòng)化程度，現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)研制出符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的石油鉆機(jī)主體配套設(shè)備，相對(duì)來說，石油鉆機(jī)外圍配套設(shè)備還較為落后，存在危險(xiǎn)系數(shù)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)。在此種情況下，相關(guān)學(xué)者需要將石油鉆機(jī)配套設(shè)施自動(dòng)化水平作為未來重要研究方向，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工具優(yōu)化，在此過程中強(qiáng)化自動(dòng)化貓道的設(shè)計(jì)和應(yīng)用屬于重要途徑，可以在提高石油鉆機(jī)工作效率的同時(shí)，使其配套設(shè)備具有更高自動(dòng)化水平和安全性。

1 國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化貓道發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)對(duì)鉆井平臺(tái)貓道的自動(dòng)化研究起步時(shí)間短，對(duì)鉆井平臺(tái)貓道進(jìn)行自動(dòng)化研究的企業(yè)很少，大部分企業(yè)采用的是常規(guī)的貓道輸送原油的方式，所以國(guó)內(nèi)的自動(dòng)貓道很少，比如，中國(guó)石油化工公司研發(fā)的一種自動(dòng)貓道裝置，它采用了液壓缸和雙搖臂，通過搖臂的動(dòng)作，可以將汽缸輸送到較高的高度，其在實(shí)際應(yīng)用中具有適用性強(qiáng)、運(yùn)輸速度快的特點(diǎn)，但是也存在很明顯的缺點(diǎn)，如能源消耗大、油壓過高等。與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外在設(shè)計(jì)石油鉆機(jī)自動(dòng)化貓道方面主要分為以下三類：（1）固定式自動(dòng)化貓道。這種全自動(dòng)貓道的主要特征在于它采用了一種固定的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)貓道的運(yùn)轉(zhuǎn)是在一條固定的鐵軌上進(jìn)行的，而貓道上的插槽則是用來運(yùn)送管道。這一類型的自動(dòng)貓道的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，但是它僅能夠在插槽中傳送管柱，在進(jìn)行裝配作業(yè)時(shí)容易造成管柱的損耗，從而縮短了井下管柱的使用壽命。（2）提升型貓道。此種自動(dòng)貓道主要組成部分為液壓機(jī)構(gòu)，內(nèi)部管架為管柱輸送工具，當(dāng)管柱和鉆機(jī)平臺(tái)在水平上處于相同位置時(shí)，在推送裝置的影響下管柱會(huì)運(yùn)行到鉆機(jī)位置。（3）機(jī)械手型。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的貓道結(jié)構(gòu)有很大的不同，它是由機(jī)器人的手臂來進(jìn)行的。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)在于工作效率高、自動(dòng)化程度高，但機(jī)器人的操作必須使用高負(fù)載的液壓功率系統(tǒng)，相關(guān)企業(yè)需要投入非常高的成本用于運(yùn)輸、安裝以及維修等工作，在大型石油鉆機(jī)作業(yè)中較為適用。

2 石油鉆機(jī)自動(dòng)化貓道運(yùn)行原理

在石油鉆機(jī)實(shí)施鉆井作業(yè)的過程中，自動(dòng)化貓道運(yùn)行原理能分為上鉆臺(tái)和下鉆具兩個(gè)方面：（1）在上鉆臺(tái)時(shí)，如果它是在較低的工況下，在貓道主體內(nèi)是一個(gè)比較平坦的地方，當(dāng)鉆桿式的液壓油缸伸出來以后，支架的一端就被提了起來。在自身的引力影響下，鉆具開始向著卸料臺(tái)的斜面進(jìn)行滾轉(zhuǎn)，在滾至卸料臺(tái)本體時(shí)，將達(dá)到卸料架限位銷位。這時(shí)離鉆頭最近的那一面的拉板液鋼就會(huì)伸出來，這樣就能起到頂起撥板的作用，如果這些情況都得到了解決，那么與限制銷接近的鉆頭也會(huì)被抬起來，當(dāng)鉆頭的高度超出了限制銷后，在很小的一段時(shí)間里鉆桿會(huì)朝著拉板斜道上滾，直至它滾進(jìn)云梁的溝槽中，這時(shí)就會(huì)將安全銷釘汽缸的保險(xiǎn)銷釘擠壓出來，使主要液態(tài)的鋼材處于伸長(zhǎng)的狀態(tài)，將前面的支撐架頂起來，把主梁推到預(yù)定的地方，這樣主系統(tǒng)中的雙向液壓電動(dòng)機(jī)就會(huì)開始工作，帶動(dòng)鏈輪進(jìn)行各種動(dòng)作。在這段時(shí)間內(nèi)，鉆具頂部的吊卡被卡死，完成了鉆井平臺(tái)的全過程。（2）下井時(shí)，第一個(gè)起作用的是起吊，它將鉆桿往云頂上移動(dòng)，推動(dòng)小車與鉆頭的底座相接觸，小車本身就有導(dǎo)向裝置，可以用來驅(qū)動(dòng)鉆頭，最后整個(gè)裝置都會(huì)被吸入云龍的凹槽中，而在這個(gè)過程中安全栓也會(huì)起作用。當(dāng)回收主要液態(tài)鋼時(shí)，將會(huì)回收出安全針，接著起動(dòng)推棒液開始工作，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，首先，將鉆具移動(dòng)到云梁凹槽上,將液壓鋼板驅(qū)動(dòng)到貓道主體上的拉拔板，然后把鉆具從貓道中推出來并送到排桿架上，至此，整個(gè)貓道下鉆工具的整個(gè)過程就結(jié)束了。

3 石油鉆機(jī)自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)策略

3.1 科學(xué)調(diào)整送鉆柱裝置構(gòu)成

送鉆柱裝置主要包含鏈條、踢出機(jī)構(gòu)、傳送本體、被動(dòng)鏈輪總成、液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、小滑車、安全銷總成、主動(dòng)鏈輪總成、調(diào)節(jié)頂絲等部分。使用石油鉆機(jī)的過程在本質(zhì)上就是依靠送鉆柱裝置向前或向后帶動(dòng)管柱，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，管柱整個(gè)過程都會(huì)被固定在送鉆柱裝置中部V 形槽，而且安全銷會(huì)設(shè)置在其傳送本體兩邊，進(jìn)而保證管柱固定在V 形槽中。小車實(shí)際運(yùn)動(dòng)中將帶著管柱向著與之相同的方向移動(dòng)，在拉桿的影響下，小滑車和鏈條同步動(dòng)作，鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，從而為順利運(yùn)行小滑車提供保障。

3.2 確定技術(shù)參數(shù)

在石油鉆機(jī)貓道自動(dòng)化控制中，運(yùn)輸管柱長(zhǎng)度應(yīng)始終處于最大狀態(tài)，即13.5m，相應(yīng)鉆臺(tái)面需為12 ～12.2m 高度，相對(duì)濕度要求為≤90%（+20℃），最大工作負(fù)荷為45kN，單根運(yùn)行周期為120s，環(huán)境溫度為-20 ～50℃，自重為32880kg，運(yùn)輸管柱最大直徑為φ508mm，最大輸出功率為55kW，該動(dòng)力貓道如圖1 所示。

圖1 動(dòng)力貓道示意圖

3.3 電氣控制系統(tǒng)

在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)保證參數(shù)合理非常重要，設(shè)置15A、220V/50Hz 的控制單元，75kW、380V/50Hz 的2 路動(dòng)力電源。在控制系統(tǒng)監(jiān)控工作方面，相關(guān)人員應(yīng)努力做到穩(wěn)定性高和效率高，以西門子PLC 相應(yīng)的無線控制標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)司鉆一體化控制、緊急控制、無線遙控等綜合控制模式進(jìn)行科學(xué)安排。

當(dāng)PLC 控制器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若發(fā)生局部故障，則當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，操作員可以通過當(dāng)?shù)氐木o急操作臺(tái)來實(shí)施系統(tǒng)檢測(cè)，從而確保在維護(hù)過程中，該系統(tǒng)仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。利用遠(yuǎn)距離無線遠(yuǎn)程控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與管理。在使用本系統(tǒng)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)該采用按鍵式的自動(dòng)控制模式，既要保證其動(dòng)作的連續(xù)性，又要保證位置的準(zhǔn)確性。在司鉆一體化操作方式下，通訊是通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，從而形成了司鉆一體化操作工作方式。

3.4 動(dòng)力貓道操作流程

在動(dòng)力貓道作業(yè)中，起鉆是首個(gè)作業(yè)過程。有關(guān)人員要根據(jù)實(shí)際情況，將鉆具放置在排管架的左邊，施工人員要確保管排架的布局符合標(biāo)準(zhǔn)，最常用的位置是伸入的位置。將鉆桿放進(jìn)傾斜裝置。將外傾機(jī)構(gòu)及操縱保險(xiǎn)銷釘置于延伸位置，使鉆柱提升至高于保險(xiǎn)銷，并將鉆桿插入貓道中間進(jìn)鉆裝置內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)工程的具體條件，對(duì)外傾機(jī)構(gòu)展開了合理的設(shè)計(jì)，以保證該裝置能夠達(dá)到工程的各種要求。操縱繩雙動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，將牽引裝置推向鉆桿機(jī)構(gòu)，直至安放到位。接著操縱小車，在動(dòng)力的作用下驅(qū)動(dòng)小車，使鉆具在鉆臺(tái)上移動(dòng)。傾斜機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傾斜機(jī)構(gòu)示意圖

由有關(guān)人員根據(jù)司鉆組合系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使用鉆具進(jìn)行頂驅(qū)作業(yè)，并將鉆桿下入V 形槽。當(dāng)所有的鉆桿鉆進(jìn)V 型槽后，確認(rèn)它和擋板非常接近時(shí)才將吊卡打開。在這個(gè)過程中，鉆桿一定要移動(dòng)到與V 形槽完全接觸的位置。然后，根據(jù)系統(tǒng)的操作規(guī)程來啟動(dòng)雙動(dòng)絞車，根據(jù)實(shí)際的使用要求將送鉆柱裝置降到與貓道水平面相齊的位置。之后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全銷作業(yè)，作業(yè)結(jié)束后再收回。根據(jù)說明書，并且把鉆桿從V 形槽中推出來。最后，為了保證內(nèi)傾斜機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，務(wù)必將鉆桿推到管排架處，然后將內(nèi)傾斜機(jī)構(gòu)調(diào)整到初始狀態(tài)。踢出機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 踢出機(jī)構(gòu)示意圖

4 石油鉆機(jī)自動(dòng)化貓道設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

在開采某油井時(shí)相關(guān)人員使用了石油鉆機(jī)貓道自動(dòng)化設(shè)計(jì)方式，該油井具有如表1 所示的井身結(jié)構(gòu)。

表1 井身結(jié)構(gòu)情況

在開采該油井的過程中，氣井鉆井液密度附加值為0.07 ～0.15g/cm3，在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，可按照真實(shí)情況調(diào)整。很多鉆井企業(yè)在工作中以油基鉆井液體系為主，鉆進(jìn)時(shí)使用密度下限值，大幅度提升了井下施工的安全性。表2 為各井端密度設(shè)計(jì)情況。

表2 各井段密度設(shè)計(jì)

相關(guān)人員在經(jīng)過討論后，決定使用ZJ90DB-S 鉆機(jī)鉆井，井下各個(gè)地點(diǎn)平均可達(dá)到7000m 深度，最大深度為7515m。要求將5-1/2”鉆桿調(diào)整成5”鉆桿后實(shí)施5開鉆作業(yè)，而且應(yīng)該接入新5117.26m5”鉆桿，在開展作業(yè)時(shí)鉆桿為表3 所示數(shù)值。

表3 常用鉆桿數(shù)值

5 結(jié)語(yǔ)

近年來，我國(guó)鉆井勘探技術(shù)越來越完善，在很大程度上提升了鉆井機(jī)械的自動(dòng)化操作水平。在落實(shí)鉆井工作的過程中，要想使鉆井工作具有更高的工作效率和安全性，相關(guān)人員可以合理搭配使用啟動(dòng)卡瓦、鐵鉆工、鉆桿自動(dòng)化處理裝置、鉆具自動(dòng)排放裝置以及動(dòng)力貓道等。另外，在落實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)科學(xué)調(diào)整送鉆裝置構(gòu)成、合理確定技術(shù)參數(shù)、構(gòu)建電氣控制系統(tǒng)、制定動(dòng)力貓道操作步驟等，依靠以上措施能夠使我國(guó)石油鉆機(jī)操作自動(dòng)化水平得到有效提升。