貓道機結構及功能分析

崔海朋

（青島杰瑞工控技術有限公司，山東青島 266061）

0 引言

目前修井機中管柱從井場場地上下鉆臺面的方式是需要三四個場地工配合使用氣葫蘆把管柱順著斜坡道提升到鉆臺面的傳統人工作業模式，上下管柱一直是風險系數高、勞動強度大、耗費時間長、占用人工多的施工過程。

近年來，隨著中國石油和天然氣總公司對鉆井安全生產要求的不斷提高，自動化程度的不斷提高，管柱處理實現自動化控制已成為一種趨勢，在這種情況下貓道機的出現實現管柱處理自動化。因此，建立一套管柱自動化處理的貓道機已成為鉆井平臺實現自動化的主要設備。

1 貓道機國內外發展現狀對比

從我國石油鉆機裝備制造情況來看，生產成套石油鉆機、鉆機控制裝備、海洋鉆井平臺或水下生產系統等具有較大影響和規模制造能力的企業相對較少。目前整套鉆機或修井機廠家很少，只有極少數大型制造商正在大力發展，但貓道機都沒有體現在所生產的系列產品中，關于貓道機的研制都在前期調研準備階段[1]。

國外對石油鉆機的自動化裝備研究已經比較成熟，大部分石油鉆機都已經配套相應的自動化和機械化裝置，國際上比較有代表性的國家有美國、德國、英國、挪威、加拿大等。美國的National Oil Well Varco公司是世界上最早研究開發鉆柱自動化操作技術的廠家之一。目前Varco公司的管柱自動化操作系統已經實現模塊化和系列化，能夠滿足陸地和海洋不同類型鉆機的需求。挪威Aker Kvaerner公司從1980年開始為陸地和海洋石油鉆機提供鉆井管柱自動排放和管柱處理裝置，目前發展為多種類型的管柱處理裝置，且技術水平先進，自動化程度高[2]。這些鉆機都具有的共同特點是：普遍采用井口自動化系統、頂驅系統和輔助配套自動化裝置，通過工業計算機控制和記錄鉆井作業的全過程，從而實現自動控制井口的起下鉆、上卸扣和排管整套鉆機的機械化操作。

國外對石油鉆機智能控制裝備的使用非常普及，具有自動化程度高、作業效率高、作業安全性高等特點，引領著國際石油鉆機的發展方向。目前西方發達國際的鉆機發展正在從陸地鉆機向海洋鉆機移動，海上鉆井市場已成為全球鉆井工業的重要部分。國外的海洋鉆井平臺將向高可靠性、自動化、多功能化以及深水領域方向發展。

2 結構分析

貓道機主要包括下底板組、底座組、底座-管架挑管組、滑動臂支撐腿組、滑動臂組、滑動臂翻管組、滑動車組、坡道組、動力管架組，如圖1、2所示。

圖1 貓道機機械結構圖

圖2 貓道機機械結構圖

下底板組在設備中起到連接上下部件的作用，在下底板下方裝有限制設備前后移動的限位塊。

底座組安裝在下底板上方，與下底板進行焊接，底座組共包括兩個底座，這兩個底座成左右對稱結構。每個底座分為上底座蓋和下底座兩個部分，在每個底座上裝有滑動臂支撐腿滑動導軌，對滑動臂支撐腿組滑動起到導向支撐作用，并保證滑動臂在滑動時的安全性和穩定性。另外在滑動導軌前端裝有兩組彈簧減震裝置，此裝置是為減輕滑動臂支撐腿組與限位塊之間的撞擊效果[3]。

底座-管架挑管組安裝在底座組-下底座上，再由上底座蓋將其整體蓋住。底座-管架挑管組由旋轉傳動軸、挑爪、帶座軸承及油缸組成。底座-管架挑管組作用是將管柱從動力管架移送至滑動臂上，保證在移送不同規格的管柱時無需進行部件替換。油缸作為動力源，通過連接塊將油缸輸出力傳遞到旋轉傳動軸上，帶動挑爪進行管柱移送。

滑動臂支撐腿組安裝在滑動臂下后方，與滑動臂采用銷軸連接方式。滑動臂支撐腿組起到對整個滑動臂支撐的作用，并保證滑動臂能夠安全、正確、穩定的滑動。滑動臂支撐腿組結構主要包括支撐腿本體及支撐輪組部分，支撐輪組包括4個縱向支撐輪及4個側導向輪，限制滑動臂支撐腿組在上、下、左、右4個方向上的移動，保證支撐輪組在底座導軌中正確、穩定的運動。

滑動臂組與滑動臂支撐腿組之間采用銷軸連接。滑動臂組主要包括滑動臂本體、后支撐輪組、前支撐輪組、滑動車軌道。滑動臂本體是整個滑動臂組的支撐框架，滑動臂本體上表面采用V型槽結構，保證管柱在滑動臂內能夠很好的放置，保證管柱在滑動臂運動時的安全性。后支撐輪安裝在滑動臂后端，是在底座導軌的上表面上運動，在后支撐輪組未脫離軌道前起到支撐滑動臂的作用。前支撐輪組安裝在滑動臂前端，當設備不使用或工作回到初始位置時對滑動臂起到支撐作用，當設備運行工作時在坡道-滑動臂軌道上運動，保證滑動臂組能夠穩定的向上運動。滑動臂-滑動車軌道在滑動車前后運動時起到導向作用，保證滑動車按照預定軌跡運動[4]。

滑動臂翻管組安裝在滑動臂內部，在甩管柱時負責將管柱從滑動臂上移送到動力管架上，滑動臂翻管組主要包括左翻翻管組和右翻翻管組，其中每個翻板組包括兩個同步滑動臂翻板。

滑動車組放置在滑動臂上方，負責管柱的上下移送工作。滑動車組主要包括滑動車本體、支撐輪組、管柱鎖定裝置。滑動車本體是滑動車組的主要框架。支撐輪組包括4個縱向支撐輪及4個側導向輪，限制了滑動車組在上、下、左、右4個方向上的移動，保證了滑動車組在滑動臂導軌中正確、穩定的運動。管柱鎖定裝置是為了保證在滑動車上下移動時管柱能夠完全的與滑動車一起下滑，通過油缸輸出力的作用使前端卡爪卡住管柱，與滑動臂一起移動。

坡道組安裝在底座前端，與底座之間銷軸連接，坡道設計成可旋轉折疊式結構，當設備在運輸時可將坡道完全折疊放置在底座上，當設備安裝使用時再將坡道打開繼續安裝。坡道組主要包括坡道本體和支撐導向輪組兩部分。在坡道本體上有坡道-滑動臂軌道，負責滑動臂前端支撐輪組的導向支撐作用。在滑動臂沿著坡道向上運動過程中，當滑動臂前端支撐輪組脫離坡道支撐軌道時，坡道支撐導向輪組與滑動臂下軌道接觸，滑動臂沿著坡道支撐導向輪組繼續向上運動，起到支撐導向的作用[5]。

動力管架組的作用是將管柱自動排放的裝置，管架前端底座連接處可實現旋轉折疊效果，當管架不用時可回收至底座附近不會影響設備的整體占用空間。動力管架組安裝在底座的左右兩側，動力管架組共分為左、右兩組動力管架，每組有3個管架，即本設備共有6個管架。當地面不平整時管架可自行調節實現管架受力方向始終保持豎直。管架連接塊用于連接管架本體和底座，實現管架與設備本體合為一體。

3 功能分析

（1）可適應不同規格、不同長度的管柱自動移送、自動排放。貓道機可實現多種規格和長度的管柱的自動移送、自動排放。在底座上有3個挑爪結構，可實現從4.7～10.5 m不同長度管柱的自動移送。

（2）可實現不同長度的管柱均能自動準確的送至井口位置。通過編碼器和接近開關作用，當管柱前端接觸到接近開關時，由于接近開開關距離井口位置是一個定值，那么通過編碼器控制可實現管柱精確的到達井口位置。

（3）管柱自動長度測量及數據輸出。通過編碼器及接近開關收取信號進行管柱長度計算，在計算管柱長度時可在設備的顯示屏上手動輸入公扣的長度，通過控制器內部計算可得出管柱最終連接在一起的長度，并且可將管柱相關參數輸出。

（4）貓道機“一鍵送鉆”。“一鍵送鉆”按鈕可分為兩種功能：在送鉆時，此按鈕的功能是將管柱從動力管架上直接送至井口位置；在甩鉆時，此按鈕的功能是將設備從甩鉆最終狀態恢復至甩鉆初始狀態。

（5）貓道機“一鍵甩鉆”。“一鍵甩鉆”按鈕可分為兩種功能：在送鉆時，此按鈕的功能是將設備從送鉆最終狀態恢復至送鉆初始狀態；在甩鉆時，此按鈕的功能是將管柱從鉆臺面上送至動力管架上[6]。

4 結論

該貓道機實現了管柱在場地與鉆臺面之間的自動搬運和自動排放，操作方式為遙控器操作，并具備接口方便與司鉆房集成控制系統連接，配視覺系統可以實現貓道機在司控室進行控制操作。是提高作業效率，增強安全作業，減少鉆工人員，降低工人勞動強度，降低建井周期和成本和實現高自動化作業模式的關鍵所在。