立柱式鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)與方案設(shè)計(jì)

王寶杰 尹曉麗 曹惠 劉志斌 張文科 張世奇

摘 要：傳統(tǒng)鉆桿運(yùn)移主要通過絞車拖曳提升和人工連接的方式完成鉆桿上下鉆臺任務(wù)，該方式不僅運(yùn)移穩(wěn)定性差、效率低，且工人勞動強(qiáng)度高，人身風(fēng)險(xiǎn)大。基于此，針對陸地鉆機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)了一套立柱式鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)，將極大減少工人數(shù)量，提高作業(yè)安全性。

關(guān)鍵詞：立柱式；鉆桿運(yùn)移；陸地鉆機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.052

鉆機(jī)在工作過程中鉆桿需要在鉆臺、排放架之間完成往復(fù)的運(yùn)移、連接、排放等操作。傳統(tǒng)的工作過程需要3-5名鉆工協(xié)同工作，通過鋼絲繩提拉與人工導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)鉆桿的運(yùn)移，整個過程工人直接接觸鉆桿，勞動強(qiáng)度高，人身風(fēng)險(xiǎn)大，且運(yùn)移穩(wěn)定性差，易對鉆桿造成損傷[1]。目前，油田開發(fā)處于中后期，鉆進(jìn)深度逐步增加，作業(yè)所需要鉆桿數(shù)量也隨之增加，且作業(yè)效率要求較高，因此實(shí)現(xiàn)鉆桿上下鉆臺時能夠完成自動運(yùn)移、連接、拆卸等工作，對于提高鉆井效率變得尤為重要。

開展鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)的研究順應(yīng)了鉆井設(shè)備朝自動化方向發(fā)展的態(tài)勢。本文就是在這種情況下撰寫出來的，其主要目標(biāo)就是針對ZJ70D鉆機(jī)設(shè)計(jì)一套鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)，為陸地鉆機(jī)鉆桿自動運(yùn)移提供可行的方案參考。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，美國的Varco公司和挪威的Aker Kvaerner MH公司在鉆桿自動運(yùn)移研究領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。Varco公司對鉆桿自動排放系統(tǒng)和鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)的研究已趨于成熟，其產(chǎn)品適用于大多數(shù)鉆機(jī)的管子排放系統(tǒng)。Aker Kvaerner MH 公司主要針對管子運(yùn)移系統(tǒng)和處理裝置進(jìn)行研發(fā)[2-3]。鉆井工業(yè)界一直在研究新型鉆井機(jī)械化設(shè)備嘗試改進(jìn)鉆井程序，具有代表性的是德國超深孔鉆進(jìn)股份有限公司的高度自動化的TUB-1型鉆機(jī)，其自主創(chuàng)新的移擺管子系統(tǒng)所具有的高度自動化特征是未來管子處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[4]。

以上鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)主要針對環(huán)境惡劣的海洋鉆井，陸地鉆井的鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)的研究較少。

國內(nèi)陸地鉆機(jī)鉆桿上下鉆臺主要有三種方式，一是采用電動或氣動絞車，二是利用吊車，三是采用動力貓道。采用電動或氣動絞車在輸送鉆桿時穩(wěn)定性低、效率低，易對鉆桿桿體和接箍造成損傷；利用吊車輸送鉆桿占用場地大、費(fèi)用高、穩(wěn)定性亦差；采用動力貓道輸送鉆桿是目前國內(nèi)的主流傳送方式，其中中石化工程機(jī)械有限公司、青島杰瑞、南陽二機(jī)等都對動力貓道和鉆桿自動運(yùn)移裝置展開過研究，目前已投入現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，但沒有實(shí)現(xiàn)鉆桿傳送的全自動化操作，仍依賴于人工操作或部分自動化傳送，不能完全滿足現(xiàn)代陸地鉆機(jī)自動化鉆井的需求。

2 立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成，整體安裝在井場前區(qū)位置如圖1所示。輸送系統(tǒng)擔(dān)任鉆桿的輸送和翻轉(zhuǎn)任務(wù)，主要由底座、輸送機(jī)和承重臂組成。舉升系統(tǒng)擔(dān)任鉆桿的舉升和平移任務(wù)，主要由桅桿、行走齒條和兩組機(jī)械臂組成。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)擔(dān)任鉆桿的平轉(zhuǎn)任務(wù)，主要由基座和旋轉(zhuǎn)液壓盤組成。

立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)主要用于鉆井作業(yè)時鉆桿、鉆鋌、石油套管等細(xì)長桿件從地面排放架到鉆臺的自動化運(yùn)移，為方便運(yùn)輸，立柱式鉆桿運(yùn)移裝置的底座采用一體化設(shè)計(jì)，如圖2所示。輸送機(jī)固定連接在基座上，距地面1-1.2m，可滿足多數(shù)鉆桿排放架的使用。

輸送鉆桿時，杠桿式勾爪勾取排放架上的鉆桿，在橡膠滾筒的滾動作用下將鉆桿輸送至承重臂上，通過液壓驅(qū)動承重臂翻轉(zhuǎn)從而改變鉆桿姿態(tài)，當(dāng)鉆桿垂直于地面時，舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)依次啟動，將鉆桿運(yùn)移至井口位置進(jìn)行連接。

為保證承重臂翻轉(zhuǎn)靈活可靠，此處采用位移補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)承重臂在0-90°內(nèi)自由翻轉(zhuǎn)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸長（收縮）至極限位置時，在電機(jī)的驅(qū)動下，翻轉(zhuǎn)液壓缸鉸鏈支座隨絲杠的轉(zhuǎn)動發(fā)生前后移動，使鉆桿在臥式與立式兩種姿態(tài)間往復(fù)切換，提高鉆桿的輸送效率和可靠性。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及特點(diǎn)

立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)適用于ZJ70D型電動鉆機(jī)，最大鉆深能力為5000-7000m，井架高度為45m，鉆臺高度為10.5m。為滿足鉆機(jī)鉆探需求，該系統(tǒng)采用電動和液壓驅(qū)動兩種傳動方式實(shí)現(xiàn)鉆桿運(yùn)移，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

3 立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)工作流程

3.1 鉆桿上臺過程

鉆桿上臺工作流程如圖3所示。

首先，勾取鉆桿至輸送機(jī)，輸送機(jī)將鉆桿輸送至承重臂適當(dāng)位置，固定機(jī)械手和翻轉(zhuǎn)機(jī)械手夾持鉆桿桿體，翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸出，帶動承重臂以轉(zhuǎn)動連接部分為中心向上轉(zhuǎn)動，電機(jī)驅(qū)動絲杠使翻轉(zhuǎn)液壓缸整體向前運(yùn)動，直至承重臂（鉆桿）與地面垂直。

其次，舉升系統(tǒng)的上、下兩機(jī)械臂運(yùn)動至適當(dāng)位置，機(jī)械手抓取鉆桿，行走馬達(dá)啟動，帶動上、下兩機(jī)械臂沿行走齒條垂直起升，至鉆桿下端面距鉆臺20-30cm高度時，舉升任務(wù)結(jié)束。

最后，旋轉(zhuǎn)液壓盤啟動，帶動桅桿以轉(zhuǎn)動連接部分為中心順（或逆）時針旋轉(zhuǎn)90°，將鉆桿從桅桿外側(cè)轉(zhuǎn)動至桅桿內(nèi)側(cè)；舉升液壓缸活塞桿收縮，水平液壓缸活塞桿伸長，將鉆桿以垂直鉆臺姿態(tài)水平運(yùn)移至井口位置，調(diào)整鉆桿與井口之間位置，鉆桿連接裝置啟動，進(jìn)行鉆桿連接，鉆桿上臺過程完成。

3.2 鉆桿下臺過程

鉆桿下臺工作流程如圖4所示。

首先，機(jī)械手夾持鉆桿，舉升液壓缸活塞桿伸長，水平液壓缸活塞桿收縮，將鉆桿以垂直鉆臺姿態(tài)水平運(yùn)移至桅桿內(nèi)側(cè)；旋轉(zhuǎn)液壓盤啟動，帶動桅桿以轉(zhuǎn)動連接部分為中心順（或逆）時針旋轉(zhuǎn)90°，將鉆桿轉(zhuǎn)動至桅桿外側(cè)。

其次，行走馬達(dá)啟動，帶動上、下機(jī)械臂沿行走齒條垂直下降至適當(dāng)位置，該過程進(jìn)行的同時承重臂已起升至預(yù)定位置，即承重臂處于垂直狀態(tài)，水平液壓缸活塞桿伸長將鉆桿水平運(yùn)移至固定機(jī)械手和翻轉(zhuǎn)機(jī)械手手心位置，并夾持鉆桿。

最后，翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿收縮，電機(jī)驅(qū)動絲杠帶動翻轉(zhuǎn)液壓缸向后運(yùn)動，使承重臂以轉(zhuǎn)動連接部分為中心轉(zhuǎn)動至水平位置，輸送機(jī)啟動將鉆桿輸送至適當(dāng)位置，勾取鉆桿至排放架上，鉆桿下臺過程完成。

4 桅桿的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

通過對桅桿的受力分析可知，當(dāng)兩組機(jī)械臂的主臂（長6m）水平時桅桿受力最大，即桅桿受到的壓彎組合載荷值最大。若機(jī)械手此時夾持的鉆具為11〃鉆鋌（476.2kg·m-1）且桅桿能夠正常承載，宏觀上不發(fā)生變形，則說明該桅桿能承載其他管狀類鉆具。桅桿受力狀態(tài)簡圖如圖5所示。

鉆鋌長度按9.45m計(jì)算，受力分析可知M=F·L=（476.2×9.45×9.8）6= 264.6 kN/m，由平衡方程：

（1）

解得F1=F3=11kN。兩組機(jī)械臂自重210kg，則F2=F4=210×9.8+476.2×9.45×9.8=46.2kN。由此桅桿各截面的彎矩和軸力圖如圖6所示。

由可知危險(xiǎn)截面為B截面，其中FN max=-46.2kN（壓力），Mmax=-127.5kN/m（逆時針）。桅桿整體采用熔渣焊焊接而成，且焊后需熱處理，提高其強(qiáng)度和后續(xù)加工精度，橫截面如圖7所示，其中橫截面積A=0.033m2，抗彎截面系數(shù)Wy=1.72×10-3m3。

所以：

（2）

（3）

解得，MP，則，強(qiáng)度條件滿足。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的立柱式鉆桿自動運(yùn)移系統(tǒng)是針對ZJ70D鉆機(jī)的配套設(shè)備，該設(shè)備操作方便，結(jié)構(gòu)可靠，可實(shí)現(xiàn)鉆桿上下鉆臺的自動化操作，不僅降低了勞動強(qiáng)度，延長鉆桿使用壽命，而且極大地提高了鉆井效率和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李寧，李林，李千山.深井鉆機(jī)鉆桿自動傳送裝置載重臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動化，2018，47（01）：213-217.

[2]尹曉麗.ZJ70DHY鉆機(jī)鉆桿自動連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2010：3.

[3]白丙建，譚剛強(qiáng)，欒蘇等.陸地鉆機(jī)鉆桿自動化處理系統(tǒng)方案設(shè)

計(jì)[J].石油礦場機(jī)械，2014，43（02）：86-88.

[4]劉廣志譯.UTB-1型超深井鉆機(jī)推進(jìn)了自動化的發(fā)展[J].維普資訊，23-27.

基金項(xiàng)目：校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（2017028）；

中國石油大學(xué)勝利學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助

作者簡介：王寶杰（1997-），男，山東臨沂人，本科，研究方向：材料成型及控制工程。