修井鐵鉆工自動找中關鍵技術研究

趙勇

（長沙中金智能裝備有限公司，長沙410100）

0 引 言

隨著鉆、修井自動化技術的推廣，鐵鉆工取代常規的液壓大鉗及B型鉗，已成為主流趨勢，鐵鉆工可極大程度地降低鉆臺面工人的勞動強度和作業風險。尤其對修井作業而言，起下鉆更加頻繁，鐵鉆工更是不可或缺。與鉆井鐵鉆工相比，修井鐵鉆工目前還處于起步階段，只有個別廠家開發了初步產品，如SIR025及STG30鐵鉆工。由于修井作業時，管柱中心與井口中心不重合，鐵鉆工無法自動準確找到管柱中心，需多次人工微調，效率低，且易造成管柱上卸扣時剝皮、打滑；油管旋扣時偏扣、旋不到位等問題，嚴重制約了修井鐵鉆工的推廣應用。針對上述問題，本文分析了主要的影響因素，并提出相關的解決方案，為修井鐵鉆工的推廣應用提供了有力支撐。

1 修井鐵鉆工無法找中的原因及影響

修井作業時，井口位置已固定，而修井機和鉆臺面安裝時存在誤差，造成油車大鉤中心與井口中心不重合，為避免起下鉆過程中管柱與套管偏磨及管柱憋勁，通常采用外置式氣動卡瓦，由于管柱接箍在起下鉆過程中經常會刮碰氣動卡瓦，造成氣動卡瓦每次的位置不固定，即管柱與井口不同心。以2-7/8 in管柱而言，據現場了解，在安裝誤差、套管內徑，井口尺寸、管柱柔性等因素影響下，管柱中心在周向方向可偏離井口中心50 mm左右，如圖1所示。

圖1 井口與管柱位置關系

修井鐵鉆工作業時，伸縮臂帶動鉗體向井口靠攏，由于鉗體中心無法與管柱中心重合，就需要司鉆工進行微調，但由于鐵鉆工一般安裝在司鉆房對面，司鉆工無法準確觀察鉗體是否與管柱同心，因此有時需要一個鉆臺面工人在井口指揮。這樣就嚴重影響了作業效率及自動化程度的提高。更為嚴重的是，由于鉗體與管柱中心不重合，四塊牙板中可能僅有2塊牙板夾緊鉆桿，將會造成接箍上卸扣時打滑、剝皮（如圖2），使管柱提前報廢。而對油管而言，由于是細牙螺紋，以常用的2-7/8 in油管為例，其螺距為2.54 mm，計算可知若上下油管偏差2°就會造成偏扣。由于鉗體中心無法與油管中心重合，因此經常出現損壞螺紋或旋扣不到位的情況。

2 修井鐵鉆工自動找中機構

圖2 管柱上扣打滑、剝皮

鉆井鐵鉆工一般僅需采用接近開關即可找中管柱，這是由于鉆井作業起下鉆采用嵌入式卡瓦，管柱中心即為井口中心，因此僅需在前后方向感應到管柱即可[2]。而修井鐵鉆工則需左右、前后兩個方向找中管柱，無疑增加了技術難度。采用作者前期所提出的兩個自動找中專利，現場作業實踐證明可有效解決左右、前后兩個方向自動找中的問題，但均有一定的局限性：文獻[3]由于需要布置3個接近開關，對于尺寸規格較小的管柱，存在接近開關信號相互干擾的情況；文獻[4]則需要根據管柱規格更換過渡座，同時，接近開關調整麻煩。

本文提出的修井鐵鉆工自動找中機構如圖3、圖4所示。自動找中機構安裝在鐵鉆工夾緊鉗底部，由帶位移傳感器的伸縮油缸、V形導向板、可調節位置的感應裝置等組成。

圖3 夾緊鉗與自動找中機構

圖4 夾緊鉗與自動找中機構頂視圖

自動找中機構的伸縮油缸的缸筒端固定在夾緊鉗底部，活塞桿端安裝1個V形導向板；感應裝置安裝在夾緊鉗底部，前端安裝1個接近開關，根據修井常用管柱類型，設置2-7/8 in、3-1/2 in 等2 個檔位，并可通過拔插定位銷方式快速調節接近開關位置。

由于修井作業時常用的管柱規格為2-7/8 in油管、2-7/8 in鉆桿及3-1/2 in鉆桿，因此所設計的修井鐵鉆工U形鉗口寬度尺寸為150 mm，而考慮管柱中心變化范圍，鉗口前端設置導向角，其最前端寬度尺寸為220 mm，即針對最大規格的3-1/2 in鉆桿，在鐵鉆工標定好井口中心的情況下，無論鉆桿中心在井口如何變動，鉗體的導向角均可將3-1/2 in以內的管柱包含其中。

修井鐵鉆工臂架油缸，自帶位移傳感器，可驅動鉗體前進或后退；回轉機構由液壓馬達帶動小齒輪，進而驅動回轉支撐使鉗體回轉。鉗體的伸縮和回轉，均由電磁比例閥控制。

3 自動找中機構工作原理

以2-7/8 in鉆桿為例，當鐵鉆工處于待機位置時，鉗體U形口正對井口中心；找中機構的伸縮油缸帶動V形導向板前伸至已設置好的距離，此距離保證當2-7/8 in鉆桿與鉗體中心重合時，鉆桿本體的外壁恰好與V形導向板兩側邊相切；自動找中的接近開關處于2-7/8 in檔位，此檔位保證當2-7/8 in鉆桿外壁與V形導向板兩側邊相切時，接近開關恰好接收到信號。另外，待機位時，回轉電磁閥處于關閉狀態。找中機構的作業流程如圖5所示。

圖5 自動找中作業流程

作業時，鉗體在伸縮臂推動下，從待機位快速向井口中心移動，當距離井口中心一定長度時開始減速，以降低鉗體的慣性沖擊。

當夾緊鉗U形口導向角最前沿越過井口中心（臂架油缸的位移傳感器計算距離）時，回轉機構的電磁轉向閥開啟，回轉機構液壓馬達的進、出油路聯通，回轉機構處于“浮動”狀態，此時鉗體端無須施加很大的側向力，即可使鐵鉆工整體旋轉。

鐵鉆工繼續前伸，使2-7/8 in鉆桿逐步進入夾緊鉗U形鉗口直線段，并進入找中機構導向板區域，由于回轉機構處于浮動狀態，因此相對固定的鉆桿可迫使鉗體根據鉆桿的位置微調（回轉），最終使鉆桿的外壁與V形導向板兩內側邊相切，而接近開關也同時感應到鉆桿外壁，并將信號反饋，鐵鉆工停止前伸，自動找中結束。此時管柱前后、左右的中心均與鉗體中心重合。整個自動找中過程中，鉗體與管柱相對應的位置關系如圖6所示。

當使用3 -1/2 in 管 柱時，將感應裝置的插銷插在3 -1/2 in檔位，同時鐵鉆工控制面板上選擇3-1/2 in 管柱類型即可，此時找中機構的伸縮油缸能自動將V形導向板伸至相對應的位置。

圖6 鉗體與管柱位置關系

4 結 語

針對修井作業起下鉆時，管柱與井口中心不重合的特點及原因，研發出一套適用于修井鐵鉆工的自動找中機構。該機構利用移動式導向板、移動式感應機構與鉗體自浮動功能，使鉗體可沿相對固定的管柱自行調整，最終實現前后、左右兩個方向的中心重合。機構簡單實用，自動化程度高，可真正意義上實現修井鐵鉆工的“一鍵操作”。