液壓自動排管架研制與應用

杜明賢，張志偉，張 強，段 武，毛玉琢，劉 旬

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

石油鉆機在鉆井過程中，井場地面排管架主要功能是存放管柱、輸送管柱[1]。就其輸送功能而言，無論是管柱由排管架向動力貓道的輸送，還是管柱由動力貓道向排管架的輸送，都只能依靠人力實現，勞動強度大，效率不高，且存在風險。隨著石油自動化鉆機技術的不斷發展與應用，管柱自動化設備從單元設備應用發展到現在成套系統集成，取得了可喜的成績[2-3]。國內外的動力貓道通常自帶有管柱地面輸送裝置[4-12]，但該裝置都存在輸送距離短、載荷小、批量少等缺點，且管柱儲存數量有限，其主要作用是為了補充和完善動力貓道舉升管柱的核心功能。伴隨著各種自動存儲輸出裝置的研制及應用，解決了現有鉆柱存儲結構復雜、工藝流程繁瑣、占用空間大、安全風險高等問題[13-14]，但地面堆場管柱輸送的主要形式仍以車輛的舉升、抓取或人工搬運為主，管柱由自動存儲輸出裝置經過地面排管架到動力貓道的輸送卻沒有專門的自動化設備，這種現狀嚴重影響了石油鉆機的自動化水平，無法滿足石油自動化鉆機技術發展與應用的需求。迫切需要研究開發自動化排管架以代替人工操作，實現地面堆場管柱輸送作業自動化，降低勞動強度，提高作業安全性及工作效率。

1 技術分析

1.1 結構

液壓自動排管架是一種具有管柱存放、輸送與回收功能的地面管柱自動化設備。設備采用遠程控制油缸以實現排管架的頂升、造斜功能，保證管柱能夠平穩有序的滾動，完成管柱自動化輸送與回收。

液壓自動排管架有多種組合形式。較為普遍的組合形式是由4組單節液壓自動排管架組成，即左、右各2組，每組2節，如圖1所示。現場可根據所使用管柱數量、井場設備布置或鉆井工藝設計，按需擺放液壓自動排管架組數，比如左邊3組、右邊1組。井場安裝時，液壓自動排管架安裝在與動力貓道相互配合的指定區域。液壓自動排管架擺放到位后，相鄰的液壓自動排管架之間由銷軸連接，以保證液壓自動排管架工作的穩定性。

每組液壓排管架同側位置的油缸具有同步起升功能，可實現管柱的同步、平穩滾動，管柱在液壓自動排管架上的輸送狀態如圖2所示。

1—左側第二組排管架；2—左側第一組排管架；3—右側第一組排管架；4—右側第二組排管架；5—動力貓道。

圖2 管柱在一組液壓自動排管架上的輸送狀態

單節液壓自動排管架主要由底座、導管架、導向機構、折臂、起升油缸、擋管板、擋銷等組成，單節液壓自動排管架的結構如圖3所示。

1—底座；2—導管架；3—導向機構；4—折臂；5—起升油缸；6—擋管板；7—擋銷。

1.2 工作原理

參照圖2～3，液壓自動排管架工作時，液壓油通過同步閥分別到達液壓自動排管架的兩端油缸，兩端油缸能夠同時起升。導管架是組焊的三角桁架，結構穩定性強，受重載時不會產生變形，具有側向抗彎曲能力。油缸起升實現導管架的造斜，管柱沿導管架滾下，通過掌控傾斜的角度來控制管柱滾動的速度，保證管柱平穩有序滾動。折臂是隨動機構，起到防止導管架失穩的作用。油缸推動導管架起升時，折臂隨之展開；導管架落下時，折臂隨之縮回。導向機構能夠保證導管架起升時左右方向中心位置不變。存儲管柱時，擋銷對導管架上的管柱起到阻擋作用，輸送管柱時，將相應端的擋銷拔出。擋管板的作用是：當導管架一端起升時，擋管板阻擋相鄰導管架上的管柱，防止管柱滾下或碰壞油缸，如圖4所示。

圖4 擋管板阻擋管柱滾下

液壓自動排管架電控系統與動力貓道電控系統集成，采用西門子PLC及無線控制技術，配備有無線遙控、本地應急控制、集成司鉆3種控制模式，本地操作與無線遙控具有權限互鎖功能。

1.3 技術參數

單組排管架額定舉升載荷

300 kN

排管架高度

1 070 mm

單組排管架有效長度

8 190 mm

單節排管架質量

2 500 kg

1.4 關鍵技術

以提高鉆機自動化、智能化水平作為目標，實現管柱平穩有序輸送，開展了液壓自動排管架的相關研究、設計、試制、試驗等工作。

1) 應用有限元分析技術，設計液壓自動排管架桁架結構形式，保證起升承載后，結構不變形、穩定可靠，具有抗沖擊性。

2) 采用先進的液壓控制技術，實現液壓自動排管架起降同步，動作靈敏度高。

3) 控制系統充分與動力貓道融合控制，提高管柱自動化設備系統整體集成性。

2 現場應用

液壓自動排管架累計配套新制自動化鉆機40余臺套，在舊鉆機的自動化升級改造中也得到了單元設備選型配套，收到了可觀的經濟效益。液壓自動排管架現場使用如圖5所示。現場應用證明，液壓自動排管實現了地面堆場管柱輸送作業的自動化，有效降低勞動強度；操作人員遠離管柱堆場區域，提高了作業安全性；用戶可根據現場使用需求進行個性化配套組合。

圖5 液壓自動排管架現場輸送管柱

3 結論

1) 針對井場地面排管架管柱不能自動化輸送的不足，也為了滿足石油自動化鉆機技術發展與應用的需求，研究開發了液壓自動排管架，并在自動化鉆機中得到了廣泛配套。現場應用證明，該型液壓自動排管架能夠滿足現場應用要求，實現了地面堆場管柱輸送作業自動化，降低了勞動強度，提高了作業安全性及工作效率，達到了預期目標。

2) 液壓自動排管架現舉升額定載荷為300 kN，下一步可深入油田調研，結合現場需求，開發額定舉升載荷更大的液壓自動排管架，供用戶選擇配套。

3) 現液壓自動排管架為單層輸送管柱，為更進一步提高鉆柱輸送效率，應進一步研究液壓自動排管架雙層管柱輸送技術，即：兩層管柱擺放在液壓自動排管架上，兩層管柱之間擺放油管作為隔層，輸送管柱時，先輸送第二層，切換檔桿，再輸送第一層。