石油鉆機自動化貓道優化設計策略

＊李世偉 于芬 夏正廷 錢隆 顧生琴

（1.蘭州理工大學技術工程學院 甘肅 730000 2.蘭州公路局中川公路段 甘肅 730000）

前言

現階段，我國在機械自動化方面的研究取得了巨大進步，在石油領域中，對鉆機自動化行業起到推動作用，其主體配置可以與國際水平相媲美，然而鉆機外圍配置相對發達國家還是處于1960-1979年的水準，具有勞動大、系數高的特征。由此，需要加大對石油鉆機外圍的研究力度，提升解決問題的能力，促使鉆機整體能夠跟得上時代發展，其中自動化貓道技術對石油鉆機工作效果具有一定的促進作用，能夠有效的提升其工作效率，進而加強石油鉆機工作的自動化水平，增強安全性，因此本文對石油鉆機自動化貓道優化設計策略進行詳細探討，具有一定的現實性研究意義。

1.石油鉆機自動化貓道運行原理

針對石油鉆機在進行鉆井作業期間的鉆具排放以及上鉆臺、下鉆臺的操作原理進行分析，然后根據當前國內外對自動化貓道研發現狀，從上鉆臺、下鉆具兩方面來對自動化貓道運行原理進行總結和探討。

其一，上鉆臺運行原理，若運行所處條件為低位情況下，貓道主體中云梁所處位置為相對水平狀態，對于鉆桿排放架支腳液鋼伸出來后，促使排放架其中一端處于升起狀態，然后鉆具就會借助本身具有頭的重力，朝向排放架斜面方向的貓道主體進行滾動，在滾動過程中，若滾動至排放架限位銷所處位置后就會處于卡住狀態，這時候可伸出鉆具相近一側的拔板液鋼，以此來促使拔板處于頂起狀態，這時與限位銷相近的鉆具也隨之被抬起來，在這種情況，若鉆具上升高度比限位銷高度大的情況下，鉆具就會順延拔板斜面方向進行滾動運行，逐步運動至云梁凹槽所處位置，與此同時安全銷氣缸中的安全銷也會因此壓出來，主液鋼處于伸出狀態，將前方支架推起來，促使主梁不斷上升至一定位置，通過以上，主系統中雙向液壓馬達因此進入正式運轉狀態，驅動鏈輪進行相應的運動，促使小車推動鉆具朝向井口方向行駛，吊卡在鉆具頂端位置處于卡住狀態，這時候即完成鉆具上鉆臺這一運行過程。

其二，下鉆具運行原理，在進行鉆具下放作業時，首先要做的就是借助吊卡促使鉆具底部位于云梁處，然后小車與鉆具底部兩者之間進行接觸，通過小車在其中的引導作用，促使鉆具隨著小車引導進行滑移運動，逐步進入云梁凹槽中，與此同時安全銷也會隨之處于伸出狀態[1]。收回主液鋼這時候安全銷就會被收回，推桿液鋼就會因此啟動正式開展相應工作，在運行過程中，先將鉆具推到云梁凹槽中，促使貓道主體上拔板液鋼處于運行狀態，然后將貓道中的鉆具推出至鉆桿排放架，通過以上即完成貓道下鉆具這一運行過程。

2.石油鉆機自動化貓道優化設計策略

(1)端部液壓缸優化設計

假設活塞桿伸出時推力為F：

則F=Ap*106=π/4D2p*106

在上述式子中，A、p、D分別指的是活塞桿測有效面積（單位：m2）、工作壓力（單位：MPa）、活塞桿直徑（單位：m）。

通過上述式子能夠明顯看出，推力大小取決于工作壓力和活塞桿直徑。若加大推力，就得通過提升液壓系統額定工作壓力的方式來實現，也可通過加大活塞桿直徑來實現。

其一，通過提升系統壓力的方式來進行整個液壓系統壓力設計，需要用到的設計成本、制造成本等隨之增加，因此這種方式不可行。

其二，通過改變液壓缸直徑的方式來進行設計優化，從理論上來講，這種優化方式具有實施可行性，但要想進一步加大液壓缸的直徑，只能根據最大鉆具開展相應的重量計算。簡單來講，若鉆具相對比較少，或為“3-1/2”鉆桿或比上述更小的鉆桿情況下，就會使得液壓缸在其中的體積過大，這種情況下就會導致能源資源消耗量增加，與此同時，需要用到的改造成本也有一定的增加，因此上述改造不適用于當前市場發展形勢。

其三，因無法查詢到端部液壓缸其他更多詳細數據參數信息，因此也就無法切實獲取到具體推力大小[2]。但在實際應用中，不論井深設計結果，將各種類型鉆具排滿為一層狀態下，液壓缸也就呈伸出狀態，很明顯，相關廠家在進行設計時，只將這一層鉆具排放考慮其中，而沒有將更多的鉆具排放考慮其中。

根據上述，對于端部液壓缸的優化方案可這樣進行設計：將液壓缸以獨立狀態使用，運用銷軸將管排架與液壓缸連接起來，然后將帶孔可插入式裝置安裝在上部位置，若管排架排滿三層之后，只要頂起頂層鉆具，對于下部兩側不需要與液壓缸進行連接，同時液壓缸也不需要承受下補兩層鉆具帶來的重量壓力。通過上述優化方案，能夠實現不對液壓系統壓力、液壓缸直徑、液壓缸行程進行改變，就可以實現起升的運行目的。

對于端部液壓缸的優化設計，應將液壓缸和管排架兩者分隔開，使其各自成為單位機構狀態，并對其進行起升護罩，將其與液壓缸通過銷軸兩者進行連接。對于起升護罩的設計，主要是由數量為三塊的鋼板進行焊接組合而成的，其側面設擋片孔，一般為三個，主要作用是插入擋片，對于第一層擋片孔下方應預留一定的液壓缸起升所需要的行程距離，其目的在于避免因護罩在進行起升運行時，發生和管排架連接部位之間的沖突情況[3]。在進行擋片設置時，應采用兩個銷軸對其兩端進行固定處理，其目的是避免擋片出現移動。

對于液壓缸的設計，其原本的管線不需要進行改變，只要將原本的液壓缸管線連接方式改為快插式連接方式即可。其工作原理具體如下，若管排架排放鉆具層數為三層情況下，通過銷軸就會將其中的液壓缸和起升護罩兩這邊進行連接，然后管排架的端部位置就會插入護罩，這時候就可以確定液壓缸位置。當進行第三層（也就是頂層）的擋片插入時，即可固定銷軸位置，與液壓管線進行連接，液壓缸處于起升運行狀態下，液壓缸就會將護罩頂起來，然后通過頂層擋片并將該層鉆具抬升起來，使其滾入V型槽中。因原本設定好的安全距離，護罩在頂層插入處進行上下移動過程中，二層與管排架端部插入在護罩內的部分處于不動狀態，完成頂層鉆具接完后，再將擋片插至第二層擋片孔中，通過以上順序類推進行。

(2)安全銷及踢出機構優化設計

對于安全銷在貓道中應用作用主要有以下幾方面：其一，有效避免鉆具從V型槽中滾出來[4]；其二，在接收鉆具過程中，有效避免其他鉆具滾都V型槽中。

對于踢出機構在貓道中應用作用主要在于幫助鉆具，將其推出V型槽。在進行實際操作過程中，其中比較頻繁的操作就是安全銷，因此這就需要對安全銷進行相應的優化設計。

基于以上，對于安全銷及踢出機構的優化設計，可通過將安全銷和踢出機構共同處于送鉆柱裝置中，促使兩者合并使用，在使用過程中能夠將各自的應用作用發揮出來。以接鉆具作為案例來進行分析，當鉆具處于啟動狀態下，其端部位置的液壓缸會逐步進行起升運行，這時候鉆具就會滾進貓道中，外傾斜機構中的油缸也會隨之處于伸出狀態，鉆具逐步朝向翻轉機構進行靠近。在運行過程中，當翻轉機構液鋼處于伸出狀態下，第一根鉆桿就會滾入其中，這時候翻轉桿尾部位置就會處于鉆桿狀態，這主要在于翻轉機構中存在斜坡，因此只能進入一根鉆桿。當翻轉機構油缸處于縮回狀態下，第一根鉆桿就會隨之滾入V形槽中，同時鉆桿也會被翻轉桿尾部擋住鎖死[5]。在進行接甩鉆具過程中，翻轉機構就會處于伸出狀態，然后鉆桿也會被其推至V型槽中，同時內傾斜油缸也會隨之伸出，這時候鉆桿就會推至管排架上方。

3.總結

綜上所述，將自動化動力貓道應用于石油鉆機作業中，能夠很好的解決當前我國鉆機作業中存在的安全性低、工作效率低以及勞動強度大的缺陷問題，能夠實現降低需要投入的勞動強度，有利于提升整個鉆井作業的工作效率，能夠更安全的開展作業。隨著當前我國石油鉆井技術的不斷研發和創新，對其中鉆機的自動化程度要求也會隨之提升，當前我國現有的大型鉆機中自動化貓道還處于試驗階段，沒有投入大范圍使用中，因此加大對石油鉆機中自動化貓道的研發具有一定的意義。