BX3型液壓吊卡機(jī)構(gòu)剖析及技術(shù)研究探討

黃謙

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201）

1.液壓吊卡概述

隨著地球石油資源的不斷枯竭，其開采難度不斷提高，全球?qū)Ｑ笫涂碧介_發(fā)力度的擴(kuò)大，對鉆探開采工具提出了更高的要求。手動吊卡是在鉆修井過程的起下管柱時(shí)最重要、使用頻率最高的工具之一。伴隨自動化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)的液壓自動吊卡，大大簡化了石油開采行業(yè)在傳統(tǒng)起下鉆或下套管過程中的操作工藝，極大地提高了石油開采作業(yè)效率，大幅度減輕現(xiàn)場操作工人的勞動強(qiáng)度，同時(shí)大幅提高操作的安全性，自動化的液壓吊卡的出現(xiàn)，與傳統(tǒng)手動吊卡相比，它具有無可比擬的優(yōu)勢。滿足了石油機(jī)械的自動化要求，也是石油開采行業(yè)吊卡發(fā)展的必然趨勢[1]。

2.液壓吊卡研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 美國國民油井公司的液壓吊卡

該公司自90年代推出BX1和BX2系列型液壓吊卡以來，相繼又推出BX3、BX4和BX5型自動液壓吊卡。BX系列液壓吊卡滿足美國石油協(xié)會的API 8C標(biāo)準(zhǔn)，能在-20℃～40℃的環(huán)境溫度下工作。BX系列吊卡主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 NOV公司BX系列吊卡

為獲得最佳的平衡和作業(yè)性能BX系列自動液壓吊卡均采用為雙開門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)電信號的遠(yuǎn)程控制和液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系列吊卡通過在吊卡和吊環(huán)間加裝翻轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而可實(shí)現(xiàn)該自動液壓吊卡在作業(yè)過程中進(jìn)行自動翻轉(zhuǎn)，滿足生產(chǎn)作業(yè)過程中對自動接管柱的要求，提高作業(yè)效率、降低人員操作的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。

圖1 國民油井公司BX系列自動液壓吊卡

2.2 德國Blohm +Voss公司的液壓吊卡

Blohm +Voss公司從20世紀(jì)90年代已經(jīng)開始生產(chǎn)千余套補(bǔ)芯吊卡，早期其產(chǎn)品廣泛銷售于歐美等高端石油鉆探市場，甚至大量銷售給美國國民油井公司。主要吊卡類型有2種類型VES-HCL系列和VES-SD系列，均是可更換不同尺寸補(bǔ)芯的吊卡，液壓吊卡也是從傳統(tǒng)行手段吊卡轉(zhuǎn)型發(fā)展而來[3]。

VES-HCL系列和VES-SD系列自動液壓吊卡均滿足國際行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的API 8C/7K、ISO 9001、ABS、EN和DIN標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品在出廠時(shí)均完成1.5～2倍的額定載荷試驗(yàn)。主要區(qū)別在于開合結(jié)構(gòu)上，前者為對開式結(jié)構(gòu)的自動液壓吊卡，后者為雙開門式結(jié)構(gòu)的自動液壓吊卡。但由于Blohm+Voss公司的自動液壓吊卡整體結(jié)構(gòu)緊湊、滿足國際行業(yè)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、耐用，故目前在行業(yè)內(nèi)高端自動液壓吊卡市場占有相當(dāng)大的份額。

2.3 國內(nèi)液壓吊卡發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)自動液壓吊卡的近幾年也發(fā)展迅猛，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、宏華集團(tuán)有限公司和江蘇如通石油機(jī)械股份有限公司等，近幾年都先后研制推出了多種規(guī)格型號的自動液壓吊卡。從液壓吊卡的結(jié)構(gòu)上來看，目前，國內(nèi)的自動液壓吊卡基本對開式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的吊卡，尚未實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配置，另外，產(chǎn)品性能不夠穩(wěn)定，且結(jié)構(gòu)、規(guī)格較少，同尺寸規(guī)格下承載能力較低，電、液自動控制可靠性較差。概括而言國內(nèi)自動液壓吊卡技術(shù)的發(fā)展還處于發(fā)展階段[4]。

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司推出了滿足國內(nèi)和API相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的500t翻轉(zhuǎn)式自動液壓吊卡，極大地提高了石油開采作業(yè)效率，大幅度減輕現(xiàn)場操作工人的勞動強(qiáng)度和操作的安全性，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)石油機(jī)械的自動化需要。

BX3液壓吊卡主要分為兩部分：機(jī)械部分和液壓部分。機(jī)械部分：機(jī)身、左活門、右活門、鎖舌、連桿機(jī)構(gòu)、補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)和鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)等。液壓部分：液壓系統(tǒng)、鎖舌油缸和活門油缸等。

2.3.1 工作原理

BX3液壓吊卡可與不同規(guī)格的補(bǔ)芯配合使用，通過手動更換不同規(guī)格的補(bǔ)芯，可夾持管柱尺寸：95/8"—20"。

工作時(shí)，液壓系統(tǒng)控制液壓缸組的伸縮，鎖舌液缸和活門液缸組成聯(lián)動液缸組，活門液缸通過連桿機(jī)構(gòu)控制左右活門的開合，鎖舌液缸通過連桿機(jī)構(gòu)控制鎖舌的開合，液壓系統(tǒng)的鎖緊閥塊可檢測活門和鎖舌是否關(guān)閉到位，鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)作為安全輔助機(jī)構(gòu)，保證吊卡的起吊管柱時(shí)，鎖舌處于鎖緊狀態(tài)。

2.3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)分為鎖舌連桿機(jī)構(gòu)和活門連桿機(jī)構(gòu)。以液壓吊卡打開為例，鎖舌連桿機(jī)構(gòu)工作過程是：鎖舌液缸縮回，帶動液缸活塞桿端部的連桿支架旋轉(zhuǎn)，連桿支架通過鎖舌連桿以及中間機(jī)構(gòu)圓盤，帶動鎖舌旋轉(zhuǎn)，使鎖舌打開?；铋T連桿機(jī)構(gòu)工作過程是：活門液缸縮回，帶動液缸活塞桿端部和液缸缸體端部的兩個(gè)連桿支架旋轉(zhuǎn)，依次帶動活門連桿，左右活門依次打開。液壓吊卡閉合過程和上述描述相反。

（2）補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)。為了使吊卡可以在使用時(shí)適用不同尺寸和型號的鉆具，吊卡需要根據(jù)需要安裝不同尺寸的補(bǔ)芯。設(shè)計(jì)安全可靠補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)芯牢固的固定于吊卡本體結(jié)構(gòu)上，而且能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程中快捷高效的更換。用安裝有彈簧的鎖銷來固定的補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)，在無需特殊工具，無需拆卸螺帽、螺栓和銷子的情況下，可實(shí)現(xiàn)在5min～10min內(nèi)快速完成吊卡各種尺寸的補(bǔ)芯拆裝更換。（如圖2所示）

圖2 補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)

（3）鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)。鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)由鎖緊銷、自鎖連桿、推桿、壓縮彈簧等組成。其工作原理：液壓吊卡抱緊管柱后，左右活門和鎖舌關(guān)閉鎖緊，管柱重力作用在補(bǔ)芯上，補(bǔ)芯下壓，補(bǔ)芯的下邊緣推動推桿，通過自鎖連桿推動鎖緊銷伸出，阻擋鎖舌的以為脫出。當(dāng)移除補(bǔ)芯上管柱的重量后，壓縮彈簧伸長，鎖緊銷縮回，推動推桿和補(bǔ)芯上移。鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖。

（4）觸發(fā)機(jī)構(gòu)。當(dāng)鉆具進(jìn)入液壓吊卡后，觸動觸發(fā)機(jī)構(gòu)啟動液壓自動吊卡的關(guān)閉程序，液壓吊卡活門和鎖舌先后觸發(fā)順序關(guān)閉。另在鎖舌體旁邊還安裝1個(gè)液壓鎖緊閥，在鎖舌體關(guān)閉到位后觸動鎖緊液壓閥，頂部驅(qū)動裝置方可上起，鉆具由液壓貓道機(jī)順序傳送到井口，再完成由傾斜到垂直的動作。

3.BX3液壓吊卡液壓系統(tǒng)

自動液壓吊卡的一系列動作，主要是通過安裝在液壓吊卡本體后部，高度集成各種液壓閥件組裝而成的液壓控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。集中將液壓閥件系統(tǒng)安置于后部，利于常規(guī)的檢查、調(diào)校、維修和清潔保養(yǎng)，同時(shí)利于對液壓管線的保護(hù)和拆裝更換。

4.結(jié)論

海洋鉆井平臺是海洋油氣田開發(fā)的必要實(shí)現(xiàn)途徑，液壓吊卡作為海洋鉆井平臺實(shí)現(xiàn)自動化的主要設(shè)備，在實(shí)際的使用過程中，液壓吊卡故障率在整個(gè)鉆探設(shè)備系統(tǒng)中最高。本文主要是對液壓吊卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析和對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化討論，優(yōu)化后的液壓吊卡成工應(yīng)用于海洋石油某鉆井平臺一年多，液壓吊卡的故障率明顯下降，得到客戶的高度認(rèn)可。