陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構設計

劉榮輝 黨鵬 劉家豪

關鍵詞：自動化;鉆桿庫;PLC控制;模塊化;液壓系統

0引言

鉆井過程中，需對鉆桿進行往復存取，尤其在起鉆及甩鉆時，需多次對鉆桿進行排放作業。早期在國外鉆桿排放系統已長期研究及應用，技術較為成熟的有National Oil-well Varco（NOV）公司、Aker Kvaerner公司、Oimeld Innovator Limited（OIL）公司和TESC-O公司。其研制的鉆桿自動排放系統主要用于海洋平臺方面，陸地鉆機運用相對較少。國內鉆桿排放系統的研制無論是針對海洋鉆機還是陸地鉆機，研究相對較少。陸地鉆機鉆桿是通過地面管排架進行排放，缺點是全程需要人工拉、拽，占地面積較大，裝運時鉆桿需逐一搬運至運輸車輛上。針對鉆機鉆桿自動排放，某公司在國家研發平臺的支撐下，進行了鉆具自動處理系統、遠程電子司鉆以及集成的技術研究工作。此外，部分企業將管排架設計成液壓式，可以輔助工人排放鉆桿，雖然從一定程度上降低了人工的工作強度，但是依然存在很多缺點。鑒于此，本文根據已經成熟的貓道設備的基本尺寸及其工作要求，設計了一種能大量存儲鉆桿、輸送鉆桿且便于裝運的系統。

1技術分析

1.1總體方案

陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構與貓道配合使用，該機構的電液控制系統與貓道的對接，最終互相協調完成鉆桿在鉆臺面與地面之間的排放。陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構包括無驅動鉆桿庫和液壓驅動的輸送機構。布置合理，結構緊促，有效提高空問利用率，鉆桿庫可進行整體裝運，裝運效率高。輸送機構固定在貓道底座一側，通過液壓系統進行控制，可將鉆桿從貓道輸送至鉆桿庫或將鉆桿從鉆桿庫輸送至貓道。下鉆時，輸送機構用一側翻板將鉆桿從鉆桿庫鉆桿出口翻出，滾人V型槽（兩翻板同軸轉動形成），然后提升一定高度，再下翻另一側翻板，鉆桿靠自重滾人貓道接鉆工位，完成取鉆工作。甩鉆時，輸送機構用一側翻板與貓道一側接鉆工位對接，鉆桿滾入輸送機構V型槽，提升一定高度，下翻另一側翻板，鉆桿靠自重滾入鉆桿庫鉆桿人口，完成甩鉆桿的排放與儲存工作。鉆桿庫作為鉆桿的供給裝置，裝運時用吊車吊至拖車，裝置無驅動力，靠鉆桿自重及固定軌道自動完成鉆桿排放與存儲。下鉆時，各鉆桿之間相互作用推送至鉆桿庫底部鉆桿出口位置，完成取鉆;甩鉆時，鉆桿靠重力從鉆桿庫頂部入口沿各軌道依次滾入，完成鉆桿排放及儲存。電液控制方面，采用PLC控制系統，通過限位開關、觸點開關，獲取輸送位置、數量脈沖等信息，可將電液控系統與原有貓道的電液控制系統進行集成，實現點控及一鍵操作，并具備自動計數以及記憶功能，采取有急停、報警等控制程序，并設留人工控制和手動急停等干預點位。

1.2主要技術特點

（1）輸送機構采用PLC程序控制和液壓驅動輔助貓道、鉆桿庫等設備完成鉆桿排放。整個系統固定于貓道底座一側，可拆卸裝運或拆卸換位安裝在貓道側面一同裝運。

（2）鉆桿庫采用自上而下的儲存方式，利用鉆桿自重作為驅動力，可極大降低動力源的使用要求，減少了控制難度，便于整體運輸，后期維護方便。

（3）輸送機構中用于翻出鉆桿的行程板可根據鉆桿規格切換伸出長度，更改翻轉范圍，滿足60.3～127mm常規鉆桿的取出需求。同時鉆桿庫中采用風車十字機構可滿足不同規格鉆桿的排放、存儲。

（4）系統動作點位少，其PLC控制系統及液壓系統可在不更改原有貓道電液控制系統的情況下完成對接與拓展。

1.3主要技術參數

（1）鉆桿規格：常規鉆桿60.3～127mm

（2）長度：9.6m

（3）最大凈載重：27kN

（4）液壓系統額定壓力：21.5MPa

1.4主要結構

1.4.1總體結構布局

鉆機自動化鉆桿儲存及其輸送系統總結構及其布局圖如圖1所示。貓道底座、輸送機構、鉆桿庫均放置于地面。輸送機構固定于貓道底座側面;鉆桿庫通過吊裝坐落于輸送機構側面，與其他裝置無任何連接。

1.4.2鉆桿厙

鉆桿庫主要由鉆桿庫主體、風車十字、十字轉軸、吊裝管、鉆桿出口擋板、鉆桿人口檔桿等組成。結構圖如圖2～4所示。鉆桿庫通過吊裝坐落于輔助輸送側面。儲存鉆桿時，鉆桿從入口6沿各層軌道依次滾入，且從最底層開始層層疊加，直至最頂層軌道儲存滿鉆桿結束。軌道由底層開始到最上一層形成S形軌道儲存區域，每層軌道末端均有一組風車十字機構。風車十字機構理論示意圖如圖5所示。風車十字機構的作用：（1）緩沖作用，削弱鉆桿沿軌道滾動的沖擊力;（2）分離上下層鉆桿;（3）防止鉆桿出現卡頓，采用弧形結構可將上層軌道鉆桿的擠壓力轉化為下層軌道鉆桿的驅動力，避免下層鉆桿出現因摩擦力不足而不能順利向下滾動的狀況。鉆桿出口與入口分別設有擋板及擋桿，運輸安全，可靠性高。鉆桿庫可儲存直徑范圍60.3～127mm的常規鉆桿，127mm常規鉆桿，可儲存88根。

1.4.3輸送機構

輸送機構主要由架體、行程滑車、z形滑車、固定支撐、三級起升液壓缸等組成。結構示意圖如圖6所示。輸送機構由2個對稱布置功能相同的模塊組成。通過吊機與拖車完成裝運，采用固定支撐與貓道底座側面銷連接完成裝置固定。行程液壓缸伸縮控制z形滑車垂直方向的位置，不足的行程由行程滑車補充。加裝行程滑車的目的是降低架體高度、滿足運輸要求。

行程滑車由行程滑車主體、縱向承載導輪以及橫向承載導輪組成。縱橫向導輪在輸送機構架體的縱向軌道上移動，對z形滑車起到定位的作用，防止z形滑車擺動，降低液壓缸壽命，其結構圖如圖7所示，與架體軌道安裝示意圖如圖8所示，對Z形滑車的定位示意圖如圖9所示。

Z形滑車由主體、滾輪、導輪、翻轉液壓缸、行程板液壓缸、長翻板、滑塊、行程板、短翻板、滑桿、連桿、T形套和固定軸等組成，結構示意圖如圖10所示。翻轉液壓缸推動滑塊擠壓長翻板和短翻板繞固定軸旋轉，改變V形槽的形成狀態。當長翻板上翻轉、短翻板下翻轉時，鉆桿從靠近鉆桿庫一側滾出;當短翻板上翻轉、長翻板下翻轉時，鉆桿從靠近貓道底座的一側滾出。行程板液壓缸與T形套鉸接，其伸縮帶動連桿推動滑桿，最終使行程板完成伸縮。通過更改滑桿在行程板上安裝的位置，來改變行程板的伸出長度，滿足取60.3～127mm不同規格的常規鉆桿，取鉆桿原理結構示意圖如圖11所示。導輪用于定位，定位示意圖如圖12所示。下鉆時，鉆桿沿長翻板滾入貓道底座;甩鉆則反之。下鉆時輸送機構與貓道底座對接的示意圖如圖13所示。輸送機構的液壓控制原理圖如圖14所示。輸送機構進油路與原有貓道主油路連接，回油路直接進入油箱。進油路和回油路末端均安裝截止閥，裝運斷開液壓系統時減少液壓油外流浪費。回油路末端安裝二位二通手動換向閥，用于系統維修及其故障急停。靠近液壓缸進油路安裝分流集流閥，避免液壓缸動作不同步。采用三位四通電磁換向閥控制液壓缸伸縮。采用雙向液壓鎖，防止動作逆向，可使液壓缸在行程內任意位置停止，保證安全。

2控制流程

陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構的控制流程圖如圖15所示。整個控制流程包括取鉆桿（下鉆時）、儲存鉆桿（甩鉆、起鉆時）2個部分，取鉆桿時鉆桿是從貓道底座至輸送系統，再至鉆桿庫;儲存鉆桿時則反之。根據該流程圖，可明顯看出整個系統各個部件的動作狀況，對于關鍵的動作步驟需進行條件判斷，根據步驟判斷是否進入下一步動作，若未達到目標位置則動作停止并進行報警。對于一些特殊位置，也設立報警信號用于狀態提醒。系統有計數功能，作為判斷系統儲存容量情況。該流程有單步、循環及手動模式，適合采用PLC程序進行順序控制，能夠實現鉆機自動化鉆桿儲存及其運輸系統的自動化控制。

3結束語

（1）自動化程度高，研制難度低。整個系統的PLC控制系統和液壓系統與原有的貓道系統進行集成，降低了對動力源的需求，減小了電液系統控制的難度。整個系統的控制點位較少，有效降低了集成難度。同時達到了減少人員配置、消除安全風險和提高作業效率的目的。

（2）模塊化設計。鉆桿庫采用純機械結構、重力驅動及立體存儲方式。整體尺寸滿足運輸要求，裝運時無需拆卸任何部件，效率高、節約成本。鉆桿庫與輸送機構設備采用獨立設計，輸送機構與原有貓道整體運輸，提高了運輸效率、降低了運輸成本。

陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構給鉆桿排放及儲存提供了很大的便利，有效降低了工人的勞動強度，自動化操作方式代替傳統的人工操作，可實現遠程操控，進一步提高了鉆井的效率，減少了占地面積，對于降低成本及其提高鉆井安全性有重要的意義。