GJ340-12H管柱檢測一體機的研制

韓亞洲， 張波， 魯鵬程， 王玉， 趙亮亮,2， 付華

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 7210022；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

0 引言

鉆井作業過程中鉆桿、鉆鋌、套管等管柱數量較多，上鉆臺之前需要進行絲扣清洗、長度測量統計等準備工作。目前常規絲扣清洗是將管柱并排擺在排管架上由人工手持鋼刷清洗或者用蘸有煤油的棉紗擦洗，通徑檢測采用投入法，人工將標準通徑規從管柱一端投入，在管柱上鉆臺的過程中，通徑規從一端輸出則證明管柱通徑合格，長度測量依靠兩人使用鋼卷尺進行逐根測量，噴碼標記依靠人工將編碼涂刷在管柱本體上，管柱的長度及編碼等數據信息采用人工紙質記錄。上述作業全部依靠不同崗位人員配合手工完成，工作零散單一且效率低，工人工作環境差，勞動強度大，工作質量難以保證。

近年來，隨著鉆井市場對鉆機自動化、智能化和信息化需求的日益提高，以及貫徹以人為本的HSE 管理理念，對鉆機管柱自動化設備的需求日益旺盛[1]。寶雞石油機械有限責任公司于2020 年開發研制了GJ340-12H 管柱檢測一體機，該自動化設備集成化程度高，能完全替代人完成地面鉆桿、鉆鋌、套管等鉆井管柱的絲扣清洗、通徑檢測、長度測量、噴碼標記、數據存儲及查詢等作業，實現地面管柱處理的自動化作業[2]。

1 技術分析

1.1 總體方案

GJ340-12H 管柱檢測一體機（如圖1）主要由定位移運單元、絲扣清洗單元、通徑檢測及測長單元、噴碼標記及數顯單元、電氣液控制系統等部分組成。定位移運單元包括基座、移動導軌、定位V 槽、傾斜機構及踢出機構等，其作為管柱檢測一體機的安裝基礎，實現管柱的定位及工位間移運。絲扣清洗單元包括公扣清洗裝置、母扣清洗裝置、推移油缸和支撐座等，實現不同規格管柱公母絲扣的清洗，其中清洗方式有鋼刷刷洗和蒸汽清洗兩種，兩種機構可互換安裝。通徑檢測及測長單元包括通徑規、通氣裝置、推移油缸、位移傳感器和支撐座等，完成管柱的通徑檢測及長度測量。噴碼標記及數顯單元包括噴碼機、數據傳輸線、顯示終端等，用于管體的噴碼和管柱長度、數量等信息的顯示記錄。電氣液控制系統實現一體機的自動控制。

圖1 GJ340-12H管柱檢測一體機結構示意圖

1.2 定位移運單元

管柱檢測一體機的安裝基座是定位移運單元，兩端安裝有移動導軌，其顯著特點是執行機構可以在長度方向進行調節，從而實現不同長度的管柱檢測，適應性好。傾斜機構位于初始待命位置，保證單次進入一根管柱進行檢測作業。V型定位槽完成管柱的位置確定，便于兩端執行機構對正。檢測完成后進入下一工位時，踢出機構完成管柱的轉運。

1.3 絲扣清洗單元

絲扣清洗單元是管柱檢測一體機的核心機構，分為母扣清洗子單元和公扣清洗子單元，布置在一體機的兩端，其顯著特點是管柱在V型定位槽定位后無需旋轉，只是兩端的子單元機構旋轉，同時兩端的子單元可沿導軌移動，適應不同長度管柱的絲扣清洗作業，在高度方向也可進行調節，適應不同規格直徑的管柱[3]。公母絲扣清洗子單元兩端還安裝有推移機構，在管柱定位后便于絲扣清洗單元與管柱兩端靠緊進行清洗作業。絲扣清洗有兩種方式：一種是鋼刷刷洗。母扣清洗子單元和公扣清洗子單元結構完全相同，都由驅動馬達、固定連接盤、清洗刷等組成，只是清洗刷的安裝方向不同，驅動馬達與固定連接盤通過鍵連接，清洗刷通過燕尾槽插裝在固定連接盤上，便于更換，在驅動馬達的作用下，固定連接盤帶動清洗刷一起旋轉，完成公母絲扣的清洗，該清洗方式的特點是可以調節固定連接盤，實現清洗刷布置的變徑，利于清洗不同規格的管柱，對固態雜質的清洗效果較好。另一種是蒸汽清洗。安裝接口與蒸汽清洗接口一致，只是兩端的清洗機構不同，通過若干通道在管柱絲扣對射高壓高溫蒸汽完成清洗作業，適用于套管絲扣油等的清洗及低溫環境作業。

1.4 通徑檢測及測長單元

通徑檢測及測長單元同樣是檢測一體機的核心機構，與絲扣清洗單元平行布置，安裝在同一個移運導軌上，兩端結構完全相同，由通徑檢測機構、推移油缸和通徑規等組成。通徑檢測機構是一種氣動工作裝置，兩端安裝永磁鐵，在壓縮空氣的驅動下，可實現通徑規沿著管柱的內腔移動，從而實現通徑檢測，以此判斷管柱內腔是否堵塞和彎曲，其顯著特點是可實現循環作業，永磁鐵可將通徑規回收，效率較高[4]。推移油缸上安裝有位移傳感器，在管柱定位后，推移油缸帶動通徑檢測機構向管柱兩端靠近頂緊，在通徑檢測的同時自動實現長度測量，該測量方法為間接測量法，在初始狀態下推移油缸有位置信息，與位移傳感器的最終位置數據計算后可讀出管柱的外形長度。

1.5 噴碼標記及數顯單元

噴碼標記單元位于基座的中間位置，可以對通徑檢測合格并且絲扣清洗完成的管柱進行噴碼編號，編號與長度信息對應，便于對管柱建立臺賬管理。噴碼采用非接觸式工作方式，提高了噴頭的可靠性。手操遙控器顯示屏可集中顯示管柱的長度及編碼信息，同時對數據信息進行存儲，方便后續查詢，為鉆井過程提供準確的信息支持，該顯示終端還可以與電腦連接導出相關信息。

1.6 電氣液控制系統

電氣液控制系統包括液壓系統、氣控系統和電控系統，是管柱檢測一體機的神經中樞。液壓系統為傾斜、踢出、推移等執行機構提供液壓動力，氣控系統為氣馬達旋轉及通徑規移動提供動力，電控系統通過PLC 程序控制器實現對各執行機構的遠程控制，同時根據位移傳感器、數據線對一體機的測長單元進行控制，使一體機能夠安全高效地作業。

操作臺是整個一體機的應急操作和控制臺體，安裝在基座后端，在程序故障時可通過手柄進行應急操作。

1.7 主要技術參數（如表1）

表1 主要技術參數

1.8 關鍵技術及特點

1）集成化設計技術。集絲扣清洗、通徑檢測、長度測量及噴碼標記功能為一體，將零散的管柱預處理作業集中化、自動化作業，可與動力貓道配合作業，完善了地面管柱一體化解決方案。2）氣動可調絲扣鋼刷清洗技術。管柱本體不旋轉，通過氣馬達驅動絲扣清洗單元旋轉，帶動鋼刷旋轉進行清理，適應于鉆桿接頭固體污染物清理作業。鋼刷可實現變徑調節，適應不同規格管柱，靈活性好。3）絲扣的蒸汽清洗技術。清洗單元對稱布置，蒸汽通過小孔對射絲扣清洗，適應套管絲扣油等軟態污染物的清理。機構設計簡單，不旋轉，遠程控制開通蒸汽后即可進行作業。與鋼刷清洗單元接口互換，通用性好。4）氣動循環通徑檢測技術。運用空氣動力學原理，壓力能轉換成通徑規動能，永磁鐵實現回收，達到兩端循環通徑檢測的目的，作業高效。5）長度測量及數據顯示存儲技術。位移傳感器間接測量管柱外形長度，程序減去管柱公接頭長度即可得到有效長度，該方法易于測量、誤差小。同時可記錄顯示編號、單根長度及總長度等管柱信息。

2 廠內試驗情況

為了驗證管柱檢測一體機的絲扣清洗、通徑檢測、長度測量、噴碼標記、數據顯示、存儲功能和實際效果，寶雞石油機械有限責任公司在車間進行了組裝和型式試驗。

2.1 空載試驗

此項試驗目的是檢驗該管柱檢測一體機的運行情況。試驗結果表明，管柱檢測一體機的傾斜機構、踢出機構、推移機構、絲扣清洗單元、通徑檢測單元等動作靈活、到位，運動平穩，無卡阻和沖擊現象。

2.2 功能試驗

此項試驗目的是檢驗該管柱檢測一體機各功能是否達到設計要求，并滿足現場作業工況。試驗結果表明，管柱檢測一體機可實現對不同長度、不同規格直徑的鉆桿、鉆鋌及套管的絲扣清理作業，通徑檢測成功率達到設計要求，可實現兩端循環高效作業，長度測量準確，誤差在允許范圍內，數據記錄及存儲顯示準確。

2.3 最大載荷試驗

此項試驗目的是檢驗管柱檢測一體機的最大工作載荷和液壓缸的工作能力。現場進行了45 kN（1.5 倍最大載荷）工裝管柱的試驗，從傾斜機構滾入定位槽后可自動定位，踢出到下一工位的過程中無明顯沖擊，踢出到位，整個過程滿足設計要求。

3 結論

GJ340-12H管柱檢測一體機的研制使得堆場管柱的零散作業更加高效，大大降低了一線工人的勞動強度，提高了工作質量和安全性。廠內試驗結果表明，管柱檢測一體機結構設計合理，各項功能和性能指標符合設計要求，滿足鉆井作業中管柱堆場預處理的作業要求。