劉永勝，廖麗華，王維旭，周天明，李凱，于浩

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

據(jù)統(tǒng)計，我國的鉆井費用約占石油工業(yè)總投資的40%，鉆井成本已經(jīng)成為影響原油開采成本的一個關(guān)鍵因素［1］。鉆井成本包含兩個方面:(1)直接鉆井成本;(2)鉆井前期和鉆井后期的輔助成本，即運輸成本和停工成本［2］。在當前激烈競爭的石油行業(yè)中，設計開發(fā)能夠縮短搬遷時間的整體移運鉆機，可以大大降低鉆井前期成本即運輸成本，是降低鉆井成本的有效途徑［3］。

1 沙漠移運鉆機簡介

近年來某公司研制成功的ZJ50DBT 和ZJ70DBT系列沙漠移運鉆機，能夠?qū)崿F(xiàn)井架、底座在工作位置的整體移運，井架和底座均處于下放位置的整體移運，拆掉井架將底座單獨整體移運3 種移運方式。該鉆機結(jié)構(gòu)新穎、獨特，其形式為抬橋式機構(gòu)，左右基礎之間通過兩個橫梁和連接架連接。井架、底座在工作位置進行整體移運時，液壓缸頂起主機拖撬部分，通過拖撬兩端的鵝頸承重，輪胎受力著地，牽引車牽引運輸［4］。如圖1 所示。

主機拖撬起升采用液壓同步的方式。ZJ50DBT 系列鉆機整體移運質(zhì)量有700 多噸，由于采用了液壓傳動，其動力設備可以與主機分開安置，對于此種負載特別大的場合，可以通過加大液壓缸直徑或采用多缸聯(lián)合工作的方式來解決。當采用多缸驅(qū)動，可以驅(qū)動的負載理論上是沒有限制的。此種場合采用多缸驅(qū)動為宜。

圖1 沙漠移運鉆機示意圖

2 常用同步控制回路

在多缸工作的液壓系統(tǒng)中，常常會遇到要求兩個或兩個以上的執(zhí)行元件同步動作的情況。實現(xiàn)多缸同步動作的方式有多種，常見的同步回路有:機械剛性聯(lián)接同步回路、液壓缸串聯(lián)同步回路、調(diào)速閥同步回路、分流集流閥同步回路、同步缸同步回路、同步馬達同步回路、電液比例調(diào)速閥同步回路、伺服閥同步回路等［5］。這些回路的控制精度和價格也相差較大，實際應用中應根據(jù)系統(tǒng)的具體要求進行合理的設計。

3 拖撬起升機構(gòu)同步回路的選擇

沙漠移運鉆機拖撬起升機構(gòu)升降要求由8 個相同型號的液壓缸共同完成。由于每打完一口井鉆井才需移運到下一個井位，間隔時間很長，起升機構(gòu)使用很不頻繁，為了既能滿足使用要求又能節(jié)約成本，現(xiàn)有設計只考慮開環(huán)控制回路。設計時盡量保證8 個液壓缸的負載均勻。但實際情況中，由于液壓缸位置的安裝誤差和液壓缸內(nèi)部零件的加工誤差，通向各液壓缸的管路長短、管路的彎曲次數(shù)和度數(shù)不同以及管道內(nèi)壁的粗糙度不同等原因，使油液的阻力不同，都可以造成在同樣的負載下液壓缸需求的壓力不一樣。這個問題不妥善地解決將嚴重影響主機拖撬的起升和下降，甚至造成事故?？紤]到八個工作液壓缸的負載相對來說是比較均勻的，而負載的不均勻性經(jīng)常會有小的波動，且人工調(diào)節(jié)使得8 個液壓缸的負載一致比較困難，故不采用調(diào)速閥等的調(diào)節(jié)方法，采用分流集流閥同步回路和同步馬達同步回路來實現(xiàn)同步工作較為可行，這里僅選用分流集流閥來實現(xiàn)其同步工作。當采用不同的液壓系統(tǒng)方案時，可以產(chǎn)生不同的效果。單從分流集流閥的性質(zhì)和用途出發(fā)，機械地來確定液壓系統(tǒng);另一種根據(jù)分流集流閥的特性并應用一些力學以及幾何學知識加以分析，從而簡化達到更好的效果。

4 設計方案分析

考慮到分流集流閥的性質(zhì)(單從分流集流閥的基本回路方案來討論，不是具體的液壓系統(tǒng)的原理圖)。這里采用3 種方案來分別討論:

(1)方案一

從性能上來機械地應用分流集流閥，如圖2 所示，系統(tǒng)中的8 個液壓缸由3 組3 種型號的7 個分流集流閥來保證液壓缸1、2，3、4，5、6，7、8 之間的同步。泵的流量通過各級分流集流閥均勻地分配到8 個液壓缸，從而保證其同步性能。從理論上來說該種方案是可行的，但是在實際中該種方案不能奏效，隨著控制元件的增加、管路的加長，勢必造成壓力能的損失增大、油溫升高、系統(tǒng)效率降低，達不到同步性要求的精度。

圖2 方案一

(2)方案二

如圖3 所示，系統(tǒng)由2 組2 種型號的3 個分流集流閥來共同實現(xiàn)系統(tǒng)同步，它們之間的不同步性在液壓缸的運動中能自動補償。

圖3 方案二

以第一組液壓缸為例，當液壓缸頂起負載時，若液壓缸1 的負載小于液壓缸2 的負載時，缸1 就先動作，此時缸3、4 也同時頂起負載，對液壓缸1、2、3、4 的共同負載來說，即使它們的負載是不連續(xù)的，總是具有一定的牽連作用。在結(jié)構(gòu)上使4 個液壓缸具有一定的剛度也是容易做到的，所以液壓缸1 稍微一頂起，實際上是微量的升起或者是一種升起的趨勢，這種改變必然增加缸1 對負載的承擔，從而使缸2 負載向減小的方向變化，當這種變化仍然使缸1 的負載小于缸2 的負載時，那么此變化會一直持續(xù)下去直到缸1 和缸2 的負載相等為止。使液壓缸1、2 負載自動趨于相等，從而保證了它們之間的同步性。同理，液壓缸3、4，5、6，7、8 也能實現(xiàn)負載自動補償。第一組液壓缸和第二組液壓缸也能實現(xiàn)自動補償功能，從而保證了整個工作臺面同步升降。

(3)方案三

通過方案二的討論，并考慮到8 個液壓缸的負載是一個矩形負載。從幾何學的對稱性出發(fā)，一個矩形負載只要它的兩根對稱軸能夠同步地升降就能保證整個矩形上的各個點同步地升降。方案三的液壓原理如圖4 所示，這里把8 個液壓缸在矩形負載上的空間布置方案分為3 種，如圖5 (a)、(b)、(c)所示。這3 種空間布置方案只有圖(a)要求整個負載具有一定的剛度;圖(b)只要求兩條對稱軸具有一定的剛度，但負載對8 個液壓缸的均布比較難達到;圖(c)也只要求矩形負載的兩條對角線有一定的剛度，這種布置方式負載的均勻性也比較容易達到，所以是一種較好的布置方式。

圖4 方案三

圖5 液壓缸布置圖

ZJ50DBT 系列鉆機采用的就是方案二和圖5 (a)的空間布置方式，在實際的應用中能夠較好地實現(xiàn)同步控制要求。但是如果采用圖5 (c)的空間布置方式，該液壓系統(tǒng)就只需兩個分流集流閥就能實現(xiàn)同步。液壓缸1、2，7、8 和3、4，5、6 的負載不均勻性通過八個分別在兩條對角線上兩組液壓缸的運動來達到自動均勻，同步原理同方案二。

通過比較后發(fā)現(xiàn)，方案二優(yōu)于方案一，方案三優(yōu)于方案二，方案三應用幾何學的對稱思想后，液壓回路中只用了兩個同種型號的分流集流閥就能達到工作要求并且管道的規(guī)格也相應減少，降低了設備制造的費用，由于少了一個分流集流閥使系統(tǒng)的效率也得到了相應的提高。從液壓系統(tǒng)設計角度，不失是一種好的優(yōu)化設計方案。

5 結(jié)論

通過對沙漠移運鉆機拖撬起升機構(gòu)同步性能的分析，根據(jù)負載的性質(zhì)和機械方面的具體技術(shù)要求，制定了可行的同步方案，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱，提高了經(jīng)濟效益。

［1］李智林.如何控制鉆井工程成本［J］.天然氣經(jīng)濟，2006(1):44－46.

［2］王成萍.國際石油鉆井成本構(gòu)成與測算［J］.國際石油經(jīng)濟，2006(9):36－39.

［3］于孔學.鉆機整體移運系統(tǒng)的研究［D］.東營:中國石油大學(華東)，2008.

［4］惠向徹，李治平，于國玲，等.一種新型輪式整體移運鉆機:中國，CN200920245903.0［P］.2010－10－06.

［5］趙月靜，寧辰校.液壓實用回路360 例［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.