王寶杰 尹曉麗 曹惠 劉志斌 張文科 張世奇
摘 要:傳統(tǒng)鉆桿運(yùn)移主要通過絞車拖曳提升和人工連接的方式完成鉆桿上下鉆臺(tái)任務(wù),該方式不僅運(yùn)移穩(wěn)定性差、效率低,且工人勞動(dòng)強(qiáng)度高,人身風(fēng)險(xiǎn)大?;诖?,針對(duì)陸地鉆機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)了一套立柱式鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng),將極大減少工人數(shù)量,提高作業(yè)安全性。
關(guān)鍵詞:立柱式;鉆桿運(yùn)移;陸地鉆機(jī)
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.052
鉆機(jī)在工作過程中鉆桿需要在鉆臺(tái)、排放架之間完成往復(fù)的運(yùn)移、連接、排放等操作。傳統(tǒng)的工作過程需要3-5名鉆工協(xié)同工作,通過鋼絲繩提拉與人工導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)鉆桿的運(yùn)移,整個(gè)過程工人直接接觸鉆桿,勞動(dòng)強(qiáng)度高,人身風(fēng)險(xiǎn)大,且運(yùn)移穩(wěn)定性差,易對(duì)鉆桿造成損傷[1]。目前,油田開發(fā)處于中后期,鉆進(jìn)深度逐步增加,作業(yè)所需要鉆桿數(shù)量也隨之增加,且作業(yè)效率要求較高,因此實(shí)現(xiàn)鉆桿上下鉆臺(tái)時(shí)能夠完成自動(dòng)運(yùn)移、連接、拆卸等工作,對(duì)于提高鉆井效率變得尤為重要。
開展鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)的研究順應(yīng)了鉆井設(shè)備朝自動(dòng)化方向發(fā)展的態(tài)勢。本文就是在這種情況下撰寫出來的,其主要目標(biāo)就是針對(duì)ZJ70D鉆機(jī)設(shè)計(jì)一套鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng),為陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)運(yùn)移提供可行的方案參考。
1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
目前,美國的Varco公司和挪威的Aker Kvaerner MH公司在鉆桿自動(dòng)運(yùn)移研究領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。Varco公司對(duì)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)和鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)的研究已趨于成熟,其產(chǎn)品適用于大多數(shù)鉆機(jī)的管子排放系統(tǒng)。Aker Kvaerner MH 公司主要針對(duì)管子運(yùn)移系統(tǒng)和處理裝置進(jìn)行研發(fā)[2-3]。鉆井工業(yè)界一直在研究新型鉆井機(jī)械化設(shè)備嘗試改進(jìn)鉆井程序,具有代表性的是德國超深孔鉆進(jìn)股份有限公司的高度自動(dòng)化的TUB-1型鉆機(jī),其自主創(chuàng)新的移擺管子系統(tǒng)所具有的高度自動(dòng)化特征是未來管子處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[4]。
以上鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)主要針對(duì)環(huán)境惡劣的海洋鉆井,陸地鉆井的鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)的研究較少。
國內(nèi)陸地鉆機(jī)鉆桿上下鉆臺(tái)主要有三種方式,一是采用電動(dòng)或氣動(dòng)絞車,二是利用吊車,三是采用動(dòng)力貓道。采用電動(dòng)或氣動(dòng)絞車在輸送鉆桿時(shí)穩(wěn)定性低、效率低,易對(duì)鉆桿桿體和接箍造成損傷;利用吊車輸送鉆桿占用場地大、費(fèi)用高、穩(wěn)定性亦差;采用動(dòng)力貓道輸送鉆桿是目前國內(nèi)的主流傳送方式,其中中石化工程機(jī)械有限公司、青島杰瑞、南陽二機(jī)等都對(duì)動(dòng)力貓道和鉆桿自動(dòng)運(yùn)移裝置展開過研究,目前已投入現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用,但沒有實(shí)現(xiàn)鉆桿傳送的全自動(dòng)化操作,仍依賴于人工操作或部分自動(dòng)化傳送,不能完全滿足現(xiàn)代陸地鉆機(jī)自動(dòng)化鉆井的需求。
2 立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成,整體安裝在井場前區(qū)位置如圖1所示。輸送系統(tǒng)擔(dān)任鉆桿的輸送和翻轉(zhuǎn)任務(wù),主要由底座、輸送機(jī)和承重臂組成。舉升系統(tǒng)擔(dān)任鉆桿的舉升和平移任務(wù),主要由桅桿、行走齒條和兩組機(jī)械臂組成。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)擔(dān)任鉆桿的平轉(zhuǎn)任務(wù),主要由基座和旋轉(zhuǎn)液壓盤組成。
立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)主要用于鉆井作業(yè)時(shí)鉆桿、鉆鋌、石油套管等細(xì)長桿件從地面排放架到鉆臺(tái)的自動(dòng)化運(yùn)移,為方便運(yùn)輸,立柱式鉆桿運(yùn)移裝置的底座采用一體化設(shè)計(jì),如圖2所示。輸送機(jī)固定連接在基座上,距地面1-1.2m,可滿足多數(shù)鉆桿排放架的使用。
輸送鉆桿時(shí),杠桿式勾爪勾取排放架上的鉆桿,在橡膠滾筒的滾動(dòng)作用下將鉆桿輸送至承重臂上,通過液壓驅(qū)動(dòng)承重臂翻轉(zhuǎn)從而改變鉆桿姿態(tài),當(dāng)鉆桿垂直于地面時(shí),舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)依次啟動(dòng),將鉆桿運(yùn)移至井口位置進(jìn)行連接。
為保證承重臂翻轉(zhuǎn)靈活可靠,此處采用位移補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)承重臂在0-90°內(nèi)自由翻轉(zhuǎn),當(dāng)翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸長(收縮)至極限位置時(shí),在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,翻轉(zhuǎn)液壓缸鉸鏈支座隨絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生前后移動(dòng),使鉆桿在臥式與立式兩種姿態(tài)間往復(fù)切換,提高鉆桿的輸送效率和可靠性。
2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及特點(diǎn)
立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)適用于ZJ70D型電動(dòng)鉆機(jī),最大鉆深能力為5000-7000m,井架高度為45m,鉆臺(tái)高度為10.5m。為滿足鉆機(jī)鉆探需求,該系統(tǒng)采用電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)鉆桿運(yùn)移,設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
3 立柱式鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)工作流程
3.1 鉆桿上臺(tái)過程
鉆桿上臺(tái)工作流程如圖3所示。
首先,勾取鉆桿至輸送機(jī),輸送機(jī)將鉆桿輸送至承重臂適當(dāng)位置,固定機(jī)械手和翻轉(zhuǎn)機(jī)械手夾持鉆桿桿體,翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸出,帶動(dòng)承重臂以轉(zhuǎn)動(dòng)連接部分為中心向上轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠使翻轉(zhuǎn)液壓缸整體向前運(yùn)動(dòng),直至承重臂(鉆桿)與地面垂直。
其次,舉升系統(tǒng)的上、下兩機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至適當(dāng)位置,機(jī)械手抓取鉆桿,行走馬達(dá)啟動(dòng),帶動(dòng)上、下兩機(jī)械臂沿行走齒條垂直起升,至鉆桿下端面距鉆臺(tái)20-30cm高度時(shí),舉升任務(wù)結(jié)束。
最后,旋轉(zhuǎn)液壓盤啟動(dòng),帶動(dòng)桅桿以轉(zhuǎn)動(dòng)連接部分為中心順(或逆)時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,將鉆桿從桅桿外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)至桅桿內(nèi)側(cè);舉升液壓缸活塞桿收縮,水平液壓缸活塞桿伸長,將鉆桿以垂直鉆臺(tái)姿態(tài)水平運(yùn)移至井口位置,調(diào)整鉆桿與井口之間位置,鉆桿連接裝置啟動(dòng),進(jìn)行鉆桿連接,鉆桿上臺(tái)過程完成。
3.2 鉆桿下臺(tái)過程
鉆桿下臺(tái)工作流程如圖4所示。
首先,機(jī)械手夾持鉆桿,舉升液壓缸活塞桿伸長,水平液壓缸活塞桿收縮,將鉆桿以垂直鉆臺(tái)姿態(tài)水平運(yùn)移至桅桿內(nèi)側(cè);旋轉(zhuǎn)液壓盤啟動(dòng),帶動(dòng)桅桿以轉(zhuǎn)動(dòng)連接部分為中心順(或逆)時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,將鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)至桅桿外側(cè)。
其次,行走馬達(dá)啟動(dòng),帶動(dòng)上、下機(jī)械臂沿行走齒條垂直下降至適當(dāng)位置,該過程進(jìn)行的同時(shí)承重臂已起升至預(yù)定位置,即承重臂處于垂直狀態(tài),水平液壓缸活塞桿伸長將鉆桿水平運(yùn)移至固定機(jī)械手和翻轉(zhuǎn)機(jī)械手手心位置,并夾持鉆桿。
最后,翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿收縮,電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)液壓缸向后運(yùn)動(dòng),使承重臂以轉(zhuǎn)動(dòng)連接部分為中心轉(zhuǎn)動(dòng)至水平位置,輸送機(jī)啟動(dòng)將鉆桿輸送至適當(dāng)位置,勾取鉆桿至排放架上,鉆桿下臺(tái)過程完成。
4 桅桿的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析
通過對(duì)桅桿的受力分析可知,當(dāng)兩組機(jī)械臂的主臂(長6m)水平時(shí)桅桿受力最大,即桅桿受到的壓彎組合載荷值最大。若機(jī)械手此時(shí)夾持的鉆具為11〃鉆鋌(476.2kg·m-1)且桅桿能夠正常承載,宏觀上不發(fā)生變形,則說明該桅桿能承載其他管狀類鉆具。桅桿受力狀態(tài)簡圖如圖5所示。
鉆鋌長度按9.45m計(jì)算,受力分析可知M=F·L=(476.2×9.45×9.8)6= 264.6 kN/m,由平衡方程:
(1)
解得F1=F3=11kN。兩組機(jī)械臂自重210kg,則F2=F4=210×9.8+476.2×9.45×9.8=46.2kN。由此桅桿各截面的彎矩和軸力圖如圖6所示。
由可知危險(xiǎn)截面為B截面,其中FN max=-46.2kN(壓力),Mmax=-127.5kN/m(逆時(shí)針)。桅桿整體采用熔渣焊焊接而成,且焊后需熱處理,提高其強(qiáng)度和后續(xù)加工精度,橫截面如圖7所示,其中橫截面積A=0.033m2,抗彎截面系數(shù)Wy=1.72×10-3m3。
所以:
(2)
(3)
解得,MP,則,強(qiáng)度條件滿足。
5 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的立柱式鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)是針對(duì)ZJ70D鉆機(jī)的配套設(shè)備,該設(shè)備操作方便,結(jié)構(gòu)可靠,可實(shí)現(xiàn)鉆桿上下鉆臺(tái)的自動(dòng)化操作,不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,延長鉆桿使用壽命,而且極大地提高了鉆井效率和安全性。
參考文獻(xiàn):
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[4]劉廣志譯.UTB-1型超深井鉆機(jī)推進(jìn)了自動(dòng)化的發(fā)展[J].維普資訊,23-27.
基金項(xiàng)目:校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(2017028);
中國石油大學(xué)勝利學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助
作者簡介:王寶杰(1997-),男,山東臨沂人,本科,研究方向:材料成型及控制工程。