劉榮輝 黨鵬 劉家豪

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;鉆桿庫(kù);PLC控制;模塊化;液壓系統(tǒng)

0引言

鉆井過(guò)程中，需對(duì)鉆桿進(jìn)行往復(fù)存取，尤其在起鉆及甩鉆時(shí)，需多次對(duì)鉆桿進(jìn)行排放作業(yè)。早期在國(guó)外鉆桿排放系統(tǒng)已長(zhǎng)期研究及應(yīng)用，技術(shù)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(dòng)排放系統(tǒng)主要用于海洋平臺(tái)方面，陸地鉆機(jī)運(yùn)用相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)鉆桿排放系統(tǒng)的研制無(wú)論是針對(duì)海洋鉆機(jī)還是陸地鉆機(jī)，研究相對(duì)較少。陸地鉆機(jī)鉆桿是通過(guò)地面管排架進(jìn)行排放，缺點(diǎn)是全程需要人工拉、拽，占地面積較大，裝運(yùn)時(shí)鉆桿需逐一搬運(yùn)至運(yùn)輸車輛上。針對(duì)鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放，某公司在國(guó)家研發(fā)平臺(tái)的支撐下，進(jìn)行了鉆具自動(dòng)處理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程電子司鉆以及集成的技術(shù)研究工作。此外，部分企業(yè)將管排架設(shè)計(jì)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(qiáng)度，但是依然存在很多缺點(diǎn)。鑒于此，本文根據(jù)已經(jīng)成熟的貓道設(shè)備的基本尺寸及其工作要求，設(shè)計(jì)了一種能大量存儲(chǔ)鉆桿、輸送鉆桿且便于裝運(yùn)的系統(tǒng)。

1技術(shù)分析

1.1總體方案

陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)儲(chǔ)存和輸送機(jī)構(gòu)與貓道配合使用，該機(jī)構(gòu)的電液控制系統(tǒng)與貓道的對(duì)接，最終互相協(xié)調(diào)完成鉆桿在鉆臺(tái)面與地面之間的排放。陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)儲(chǔ)存和輸送機(jī)構(gòu)包括無(wú)驅(qū)動(dòng)鉆桿庫(kù)和液壓驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)構(gòu)。布置合理，結(jié)構(gòu)緊促，有效提高空問(wèn)利用率，鉆桿庫(kù)可進(jìn)行整體裝運(yùn)，裝運(yùn)效率高。輸送機(jī)構(gòu)固定在貓道底座一側(cè)，通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，可將鉆桿從貓道輸送至鉆桿庫(kù)或?qū)@桿從鉆桿庫(kù)輸送至貓道。下鉆時(shí)，輸送機(jī)構(gòu)用一側(cè)翻板將鉆桿從鉆桿庫(kù)鉆桿出口翻出，滾人V型槽（兩翻板同軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成），然后提升一定高度，再下翻另一側(cè)翻板，鉆桿靠自重滾人貓道接鉆工位，完成取鉆工作。甩鉆時(shí)，輸送機(jī)構(gòu)用一側(cè)翻板與貓道一側(cè)接鉆工位對(duì)接，鉆桿滾入輸送機(jī)構(gòu)V型槽，提升一定高度，下翻另一側(cè)翻板，鉆桿靠自重滾入鉆桿庫(kù)鉆桿人口，完成甩鉆桿的排放與儲(chǔ)存工作。鉆桿庫(kù)作為鉆桿的供給裝置，裝運(yùn)時(shí)用吊車吊至拖車，裝置無(wú)驅(qū)動(dòng)力，靠鉆桿自重及固定軌道自動(dòng)完成鉆桿排放與存儲(chǔ)。下鉆時(shí)，各鉆桿之間相互作用推送至鉆桿庫(kù)底部鉆桿出口位置，完成取鉆;甩鉆時(shí)，鉆桿靠重力從鉆桿庫(kù)頂部入口沿各軌道依次滾入，完成鉆桿排放及儲(chǔ)存。電液控制方面，采用PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)、觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，獲取輸送位置、數(shù)量脈沖等信息，可將電液控系統(tǒng)與原有貓道的電液控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)控及一鍵操作，并具備自動(dòng)計(jì)數(shù)以及記憶功能，采取有急停、報(bào)警等控制程序，并設(shè)留人工控制和手動(dòng)急停等干預(yù)點(diǎn)位。

1.2主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）輸送機(jī)構(gòu)采用PLC程序控制和液壓驅(qū)動(dòng)輔助貓道、鉆桿庫(kù)等設(shè)備完成鉆桿排放。整個(gè)系統(tǒng)固定于貓道底座一側(cè)，可拆卸裝運(yùn)或拆卸換位安裝在貓道側(cè)面一同裝運(yùn)。

（2）鉆桿庫(kù)采用自上而下的儲(chǔ)存方式，利用鉆桿自重作為驅(qū)動(dòng)力，可極大降低動(dòng)力源的使用要求，減少了控制難度，便于整體運(yùn)輸，后期維護(hù)方便。

（3）輸送機(jī)構(gòu)中用于翻出鉆桿的行程板可根據(jù)鉆桿規(guī)格切換伸出長(zhǎng)度，更改翻轉(zhuǎn)范圍，滿足60.3～127mm常規(guī)鉆桿的取出需求。同時(shí)鉆桿庫(kù)中采用風(fēng)車十字機(jī)構(gòu)可滿足不同規(guī)格鉆桿的排放、存儲(chǔ)。

（4）系統(tǒng)動(dòng)作點(diǎn)位少，其PLC控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)可在不更改原有貓道電液控制系統(tǒng)的情況下完成對(duì)接與拓展。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

（1）鉆桿規(guī)格：常規(guī)鉆桿60.3～127mm

（2）長(zhǎng)度：9.6m

（3）最大凈載重：27kN

（4）液壓系統(tǒng)額定壓力：21.5MPa

1.4主要結(jié)構(gòu)

1.4.1總體結(jié)構(gòu)布局

鉆機(jī)自動(dòng)化鉆桿儲(chǔ)存及其輸送系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)及其布局圖如圖1所示。貓道底座、輸送機(jī)構(gòu)、鉆桿庫(kù)均放置于地面。輸送機(jī)構(gòu)固定于貓道底座側(cè)面;鉆桿庫(kù)通過(guò)吊裝坐落于輸送機(jī)構(gòu)側(cè)面，與其他裝置無(wú)任何連接。

1.4.2鉆桿厙

鉆桿庫(kù)主要由鉆桿庫(kù)主體、風(fēng)車十字、十字轉(zhuǎn)軸、吊裝管、鉆桿出口擋板、鉆桿人口檔桿等組成。結(jié)構(gòu)圖如圖2～4所示。鉆桿庫(kù)通過(guò)吊裝坐落于輔助輸送側(cè)面。儲(chǔ)存鉆桿時(shí)，鉆桿從入口6沿各層軌道依次滾入，且從最底層開(kāi)始層層疊加，直至最頂層軌道儲(chǔ)存滿鉆桿結(jié)束。軌道由底層開(kāi)始到最上一層形成S形軌道儲(chǔ)存區(qū)域，每層軌道末端均有一組風(fēng)車十字機(jī)構(gòu)。風(fēng)車十字機(jī)構(gòu)理論示意圖如圖5所示。風(fēng)車十字機(jī)構(gòu)的作用：（1）緩沖作用，削弱鉆桿沿軌道滾動(dòng)的沖擊力;（2）分離上下層鉆桿;（3）防止鉆桿出現(xiàn)卡頓，采用弧形結(jié)構(gòu)可將上層軌道鉆桿的擠壓力轉(zhuǎn)化為下層軌道鉆桿的驅(qū)動(dòng)力，避免下層鉆桿出現(xiàn)因摩擦力不足而不能順利向下滾動(dòng)的狀況。鉆桿出口與入口分別設(shè)有擋板及擋桿，運(yùn)輸安全，可靠性高。鉆桿庫(kù)可儲(chǔ)存直徑范圍60.3～127mm的常規(guī)鉆桿，127mm常規(guī)鉆桿，可儲(chǔ)存88根。

1.4.3輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)主要由架體、行程滑車、z形滑車、固定支撐、三級(jí)起升液壓缸等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。輸送機(jī)構(gòu)由2個(gè)對(duì)稱布置功能相同的模塊組成。通過(guò)吊機(jī)與拖車完成裝運(yùn)，采用固定支撐與貓道底座側(cè)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(bǔ)充。加裝行程滑車的目的是降低架體高度、滿足運(yùn)輸要求。

行程滑車由行程滑車主體、縱向承載導(dǎo)輪以及橫向承載導(dǎo)輪組成?？v橫向?qū)л喸谳斔蜋C(jī)構(gòu)架體的縱向軌道上移動(dòng)，對(duì)z形滑車起到定位的作用，防止z形滑車擺動(dòng)，降低液壓缸壽命，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，與架體軌道安裝示意圖如圖8所示，對(duì)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(dǎo)輪、翻轉(zhuǎn)液壓缸、行程板液壓缸、長(zhǎng)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(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。翻轉(zhuǎn)液壓缸推動(dòng)滑塊擠壓長(zhǎng)翻板和短翻板繞固定軸旋轉(zhuǎn)，改變V形槽的形成狀態(tài)。當(dāng)長(zhǎng)翻板上翻轉(zhuǎn)、短翻板下翻轉(zhuǎn)時(shí)，鉆桿從靠近鉆桿庫(kù)一側(cè)滾出;當(dāng)短翻板上翻轉(zhuǎn)、長(zhǎng)翻板下翻轉(zhuǎn)時(shí)，鉆桿從靠近貓道底座的一側(cè)滾出。行程板液壓缸與T形套鉸接，其伸縮帶動(dòng)連桿推動(dòng)滑桿，最終使行程板完成伸縮。通過(guò)更改滑桿在行程板上安裝的位置，來(lái)改變行程板的伸出長(zhǎng)度，滿足取60.3～127mm不同規(guī)格的常規(guī)鉆桿，取鉆桿原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。導(dǎo)輪用于定位，定位示意圖如圖12所示。下鉆時(shí)，鉆桿沿長(zhǎng)翻板滾入貓道底座;甩鉆則反之。下鉆時(shí)輸送機(jī)構(gòu)與貓道底座對(duì)接的示意圖如圖13所示。輸送機(jī)構(gòu)的液壓控制原理圖如圖14所示。輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)油路與原有貓道主油路連接，回油路直接進(jìn)入油箱。進(jìn)油路和回油路末端均安裝截止閥，裝運(yùn)斷開(kāi)液壓系統(tǒng)時(shí)減少液壓油外流浪費(fèi)?；赜吐纺┒税惭b二位二通手動(dòng)換向閥，用于系統(tǒng)維修及其故障急停?？拷簤焊走M(jìn)油路安裝分流集流閥，避免液壓缸動(dòng)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(dòng)作逆向，可使液壓缸在行程內(nèi)任意位置停止，保證安全。

2控制流程

陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)儲(chǔ)存和輸送機(jī)構(gòu)的控制流程圖如圖15所示。整個(gè)控制流程包括取鉆桿（下鉆時(shí)）、儲(chǔ)存鉆桿（甩鉆、起鉆時(shí)）2個(gè)部分，取鉆桿時(shí)鉆桿是從貓道底座至輸送系統(tǒng)，再至鉆桿庫(kù);儲(chǔ)存鉆桿時(shí)則反之。根據(jù)該流程圖，可明顯看出整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部件的動(dòng)作狀況，對(duì)于關(guān)鍵的動(dòng)作步驟需進(jìn)行條件判斷，根據(jù)步驟判斷是否進(jìn)入下一步動(dòng)作，若未達(dá)到目標(biāo)位置則動(dòng)作停止并進(jìn)行報(bào)警。對(duì)于一些特殊位置，也設(shè)立報(bào)警信號(hào)用于狀態(tài)提醒。系統(tǒng)有計(jì)數(shù)功能，作為判斷系統(tǒng)儲(chǔ)存容量情況。該流程有單步、循環(huán)及手動(dòng)模式，適合采用PLC程序進(jìn)行順序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)化鉆桿儲(chǔ)存及其運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

3結(jié)束語(yǔ)

（1）自動(dòng)化程度高，研制難度低。整個(gè)系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)與原有的貓道系統(tǒng)進(jìn)行集成，降低了對(duì)動(dòng)力源的需求，減小了電液系統(tǒng)控制的難度。整個(gè)系統(tǒng)的控制點(diǎn)位較少，有效降低了集成難度。同時(shí)達(dá)到了減少人員配置、消除安全風(fēng)險(xiǎn)和提高作業(yè)效率的目的。

（2）模塊化設(shè)計(jì)。鉆桿庫(kù)采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)、重力驅(qū)動(dòng)及立體存儲(chǔ)方式。整體尺寸滿足運(yùn)輸要求，裝運(yùn)時(shí)無(wú)需拆卸任何部件，效率高、節(jié)約成本。鉆桿庫(kù)與輸送機(jī)構(gòu)設(shè)備采用獨(dú)立設(shè)計(jì)，輸送機(jī)構(gòu)與原有貓道整體運(yùn)輸，提高了運(yùn)輸效率、降低了運(yùn)輸成本。

陸地鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)儲(chǔ)存和輸送機(jī)構(gòu)給鉆桿排放及儲(chǔ)存提供了很大的便利，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)化操作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，進(jìn)一步提高了鉆井的效率，減少了占地面積，對(duì)于降低成本及其提高鉆井安全性有重要的意義。