多适用性管柱自动化上下钻台装置设计研究

2020-02-2722

石油矿场机械 2020年1期

(1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206； 2.油气钻井技术国家工程实验室，北京 102206)①

在石油钻井过程中，管柱处理是一项重要工作，劳动强度大，安全性差。据国际钻井承包商(IADC)统计，钻井过程中80%左右的事故发生在管柱处理过程中[1]。在管柱处理过程中，管柱的上下钻台是其中最费时、费力且风险较高的工作之一。常规的动力猫道仅针对特定钻机的钻台高度而设计，无法满足多种不同类型钻台的需求，而且自动化程度低。目前，国内油田钻修井现场所用的自动化管柱上下钻台装置类型多，通用性差，对设备的维护、维修成本高。有相当数量的旧钻机没有配备自动化上下钻台装置，亟需进行改造，而现有的自动化上下钻台设备都是针对某一特定钻机设计，改造难度大、周期长、费用高。工厂化作业是一种效率高、占地面积小、成本低的综合钻完井技术，已在美国页岩气开发等取得了良好成效[2]，不同级别钻机共用一套自动化上下钻台装置是其必然要求。为此，设计了一种新型多适用性管柱自动化上下钻台装置，可适用于多种不同高度和类型的钻台，其自重和所移运管柱的重力施加给自身底座而非钻台面。采用模块化可折叠设计，搬家移运方便快捷。

1 地面管柱自动上下钻台装置现状

目前在用的地面管柱自动上下钻台装置有固定式动力猫道、平行连杆式动力猫道、拉升式动力猫道、翻转式动力猫道、齿轮齿条式动力猫道等类型[3-8]，这些上下钻台装置可将钻杆、钻铤和套管等钻井管柱由地面传送到钻台设定位置或由钻台输送到地面管架上，地面仅需1人操作。这些装置明显降低了工人的劳动强度，提高了钻柱上下钻台的安全性和工作效率。

1) 固定式动力猫道。这种自动化上下钻台装置结构简单，造价低，操作简便，但对钻具接头的磨损严重，而且一般适用于低钻台钻机或修井机，应用局限性较大。

2) 平行连杆式动力猫道。这是一种国内外常用的上下钻台装置，其结构根据前后连杆的驱动液缸情况可分为单驱动式和双驱动式两类，如图1所示。输送钻具的连杆在整个作业过程仅靠前后2个连杆支撑，在开始起升、下降或突然停止时出现晃动，不仅会损坏设备，还易发生安全事故。

3) 拉升式动力猫道。这是另外一种常用的动力猫道，很多大型国际石油装备公司的动力猫道采用这种型式，例如美国NOV、CARIG，国内的宝鸡石油机械有限公司等。钻具输送梁一端通过支撑连杆连接猫道底座，另一端通过滚轮与坡道相连，如图2所示。液压绞车通过钢丝绳带动滚轮，使钻具输送梁沿坡道上下往复运动，将钻具在地面和钻台之间输送。由于钢丝绳的伸缩性大，且易磨损断裂，需定期检测更换。随着HSE要求越来越严苛，此类动力猫道的应用受到很多限制[9]。

图1 平行连杆式动力猫道原理

图2 拉升式动力猫道原理

这些动力猫道均只适用于特定型号的钻机或一定高度的钻台，无法满足不同的钻台布局和钻台高度、不同的井口中心距离的钻机，国内外主要厂家的动力猫道参数如表1所示。另外，传统的动力猫道需要通过坡道与钻台连接，并将其自身重力和工作过程中钻柱的重力一并施加给钻台。

2 多适用性管柱自动化上下钻台装置机械结构及工作原理

2.1 结构组成

多适用性管柱自动化上下钻台装置主要由可伸缩底座总成、第一输送单元、第二输送单元、支架总成、滑块、动力管排架、吊装大钩及控制单元等组成，如图3～4所示。其中，可伸缩底座安放在地面，第一输送单元的一端通过销轴耳板结构与底座相连，另一端通过销轴耳板结构与第二输送单元相连。第二输送单元通过支架总成将自身重力和管柱重力传递给可伸缩底座。

表1 国内外主要厂家动力猫道参数对比

1—第二输送单元；2—滑块；3—第一输送单元；4—起升液缸；5—动力管排架；6—控制单元；7—可伸缩底座；8—液压提升绞车；9—支架总成；10—吊装大钩。

底座采用可伸缩设计，安装支架总成的部分在搬家移运时可缩回。底座配备了起升液缸，在工作过程中可将第一输送单元起升或下放。控制单元设置在底座的端部。可伸缩底座上分别设置2个前后移动的液缸和2个左右移动的液缸，以适应不同的钻台。

第一输送单元和第二输送单元采用耳板销轴相连，可折叠设计，便于快速搬运安装，2台输送单元之间还设置调节液缸，用于调节管柱到达钻台面时的角度。2台输送单元均配备了液压防坠落销，以保证钻具在输送过程中的安全[10]。

常规的滑块采用的是电机带动钢丝绳驱动[11]。多适用性管柱自动化上下钻台装置的推动滑块安装在输送单元中间的V形槽中，采用液压马达带动链轮链条的驱动方式。

第二输送单元有保护钻具接头的滑块，可随接头在其V型槽中移运。另外，还设有液压小绞车、滑轮和提升大钩，可安全高效地在地面和钻台之间传送各种钻台和井下工具，例如套管钳、稳定器、短接和钻头等工具。

动力管排架放置在底座的两侧，用于排放和输送钻具。

2.2 工作原理

起升前，多适应性管柱自动化上下钻台装置处于停放状态，如图3所示。工作状态如图4，动力管排架端部的液缸将其顶起，使其倾斜一定角度。排放在动力管排架上的钻具在重力作用下滑进第一输送单元的V型槽中。底座上的起升液缸将第一输送单元抬起，两输送单元之间的调节液缸收回，调节它们之间的相对角度至近乎在一条直线上，以减小钻具的输送阻力。然后，液压马达驱动链条带动滑块运动，推动钻具向前滑动。随着滑块的运动，钻具的前端接头逐渐进入第二输送单元并沿第二输送单元的V型槽继续前进，滑块将钻具的后端接头推入第二输送单元后继续向前推，直至将钻具送至钻台面上的特定位置，交给动力吊卡后完成整个起升工作。然后，底座上的起升液缸收回，同时调节液缸伸出，整个装置回到初始停放位置。

甩钻具过程是起升过程的逆过程，需要注意的是第一输送单元的起升液缸收回要平稳，防止速度过快而撞击底座，发生事故。

2.3 其他辅助功能

多适应性自动化上下钻台装置还具有以下辅助功能：

1) 集成了吊装大钩。位于第二输送单元内部的液压绞车通过钢丝绳驱动吊装大钩运动，可在地面和钻台之间搬运套管钳、井下动力钻具、各种短节等工具设备，无需另配钻台升降机。

2) 配备有微调步行装置，可微调装置与钻台之间的位置。

3) 配备防干涉系统，避免设备在工作过程中各部件发生干涉。

4) 无线便携式控制手柄便利灵活，既可远程操作，又可在司钻室内操作，另外还可在发生故障时一键切换为手动操作。

3 主要结构设计

3.1 可折叠输送单元

常规的动力猫道一般由猫道本体和坡道组成，且猫道本体和坡道是分离的，坡道与底座相连，移运安装不便。多适用性管柱自动化上下钻台装置的第一输送单元和第二输送单元通过耳板相连，可折叠后搬家安装，如图5所示。另外，底座采用内外方管嵌套结构，在移运过程中可将连接支架总成的底座部分收回，此时底座与2个输送单元的长度相近，可组成一个运输橇。

1—第一输送单元；2—第二输送单元；3—调节液缸；4—可伸缩底座。

3.2 链条传动滑块

传统的动力猫道通常采用电机带动钢丝绳驱动滑块，由于现场工作环境恶劣，钢丝绳易磨损断裂，需定期更换，严重影响作业效率，增加作业成本。

多适用性管柱自动化上下钻台装置推动钻具运动的滑块采用液压马达驱动链条传动的型式，如图6。链传动无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高[12]。另外，链条传动比较大，可远距离传动，传递功率大，过载能力强，能在高温、潮湿、多尘、有油污等恶劣环境中工作，适宜输送钻具。

滑块通过螺栓与链节相连，随链条一起运动，其结构如图7所示。管柱进入滑块后，液压马达驱动链条向前运动，连杆向前进入V型块下部圆管中，夹爪逐渐打开，在夹爪打开到最大位置后，滑块即被推动并在输送单元的V型槽中运动，直至完成管柱上钻台作业。甩管柱时，管柱进入输送单元的V型槽中，其接箍与滑块接触。滑块上设置了缓冲弹簧，防止管柱冲击对滑块和链条造成破坏。液压马达驱动链条向后运动，连杆向后退出V型块下部圆管，夹爪逐渐关闭，在夹爪关闭到最小位置并夹紧管柱接箍后，滑块即被拉动在输送单元的V型槽中运动，直至完成甩管柱作业。

1—主动轮；2—滑块；3—链条；4—从动轮；5—链条张紧装置。

图7 滑块结构

3.3 上下钻台装置主体结构计算

运用有限元软件对装置进行计算，得到工作状态下等效应力和变形情况(如图8)。整个结构的最大等效应力为100 MPa，发生在第一输送单元和第二输送单元之间的调整液缸处，除此之外的等效应力均低于10 MPa，材料的屈服强度为235 MPa，安全系数为2.35，结构满足强度要求。整个结构的最大变形为40 mm，发生在第一输送单元中前部，除此之外的其他位置位移均在1 mm以内，满足结构刚度要求。