崔海朋

（青岛杰瑞工控技术有限公司，山东青岛 266061）

0 引言

目前修井机中管柱从井场场地上下钻台面的方式是需要三四个场地工配合使用气葫芦把管柱顺着斜坡道提升到钻台面的传统人工作业模式，上下管柱一直是风险系数高、劳动强度大、耗费时间长、占用人工多的施工过程。

近年来，随着中国石油和天然气总公司对钻井安全生产要求的不断提高，自动化程度的不断提高，管柱处理实现自动化控制已成为一种趋势，在这种情况下猫道机的出现实现管柱处理自动化。因此，建立一套管柱自动化处理的猫道机已成为钻井平台实现自动化的主要设备。

1 猫道机国内外发展现状对比

从我国石油钻机装备制造情况来看，生产成套石油钻机、钻机控制装备、海洋钻井平台或水下生产系统等具有较大影响和规模制造能力的企业相对较少。目前整套钻机或修井机厂家很少，只有极少数大型制造商正在大力发展，但猫道机都没有体现在所生产的系列产品中，关于猫道机的研制都在前期调研准备阶段[1]。

国外对石油钻机的自动化装备研究已经比较成熟，大部分石油钻机都已经配套相应的自动化和机械化装置，国际上比较有代表性的国家有美国、德国、英国、挪威、加拿大等。美国的National Oil Well Varco公司是世界上最早研究开发钻柱自动化操作技术的厂家之一。目前Varco公司的管柱自动化操作系统已经实现模块化和系列化，能够满足陆地和海洋不同类型钻机的需求。挪威Aker Kvaerner公司从1980年开始为陆地和海洋石油钻机提供钻井管柱自动排放和管柱处理装置，目前发展为多种类型的管柱处理装置，且技术水平先进，自动化程度高[2]。这些钻机都具有的共同特点是：普遍采用井口自动化系统、顶驱系统和辅助配套自动化装置，通过工业计算机控制和记录钻井作业的全过程，从而实现自动控制井口的起下钻、上卸扣和排管整套钻机的机械化操作。

国外对石油钻机智能控制装备的使用非常普及，具有自动化程度高、作业效率高、作业安全性高等特点，引领着国际石油钻机的发展方向。目前西方发达国际的钻机发展正在从陆地钻机向海洋钻机移动，海上钻井市场已成为全球钻井工业的重要部分。国外的海洋钻井平台将向高可靠性、自动化、多功能化以及深水领域方向发展。

2 结构分析

猫道机主要包括下底板组、底座组、底座-管架挑管组、滑动臂支撑腿组、滑动臂组、滑动臂翻管组、滑动车组、坡道组、动力管架组，如图1、2所示。

图1 猫道机机械结构图

图2 猫道机机械结构图

下底板组在设备中起到连接上下部件的作用，在下底板下方装有限制设备前后移动的限位块。

底座组安装在下底板上方，与下底板进行焊接，底座组共包括两个底座，这两个底座成左右对称结构。每个底座分为上底座盖和下底座两个部分，在每个底座上装有滑动臂支撑腿滑动导轨，对滑动臂支撑腿组滑动起到导向支撑作用，并保证滑动臂在滑动时的安全性和稳定性。另外在滑动导轨前端装有两组弹簧减震装置，此装置是为减轻滑动臂支撑腿组与限位块之间的撞击效果[3]。

底座-管架挑管组安装在底座组-下底座上，再由上底座盖将其整体盖住。底座-管架挑管组由旋转传动轴、挑爪、带座轴承及油缸组成。底座-管架挑管组作用是将管柱从动力管架移送至滑动臂上，保证在移送不同规格的管柱时无需进行部件替换。油缸作为动力源，通过连接块将油缸输出力传递到旋转传动轴上，带动挑爪进行管柱移送。

滑动臂支撑腿组安装在滑动臂下后方，与滑动臂采用销轴连接方式。滑动臂支撑腿组起到对整个滑动臂支撑的作用，并保证滑动臂能够安全、正确、稳定的滑动。滑动臂支撑腿组结构主要包括支撑腿本体及支撑轮组部分，支撑轮组包括4个纵向支撑轮及4个侧导向轮，限制滑动臂支撑腿组在上、下、左、右4个方向上的移动，保证支撑轮组在底座导轨中正确、稳定的运动。

滑动臂组与滑动臂支撑腿组之间采用销轴连接。滑动臂组主要包括滑动臂本体、后支撑轮组、前支撑轮组、滑动车轨道。滑动臂本体是整个滑动臂组的支撑框架，滑动臂本体上表面采用V型槽结构，保证管柱在滑动臂内能够很好的放置，保证管柱在滑动臂运动时的安全性。后支撑轮安装在滑动臂后端，是在底座导轨的上表面上运动，在后支撑轮组未脱离轨道前起到支撑滑动臂的作用。前支撑轮组安装在滑动臂前端，当设备不使用或工作回到初始位置时对滑动臂起到支撑作用，当设备运行工作时在坡道-滑动臂轨道上运动，保证滑动臂组能够稳定的向上运动。滑动臂-滑动车轨道在滑动车前后运动时起到导向作用，保证滑动车按照预定轨迹运动[4]。

滑动臂翻管组安装在滑动臂内部，在甩管柱时负责将管柱从滑动臂上移送到动力管架上，滑动臂翻管组主要包括左翻翻管组和右翻翻管组，其中每个翻板组包括两个同步滑动臂翻板。

滑动车组放置在滑动臂上方，负责管柱的上下移送工作。滑动车组主要包括滑动车本体、支撑轮组、管柱锁定装置。滑动车本体是滑动车组的主要框架。支撑轮组包括4个纵向支撑轮及4个侧导向轮，限制了滑动车组在上、下、左、右4个方向上的移动，保证了滑动车组在滑动臂导轨中正确、稳定的运动。管柱锁定装置是为了保证在滑动车上下移动时管柱能够完全的与滑动车一起下滑，通过油缸输出力的作用使前端卡爪卡住管柱，与滑动臂一起移动。

坡道组安装在底座前端，与底座之间销轴连接，坡道设计成可旋转折叠式结构，当设备在运输时可将坡道完全折叠放置在底座上，当设备安装使用时再将坡道打开继续安装。坡道组主要包括坡道本体和支撑导向轮组两部分。在坡道本体上有坡道-滑动臂轨道，负责滑动臂前端支撑轮组的导向支撑作用。在滑动臂沿着坡道向上运动过程中，当滑动臂前端支撑轮组脱离坡道支撑轨道时，坡道支撑导向轮组与滑动臂下轨道接触，滑动臂沿着坡道支撑导向轮组继续向上运动，起到支撑导向的作用[5]。

动力管架组的作用是将管柱自动排放的装置，管架前端底座连接处可实现旋转折叠效果，当管架不用时可回收至底座附近不会影响设备的整体占用空间。动力管架组安装在底座的左右两侧，动力管架组共分为左、右两组动力管架，每组有3个管架，即本设备共有6个管架。当地面不平整时管架可自行调节实现管架受力方向始终保持竖直。管架连接块用于连接管架本体和底座，实现管架与设备本体合为一体。

3 功能分析

（1）可适应不同规格、不同长度的管柱自动移送、自动排放。猫道机可实现多种规格和长度的管柱的自动移送、自动排放。在底座上有3个挑爪结构，可实现从4.7～10.5 m不同长度管柱的自动移送。

（2）可实现不同长度的管柱均能自动准确的送至井口位置。通过编码器和接近开关作用，当管柱前端接触到接近开关时，由于接近开开关距离井口位置是一个定值，那么通过编码器控制可实现管柱精确的到达井口位置。

（3）管柱自动长度测量及数据输出。通过编码器及接近开关收取信号进行管柱长度计算，在计算管柱长度时可在设备的显示屏上手动输入公扣的长度，通过控制器内部计算可得出管柱最终连接在一起的长度，并且可将管柱相关参数输出。

（4）猫道机“一键送钻”。“一键送钻”按钮可分为两种功能：在送钻时，此按钮的功能是将管柱从动力管架上直接送至井口位置；在甩钻时，此按钮的功能是将设备从甩钻最终状态恢复至甩钻初始状态。

（5）猫道机“一键甩钻”。“一键甩钻”按钮可分为两种功能：在送钻时，此按钮的功能是将设备从送钻最终状态恢复至送钻初始状态；在甩钻时，此按钮的功能是将管柱从钻台面上送至动力管架上[6]。

4 结论

该猫道机实现了管柱在场地与钻台面之间的自动搬运和自动排放，操作方式为遥控器操作，并具备接口方便与司钻房集成控制系统连接，配视觉系统可以实现猫道机在司控室进行控制操作。是提高作业效率，增强安全作业，减少钻工人员，降低工人劳动强度，降低建井周期和成本和实现高自动化作业模式的关键所在。