陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構(gòu)設(shè)計

劉榮輝 黨鵬 劉家豪

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

0引言

鉆井過程中，需對鉆桿進行往復(fù)存取，尤其在起鉆及甩鉆時，需多次對鉆桿進行排放作業(yè)。早期在國外鉆桿排放系統(tǒng)已長期研究及應(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。其研制的鉆桿自動排放系統(tǒng)主要用于海洋平臺方面，陸地鉆機運用相對較少。國內(nèi)鉆桿排放系統(tǒng)的研制無論是針對海洋鉆機還是陸地鉆機，研究相對較少。陸地鉆機鉆桿是通過地面管排架進行排放，缺點是全程需要人工拉、拽，占地面積較大，裝運時鉆桿需逐一搬運至運輸車輛上。針對鉆機鉆桿自動排放，某公司在國家研發(fā)平臺的支撐下，進行了鉆具自動處理系統(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度，但是依然存在很多缺點。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)計了一種能大量存儲鉆桿、輸送鉆桿且便于裝運的系統(tǒng)。

1技術(shù)分析

1.1總體方案

陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構(gòu)與貓道配合使用，該機構(gòu)的電液控制系統(tǒng)與貓道的對接，最終互相協(xié)調(diào)完成鉆桿在鉆臺面與地面之間的排放。陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構(gòu)包括無驅(qū)動鉆桿庫和液壓驅(qū)動的輸送機構(gòu)。布置合理，結(jié)構(gòu)緊促，有效提高空問利用率，鉆桿庫可進行整體裝運，裝運效率高。輸送機構(gòu)固定在貓道底座一側(cè)，通過液壓系統(tǒng)進行控制，可將鉆桿從貓道輸送至鉆桿庫或?qū)@桿從鉆桿庫輸送至貓道。下鉆時，輸送機構(gòu)用一側(cè)翻板將鉆桿從鉆桿庫鉆桿出口翻出，滾人V型槽（兩翻板同軸轉(zhuǎn)動形成），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，輸送機構(gòu)用一側(cè)翻板與貓道一側(cè)接鉆工位對接，鉆桿滾入輸送機構(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鉆桿人口，完成甩鉆桿的排放與儲存工作。鉆桿庫作為鉆桿的供給裝置，裝運時用吊車吊至拖車，裝置無驅(qū)動力，靠鉆桿自重及固定軌道自動完成鉆桿排放與存儲。下鉆時，各鉆桿之間相互作用推送至鉆桿庫底部鉆桿出口位置，完成取鉆;甩鉆時，鉆桿靠重力從鉆桿庫頂部入口沿各軌道依次滾入，完成鉆桿排放及儲存。電液控制方面，采用PLC控制系統(tǒng)，通過限位開關(guān)、觸點開關(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)進行集成，實現(xiàn)點控及一鍵操作，并具備自動計數(shù)以及記憶功能，采取有急停、報警等控制程序，并設(shè)留人工控制和手動急停等干預(yù)點位。

1.2主要技術(shù)特點

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

（2）鉆桿庫采用自上而下的儲存方式，利用鉆桿自重作為驅(qū)動力，可極大降低動力源的使用要求，減少了控制難度，便于整體運輸，后期維護方便。

（3）輸送機構(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。同時鉆桿庫中采用風(fēng)車十字機構(gòu)可滿足不同規(guī)格鉆桿的排放、存儲。

（4）系統(tǒng)動作點位少，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

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

1.4.2鉆桿厙

鉆桿庫主要由鉆桿庫主體、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。鉆桿庫通過吊裝坐落于輔助輸送側(cè)面。儲存鉆桿時，鉆桿從入口6沿各層軌道依次滾入，且從最底層開始層層疊加，直至最頂層軌道儲存滿鉆桿結(jié)束。軌道由底層開始到最上一層形成S形軌道儲存區(qū)域，每層軌道末端均有一組風(fēng)車十字機構(gòu)。風(fēng)車十字機構(gòu)理論示意圖如圖5所示。風(fēng)車十字機構(gòu)的作用：（1）緩沖作用，削弱鉆桿沿軌道滾動的沖擊力;（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的狀況。鉆桿出口與入口分別設(shè)有擋板及擋桿，運輸安全，可靠性高。鉆桿庫可儲存直徑范圍60.3～127mm的常規(guī)鉆桿，127mm常規(guī)鉆桿，可儲存88根。

1.4.3輸送機構(gòu)

輸送機構(gòu)主要由架體、行程滑車、z形滑車、固定支撐、三級起升液壓缸等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。輸送機構(gòu)由2個對稱布置功能相同的模塊組成。通過吊機與拖車完成裝運，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充。加裝行程滑車的目的是降低架體高度、滿足運輸要求。

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構(gòu)架體的縱向軌道上移動，對z形滑車起到定位的作用，防止z形滑車擺動，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)液壓缸推動滑塊擠壓長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)長翻板上翻轉(zhuǎn)、短翻板下翻轉(zhuǎn)時，鉆桿從靠近鉆桿庫一側(cè)滾出;當(dāng)短翻板上翻轉(zhuǎn)、長翻板下翻轉(zhuǎn)時，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，其伸縮帶動連桿推動滑桿，最終使行程板完成伸縮。通過更改滑桿在行程板上安裝的位置，來改變行程板的伸出長度，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，鉆桿沿長翻板滾入貓道底座;甩鉆則反之。下鉆時輸送機構(gòu)與貓道底座對接的示意圖如圖13所示。輸送機構(gòu)的液壓控制原理圖如圖14所示。輸送機構(gòu)進油路與原有貓道主油路連接，回油路直接進入油箱。進油路和回油路末端均安裝截止閥，裝運斷開液壓系統(tǒng)時減少液壓油外流浪費?；赜吐纺┒税惭b二位二通手動換向閥，用于系統(tǒng)維修及其故障急停?？拷簤焊走M油路安裝分流集流閥，避免液壓缸動作不同步。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

陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構(gòu)的控制流程圖如圖15所示。整個控制流程包括取鉆桿（下鉆時）、儲存鉆桿（甩鉆、起鉆時）2個部分，取鉆桿時鉆桿是從貓道底座至輸送系統(tǒng)，再至鉆桿庫;儲存鉆桿時則反之。根據(jù)該流程圖，可明顯看出整個系統(tǒng)各個部件的動作狀況，對于關(guān)鍵的動作步驟需進行條件判斷，根據(jù)步驟判斷是否進入下一步動作，若未達到目標(biāo)位置則動作停止并進行報警。對于一些特殊位置，也設(shè)立報警信號用于狀態(tài)提醒。系統(tǒng)有計數(shù)功能，作為判斷系統(tǒng)儲存容量情況。該流程有單步、循環(huán)及手動模式，適合采用PLC程序進行順序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機自動化鉆桿儲存及其運輸系統(tǒng)的自動化控制。

3結(jié)束語

（1）自動化程度高，研制難度低。整個系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)與原有的貓道系統(tǒng)進行集成，降低了對動力源的需求，減小了電液系統(tǒng)控制的難度。整個系統(tǒng)的控制點位較少，有效降低了集成難度。同時達到了減少人員配置、消除安全風(fēng)險和提高作業(yè)效率的目的。

（2）模塊化設(shè)計。鉆桿庫采用純機械結(jié)構(gòu)、重力驅(qū)動及立體存儲方式。整體尺寸滿足運輸要求，裝運時無需拆卸任何部件，效率高、節(jié)約成本。鉆桿庫與輸送機構(gòu)設(shè)備采用獨立設(shè)計，輸送機構(gòu)與原有貓道整體運輸，提高了運輸效率、降低了運輸成本。

陸地鉆機鉆桿自動儲存和輸送機構(gòu)給鉆桿排放及儲存提供了很大的便利，有效降低了工人的勞動強度，自動化操作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，進一步提高了鉆井的效率，減少了占地面積，對于降低成本及其提高鉆井安全性有重要的意義。