修井鐵鉆工自動(dòng)找中關(guān)鍵技術(shù)研究

趙勇

（長沙中金智能裝備有限公司，長沙410100）

0 引 言

隨著鉆、修井自動(dòng)化技術(shù)的推廣，鐵鉆工取代常規(guī)的液壓大鉗及B型鉗，已成為主流趨勢(shì)，鐵鉆工可極大程度地降低鉆臺(tái)面工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。尤其對(duì)修井作業(yè)而言，起下鉆更加頻繁，鐵鉆工更是不可或缺。與鉆井鐵鉆工相比，修井鐵鉆工目前還處于起步階段，只有個(gè)別廠家開發(fā)了初步產(chǎn)品，如SIR025及STG30鐵鉆工。由于修井作業(yè)時(shí)，管柱中心與井口中心不重合，鐵鉆工無法自動(dòng)準(zhǔn)確找到管柱中心，需多次人工微調(diào)，效率低，且易造成管柱上卸扣時(shí)剝皮、打滑；油管旋扣時(shí)偏扣、旋不到位等問題，嚴(yán)重制約了修井鐵鉆工的推廣應(yīng)用。針對(duì)上述問題，本文分析了主要的影響因素，并提出相關(guān)的解決方案，為修井鐵鉆工的推廣應(yīng)用提供了有力支撐。

1 修井鐵鉆工無法找中的原因及影響

修井作業(yè)時(shí)，井口位置已固定，而修井機(jī)和鉆臺(tái)面安裝時(shí)存在誤差，造成油車大鉤中心與井口中心不重合，為避免起下鉆過程中管柱與套管偏磨及管柱憋勁，通常采用外置式氣動(dòng)卡瓦，由于管柱接箍在起下鉆過程中經(jīng)常會(huì)刮碰氣動(dòng)卡瓦，造成氣動(dòng)卡瓦每次的位置不固定，即管柱與井口不同心。以2-7/8 in管柱而言，據(jù)現(xiàn)場了解，在安裝誤差、套管內(nèi)徑，井口尺寸、管柱柔性等因素影響下，管柱中心在周向方向可偏離井口中心50 mm左右，如圖1所示。

圖1 井口與管柱位置關(guān)系

修井鐵鉆工作業(yè)時(shí)，伸縮臂帶動(dòng)鉗體向井口靠攏，由于鉗體中心無法與管柱中心重合，就需要司鉆工進(jìn)行微調(diào)，但由于鐵鉆工一般安裝在司鉆房對(duì)面，司鉆工無法準(zhǔn)確觀察鉗體是否與管柱同心，因此有時(shí)需要一個(gè)鉆臺(tái)面工人在井口指揮。這樣就嚴(yán)重影響了作業(yè)效率及自動(dòng)化程度的提高。更為嚴(yán)重的是，由于鉗體與管柱中心不重合，四塊牙板中可能僅有2塊牙板夾緊鉆桿，將會(huì)造成接箍上卸扣時(shí)打滑、剝皮（如圖2），使管柱提前報(bào)廢。而對(duì)油管而言，由于是細(xì)牙螺紋，以常用的2-7/8 in油管為例，其螺距為2.54 mm，計(jì)算可知若上下油管偏差2°就會(huì)造成偏扣。由于鉗體中心無法與油管中心重合，因此經(jīng)常出現(xiàn)損壞螺紋或旋扣不到位的情況。

2 修井鐵鉆工自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)

圖2 管柱上扣打滑、剝皮

鉆井鐵鉆工一般僅需采用接近開關(guān)即可找中管柱，這是由于鉆井作業(yè)起下鉆采用嵌入式卡瓦，管柱中心即為井口中心，因此僅需在前后方向感應(yīng)到管柱即可[2]。而修井鐵鉆工則需左右、前后兩個(gè)方向找中管柱，無疑增加了技術(shù)難度。采用作者前期所提出的兩個(gè)自動(dòng)找中專利，現(xiàn)場作業(yè)實(shí)踐證明可有效解決左右、前后兩個(gè)方向自動(dòng)找中的問題，但均有一定的局限性：文獻(xiàn)[3]由于需要布置3個(gè)接近開關(guān)，對(duì)于尺寸規(guī)格較小的管柱，存在接近開關(guān)信號(hào)相互干擾的情況；文獻(xiàn)[4]則需要根據(jù)管柱規(guī)格更換過渡座，同時(shí)，接近開關(guān)調(diào)整麻煩。

本文提出的修井鐵鉆工自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)如圖3、圖4所示。自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)安裝在鐵鉆工夾緊鉗底部，由帶位移傳感器的伸縮油缸、V形導(dǎo)向板、可調(diào)節(jié)位置的感應(yīng)裝置等組成。

圖3 夾緊鉗與自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)

圖4 夾緊鉗與自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)頂視圖

自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)的伸縮油缸的缸筒端固定在夾緊鉗底部，活塞桿端安裝1個(gè)V形導(dǎo)向板；感應(yīng)裝置安裝在夾緊鉗底部，前端安裝1個(gè)接近開關(guān)，根據(jù)修井常用管柱類型，設(shè)置2-7/8 in、3-1/2 in 等2 個(gè)檔位，并可通過拔插定位銷方式快速調(diào)節(jié)接近開關(guān)位置。

由于修井作業(yè)時(shí)常用的管柱規(guī)格為2-7/8 in油管、2-7/8 in鉆桿及3-1/2 in鉆桿，因此所設(shè)計(jì)的修井鐵鉆工U形鉗口寬度尺寸為150 mm，而考慮管柱中心變化范圍，鉗口前端設(shè)置導(dǎo)向角，其最前端寬度尺寸為220 mm，即針對(duì)最大規(guī)格的3-1/2 in鉆桿，在鐵鉆工標(biāo)定好井口中心的情況下，無論鉆桿中心在井口如何變動(dòng)，鉗體的導(dǎo)向角均可將3-1/2 in以內(nèi)的管柱包含其中。

修井鐵鉆工臂架油缸，自帶位移傳感器，可驅(qū)動(dòng)鉗體前進(jìn)或后退；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)帶動(dòng)小齒輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐使鉗體回轉(zhuǎn)。鉗體的伸縮和回轉(zhuǎn)，均由電磁比例閥控制。

3 自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)工作原理

以2-7/8 in鉆桿為例，當(dāng)鐵鉆工處于待機(jī)位置時(shí)，鉗體U形口正對(duì)井口中心；找中機(jī)構(gòu)的伸縮油缸帶動(dòng)V形導(dǎo)向板前伸至已設(shè)置好的距離，此距離保證當(dāng)2-7/8 in鉆桿與鉗體中心重合時(shí)，鉆桿本體的外壁恰好與V形導(dǎo)向板兩側(cè)邊相切；自動(dòng)找中的接近開關(guān)處于2-7/8 in檔位，此檔位保證當(dāng)2-7/8 in鉆桿外壁與V形導(dǎo)向板兩側(cè)邊相切時(shí)，接近開關(guān)恰好接收到信號(hào)。另外，待機(jī)位時(shí)，回轉(zhuǎn)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。找中機(jī)構(gòu)的作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)找中作業(yè)流程

作業(yè)時(shí)，鉗體在伸縮臂推動(dòng)下，從待機(jī)位快速向井口中心移動(dòng)，當(dāng)距離井口中心一定長度時(shí)開始減速，以降低鉗體的慣性沖擊。

當(dāng)夾緊鉗U形口導(dǎo)向角最前沿越過井口中心（臂架油缸的位移傳感器計(jì)算距離）時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電磁轉(zhuǎn)向閥開啟，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)的進(jìn)、出油路聯(lián)通，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于“浮動(dòng)”狀態(tài)，此時(shí)鉗體端無須施加很大的側(cè)向力，即可使鐵鉆工整體旋轉(zhuǎn)。

鐵鉆工繼續(xù)前伸，使2-7/8 in鉆桿逐步進(jìn)入夾緊鉗U形鉗口直線段，并進(jìn)入找中機(jī)構(gòu)導(dǎo)向板區(qū)域，由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于浮動(dòng)狀態(tài)，因此相對(duì)固定的鉆桿可迫使鉗體根據(jù)鉆桿的位置微調(diào)（回轉(zhuǎn)），最終使鉆桿的外壁與V形導(dǎo)向板兩內(nèi)側(cè)邊相切，而接近開關(guān)也同時(shí)感應(yīng)到鉆桿外壁，并將信號(hào)反饋，鐵鉆工停止前伸，自動(dòng)找中結(jié)束。此時(shí)管柱前后、左右的中心均與鉗體中心重合。整個(gè)自動(dòng)找中過程中，鉗體與管柱相對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系如圖6所示。

當(dāng)使用3 -1/2 in 管 柱時(shí)，將感應(yīng)裝置的插銷插在3 -1/2 in檔位，同時(shí)鐵鉆工控制面板上選擇3-1/2 in 管柱類型即可，此時(shí)找中機(jī)構(gòu)的伸縮油缸能自動(dòng)將V形導(dǎo)向板伸至相對(duì)應(yīng)的位置。

圖6 鉗體與管柱位置關(guān)系

4 結(jié) 語

針對(duì)修井作業(yè)起下鉆時(shí)，管柱與井口中心不重合的特點(diǎn)及原因，研發(fā)出一套適用于修井鐵鉆工的自動(dòng)找中機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用移動(dòng)式導(dǎo)向板、移動(dòng)式感應(yīng)機(jī)構(gòu)與鉗體自浮動(dòng)功能，使鉗體可沿相對(duì)固定的管柱自行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)前后、左右兩個(gè)方向的中心重合。機(jī)構(gòu)簡單實(shí)用，自動(dòng)化程度高，可真正意義上實(shí)現(xiàn)修井鐵鉆工的“一鍵操作”。