液壓自動(dòng)排管架研制與應(yīng)用

杜明賢，張志偉，張 強(qiáng)，段 武，毛玉琢，劉 旬

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

石油鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中，井場(chǎng)地面排管架主要功能是存放管柱、輸送管柱[1]。就其輸送功能而言，無(wú)論是管柱由排管架向動(dòng)力貓道的輸送，還是管柱由動(dòng)力貓道向排管架的輸送，都只能依靠人力實(shí)現(xiàn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率不高，且存在風(fēng)險(xiǎn)。隨著石油自動(dòng)化鉆機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，管柱自動(dòng)化設(shè)備從單元設(shè)備應(yīng)用發(fā)展到現(xiàn)在成套系統(tǒng)集成，取得了可喜的成績(jī)[2-3]。國(guó)內(nèi)外的動(dòng)力貓道通常自帶有管柱地面輸送裝置[4-12]，但該裝置都存在輸送距離短、載荷小、批量少等缺點(diǎn)，且管柱儲(chǔ)存數(shù)量有限，其主要作用是為了補(bǔ)充和完善動(dòng)力貓道舉升管柱的核心功能。伴隨著各種自動(dòng)存儲(chǔ)輸出裝置的研制及應(yīng)用，解決了現(xiàn)有鉆柱存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝流程繁瑣、占用空間大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題[13-14]，但地面堆場(chǎng)管柱輸送的主要形式仍以車輛的舉升、抓取或人工搬運(yùn)為主，管柱由自動(dòng)存儲(chǔ)輸出裝置經(jīng)過(guò)地面排管架到動(dòng)力貓道的輸送卻沒(méi)有專門的自動(dòng)化設(shè)備，這種現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了石油鉆機(jī)的自動(dòng)化水平，無(wú)法滿足石油自動(dòng)化鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的需求。迫切需要研究開發(fā)自動(dòng)化排管架以代替人工操作，實(shí)現(xiàn)地面堆場(chǎng)管柱輸送作業(yè)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性及工作效率。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

液壓自動(dòng)排管架是一種具有管柱存放、輸送與回收功能的地面管柱自動(dòng)化設(shè)備。設(shè)備采用遠(yuǎn)程控制油缸以實(shí)現(xiàn)排管架的頂升、造斜功能，保證管柱能夠平穩(wěn)有序的滾動(dòng)，完成管柱自動(dòng)化輸送與回收。

液壓自動(dòng)排管架有多種組合形式。較為普遍的組合形式是由4組單節(jié)液壓自動(dòng)排管架組成，即左、右各2組，每組2節(jié)，如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)所使用管柱數(shù)量、井場(chǎng)設(shè)備布置或鉆井工藝設(shè)計(jì)，按需擺放液壓自動(dòng)排管架組數(shù)，比如左邊3組、右邊1組。井場(chǎng)安裝時(shí)，液壓自動(dòng)排管架安裝在與動(dòng)力貓道相互配合的指定區(qū)域。液壓自動(dòng)排管架擺放到位后，相鄰的液壓自動(dòng)排管架之間由銷軸連接，以保證液壓自動(dòng)排管架工作的穩(wěn)定性。

每組液壓排管架同側(cè)位置的油缸具有同步起升功能，可實(shí)現(xiàn)管柱的同步、平穩(wěn)滾動(dòng)，管柱在液壓自動(dòng)排管架上的輸送狀態(tài)如圖2所示。

1—左側(cè)第二組排管架；2—左側(cè)第一組排管架；3—右側(cè)第一組排管架；4—右側(cè)第二組排管架；5—?jiǎng)恿ω埖馈?/p>

圖2 管柱在一組液壓自動(dòng)排管架上的輸送狀態(tài)

單節(jié)液壓自動(dòng)排管架主要由底座、導(dǎo)管架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、折臂、起升油缸、擋管板、擋銷等組成，單節(jié)液壓自動(dòng)排管架的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—底座；2—導(dǎo)管架；3—導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；4—折臂；5—起升油缸；6—擋管板；7—擋銷。

1.2 工作原理

參照?qǐng)D2～3，液壓自動(dòng)排管架工作時(shí)，液壓油通過(guò)同步閥分別到達(dá)液壓自動(dòng)排管架的兩端油缸，兩端油缸能夠同時(shí)起升。導(dǎo)管架是組焊的三角桁架，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，受重載時(shí)不會(huì)產(chǎn)生變形，具有側(cè)向抗彎曲能力。油缸起升實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架的造斜，管柱沿導(dǎo)管架滾下，通過(guò)掌控傾斜的角度來(lái)控制管柱滾動(dòng)的速度，保證管柱平穩(wěn)有序滾動(dòng)。折臂是隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，起到防止導(dǎo)管架失穩(wěn)的作用。油缸推動(dòng)導(dǎo)管架起升時(shí)，折臂隨之展開；導(dǎo)管架落下時(shí)，折臂隨之縮回。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能夠保證導(dǎo)管架起升時(shí)左右方向中心位置不變。存儲(chǔ)管柱時(shí)，擋銷對(duì)導(dǎo)管架上的管柱起到阻擋作用，輸送管柱時(shí)，將相應(yīng)端的擋銷拔出。擋管板的作用是：當(dāng)導(dǎo)管架一端起升時(shí)，擋管板阻擋相鄰導(dǎo)管架上的管柱，防止管柱滾下或碰壞油缸，如圖4所示。

圖4 擋管板阻擋管柱滾下

液壓自動(dòng)排管架電控系統(tǒng)與動(dòng)力貓道電控系統(tǒng)集成，采用西門子PLC及無(wú)線控制技術(shù)，配備有無(wú)線遙控、本地應(yīng)急控制、集成司鉆3種控制模式，本地操作與無(wú)線遙控具有權(quán)限互鎖功能。

1.3 技術(shù)參數(shù)

單組排管架額定舉升載荷

300 kN

排管架高度

1 070 mm

單組排管架有效長(zhǎng)度

8 190 mm

單節(jié)排管架質(zhì)量

2 500 kg

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

以提高鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化水平作為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)管柱平穩(wěn)有序輸送，開展了液壓自動(dòng)排管架的相關(guān)研究、設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)等工作。

1) 應(yīng)用有限元分析技術(shù)，設(shè)計(jì)液壓自動(dòng)排管架桁架結(jié)構(gòu)形式，保證起升承載后，結(jié)構(gòu)不變形、穩(wěn)定可靠，具有抗沖擊性。

2) 采用先進(jìn)的液壓控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓自動(dòng)排管架起降同步，動(dòng)作靈敏度高。

3) 控制系統(tǒng)充分與動(dòng)力貓道融合控制，提高管柱自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)整體集成性。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

液壓自動(dòng)排管架累計(jì)配套新制自動(dòng)化鉆機(jī)40余臺(tái)套，在舊鉆機(jī)的自動(dòng)化升級(jí)改造中也得到了單元設(shè)備選型配套，收到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。液壓自動(dòng)排管架現(xiàn)場(chǎng)使用如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，液壓自動(dòng)排管實(shí)現(xiàn)了地面堆場(chǎng)管柱輸送作業(yè)的自動(dòng)化，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度；操作人員遠(yuǎn)離管柱堆場(chǎng)區(qū)域，提高了作業(yè)安全性；用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用需求進(jìn)行個(gè)性化配套組合。

圖5 液壓自動(dòng)排管架現(xiàn)場(chǎng)輸送管柱

3 結(jié)論

1) 針對(duì)井場(chǎng)地面排管架管柱不能自動(dòng)化輸送的不足，也為了滿足石油自動(dòng)化鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的需求，研究開發(fā)了液壓自動(dòng)排管架，并在自動(dòng)化鉆機(jī)中得到了廣泛配套?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，該型液壓自動(dòng)排管架能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)了地面堆場(chǎng)管柱輸送作業(yè)自動(dòng)化，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)安全性及工作效率，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2) 液壓自動(dòng)排管架現(xiàn)舉升額定載荷為300 kN，下一步可深入油田調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求，開發(fā)額定舉升載荷更大的液壓自動(dòng)排管架，供用戶選擇配套。

3) 現(xiàn)液壓自動(dòng)排管架為單層輸送管柱，為更進(jìn)一步提高鉆柱輸送效率，應(yīng)進(jìn)一步研究液壓自動(dòng)排管架雙層管柱輸送技術(shù)，即：兩層管柱擺放在液壓自動(dòng)排管架上，兩層管柱之間擺放油管作為隔層，輸送管柱時(shí)，先輸送第二層，切換檔桿，再輸送第一層。