液压钻具输送装置研制.pdf

２ ０ １ ６年 第４ ５卷 第４期第７ ４页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ６，４ ５（４） ７ ４  ７ ７ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ６）０ ４  ０ ０ ７ ４  ０ ４ 液压钻具输送装置研制 王建伟， 孙丽丽， 王卫华， 刘士岩， 张 宁， 吴国辉， 李慎奎 （ 华北石油荣盛机械制造有限公司， 河北 任丘０ ６ ２ ５ ５ ２） 摘要 针对斜直井钻机不能使用吊卡、 固定猫道等工具的问题， 需要采用新的工具来完成接单根工 作。通过研究斜直井钻机液压顶驱、 液压大钳、 提升系统的特点， 研制出液压钻具输送装置， 其功能 类似于动力猫道， 由变幅机构、 伸缩机构、 翻转机构、 小钳子等组成。装置通过液压控制， 操作人员 少， 劳动强度低， 安全性和生产效率大幅提高。 关键词 轻型钻机； 接单根； 钳子； 坡道； 液压 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ２ ３ 文献标识码 Ｂ 犱 狅 犻１ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２． ２ ０ １ ６． ０ ４． ０ １ ９ 犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犪 狀 犱犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋 狅 犳 狋 犺 犲犎 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮犇 狉 犻 犾 犾犘 犻 狆 犲犎 犪 狀 犱 犾 犻 狀 犵犛 狔 狊 狋 犲 犿 ＷＡＮＧＪ ｉ ａ ｎ ｗ ｅ ｉ，Ｓ ＵＮＬ ｉ ｌ ｉ，ＷＡＮＧ Ｗ ｅ ｉ ｈ ｕ ａ，Ｌ Ｉ ＵＳ ｈ ｉ ｙ ａ ｎ， Ｚ ＨＡＮＧＮ ｉ ｎ ｇ，ＷＵＧ ｕ ｏ ｈ ｕ ｉ，Ｌ ＩＳ ｈ ｅ ｎ ｋ ｕ ｉ （犚 狅 狀 犵 狊 犺 犲 狀 犵犕 犪 犮 犺 犻 狀 犲 狉 狔犕 犪 狀 狌 犳 犪 犮 狋 狌 狉 犲犔 狋 犱． 狅 犳犎 狌 犪 犫 犲 犻犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱，犚 犲 狀 狇 犻 狌０ ６ ２ ２ ５ ２，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋Ｄ ｕ ｅ ｔ ｏｎ ｏ ｔｕ ｓ ｅｔ ｈ ｅｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｏ ｒａ ｎ ｄｆ ｉ ｘ ｅ ｄｃ ａ ｔ ｗ ａ ｌ ｋｏ ｎｔ ｈ ｅｓ ｌ ａ ｎ ｔｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇｒ ｉ ｇ，ｔ ｈ ｅｎ ｅ ｗｅ ｑ ｕ ｉ 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系统等。国外先进钻机一般采用全液压控制装置， 自动化程度高， 大幅降低了工人的劳动强度［ １］。目 前， 国外生产商有雪姆、 阿特拉斯、 宝峨、 Ｆ Ｏ ＲＭＯ Ｓ Ｔ 等， 国内生产厂家有石油四机厂、 南阳二机集团、 黄 海机械、 渤海中成装备等。华北石油荣盛机械制造 有限公司在２ ０ １ １年也推出了一款ＭＺ Ｊ  １ ５ Ｘ Ｙ型斜 直井煤层气液压钻机。 国外钻机大多配有井场钻具自动上、 下钻台的 装置， 又名动力猫道［ ２］。在起下钻过程中， 需要将钻 杆从井口移送到排放架或从排放架移送到井口， 即 钻杆排放操作。其特点是一个重复性高而劳动强度 大的 过 程； 花费 大 量 时 间； 需 要 多人 合 作 共 同完 成［ ３］； 具有危险性。由于新型斜直井钻机不使用吊 卡、 固定猫道等工具， 因此必须采用新的工具来完成 接单根工作。通过研究斜直井钻机， 结合钻机的液 压顶驱、 液压大钳、 提升系统的特点， 开发出液压钻 具输送装置。其功能类似于动力猫道， 包括变幅机 构、 伸缩机构、 翻转机构、 小钳子等， 可通过液压控  收稿日期２ ０ １ ５  １ ０  ２ ０ 作者简介 王建伟（１ ９ ８ ２ ） ， 男， 河北任丘人， 工程师， 主要从事斜直井钻机设计及水下井控设备研发工作，Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌｗ ｊ ｗ ６ ４ ７ ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 制， 操作人员少， 劳动强度低， 提高了安全性和生产 效率。 １ 结构设计 １． １ 总体结构 设备整体由变幅机构、 伸缩机构、 夹紧机构、 坡 道翻转机构和机械手等组成； 在变幅机构的底座上 安装有主梁， 用铰链连接， 撑杆的一端与底座铰链连 接， 另一端与滑块铰链连接， 液压缸一端固定在底座 上， 一端与撑杆中部铰链连接； 主梁内套有大伸缩 臂， 大伸缩臂内套有小伸缩臂； 主梁上表面有导轨， 前坡道支座与翻转机构与后坡道支座连接在主梁的 导轨上； 底座的两侧各有１对机械手。总体结构如 图１。 １小钳子；２小伸缩臂；３大伸缩臂；４主梁； ５机械手；６撑杆；７滑块； ８前坡道支座与翻转机构；９后坡道支座；１ ０底座。 图１ 液压钻具输送装置总体结构 １． ２ 变幅机构 变幅结构采用了曲柄导杆机构［ ４］的原理， 由３ 个转动副和１个移动副构成， 通过摆动杆机构的摆 动角实现变幅， 最大变幅角度小于１ ８ ， 通过液压缸 推动撑杆， 撑杆转动带动滑块滑动， 滑块与撑杆间为 铰链连接， 可相对转动。整个变幅动作完成时间不 大于８ｓ， 变幅机构如图２所示。 ａ 曲柄导杆机构 ｂ 钻具输送装置机构 图２ 变幅机构示意图 １． ３ 伸缩臂机构 伸缩臂为２层方管结构（ 如图３） ， 通过２个液 缸实现单独伸缩， 为了防止小伸缩臂的管线在大伸 缩臂内部移动造成摩擦， 将小伸缩臂液缸倒置安装， 将管线从小伸缩臂前端引出并通过拖链引导。而大 伸缩臂液缸通过后侧的引出， 再从主梁的开口处引 出并通过拖链引导。通过优化设计管线， 避免了工 作中对管线的磨损和挤压， 提高了安全性。 １主梁；２大伸臂液缸；３大伸缩臂； ４小伸臂液缸；５小伸缩臂。 图３ 伸缩臂机构 １． ４ 翻转机构 翻转机构采用了双液缸联动设计， 如图４所示。 翻转机构工作时， 如果左侧的液缸伸出时， 右侧的液 缸缩回， 形成１个液缸是推力、 １个液缸拉力的作用 状态， 行程上有一定余量。这样使得翻转机构的左 右翻转作用力相等， 且能增大载荷能力。同样由于 液缸随动， 管线也安装在外侧有拖链引导， 固定于主 梁上， 当坡道整体滑动时， 不会与其他部位碰撞。 图４ 翻转机构动作示意 １． ５ 小钳子 小钳子用于夹紧钻杆接头， 作用是一方面防止 ５７ 第４ ５卷 第４期 王建伟， 等 液压钻具输送装置研制  上升过程中掉落， 另一方面承受旋扣时的反转矩， 最 大夹紧力时可承受１ ２ｋ Ｎｍ的反转矩。小钳子由 钳体、 钳爪和液缸组成， 钳体上有可拆卸的牙块， 钳 爪前端有圆周方向布置的可拆卸的牙块， ２种牙块 可互换。当液缸推动钳爪时， 钳爪绕钳体上的转 轴分别转动， 向放置在钳体Ｖ形槽上的钻杆接头 下压， 使得钳体和钳爪上的牙块嵌入接头表面（ 如  １ ２ ７ｍｍ钻杆接头 １ ６ ８ｍｍ外圆 ［５］） 。由于牙块 采用表面淬火处理， 硬度可达５ ５ＨＲ Ｃ以上， 因此 牙板有较好的强度和耐磨性。牙块牢牢地抓住钻 杆接头， 实现承受反转矩的作用， 完成旋扣动作。 钳头采用曲线拟合设计， 可兼容大部分钻具接头 或者套管尺寸， 钳爪的压紧力方向总是通过接头 的中心线， 实现３点定位， 在满足转矩的前提下一 直夹紧接头， 小钳子夹紧不同的钻杆直径， 如图５ 所示。 图５ 小钳子夹紧不同直径钻具 １． ６ 机械手同步回路 在装置两侧安装有机械手， 负责将钻具送上和 送下坡道， 每１对机械手没有使用机械固连， 而是安 装液压同步回路。使用分流集流阀既可以使两液压 缸的进油流量相等， 又可使两液压缸的回油流量相 等， 从而实现两液压缸的往返同步［ ６］。液压回路如 图６所示， 机械手结构如图７所示。 图６ 分流集流阀同步回路 图７ 机械手机构 ２ 工作原理 ２． １ 下钻接单根 下钻时， 钻具输送装置放置在钻机的正前方， 钻 杆放置在钻具输送装置的左侧或者右侧。首先钻具 输送装置的小伸缩臂向前伸出， 为后续钻杆滚入做 好准备， 钻杆从通用排管架上滚向钻具输送装置， 到 达机械手钩杆； 液压缸推动钩杆， 在同步回路的控制 下， 钩杆同步运动， 使钻杆从排管架上被钩起； 随着 液缸到达最大行程， 钩杆上升直到上表面与水平面 形成一定的角度， 使钻杆能够自由滚向坡道。坡道 翻转机构的Ｖ形坡道可通过内部的液缸实现左右 翻转， 在钩杆到达高度前， 坡道转向有钻杆的左位 （ 或右位） ， 钻杆在重力作用下滚向坡道Ｖ板， 钻杆 到位后， 坡道Ｖ板转向中位。小伸缩臂缩回， 小钳 子夹紧钻杆的接头， 变幅液缸推动撑杆， 撑杆一端连 接有滑块， 滑块在主梁下侧滑动。随着液压缸的伸 长， 主梁快速升起到一定高度后， 顶驱的变幅液压缸 推动顶驱翘起主轴， 与钻具输送装置上的钻杆调整 到同轴位置。此时， 大伸缩臂伸出带动坡道上的钻 杆一起在主梁上移动， 顶驱上安装有浮动短节， 用于 弥补螺纹传动的位移差。钻杆接头对接后， 顶驱旋 转主轴正转， 将螺纹旋紧， 小钳子松开， 通过钻机的 提升系统将钻杆沿坡道Ｖ板将钻杆拉起， 完成下钻 接单根工作。 ２． ２ 起钻甩单根 起钻过程与下钻过程相反， 钻机提升系统将钻 ６７ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ６年４月  杆提起离开卡瓦平面后， 由液压大钳卸扣， 顶驱旋开 螺纹后， 由扶正器推动钻杆翘起一定角度。此时， 钻 具输送装置主梁已经上升到钻台高度， 小钳子打开， 钻机提升系统下降， 钻杆下降， 由于顶驱的变幅功 能， 钻杆不断变化角度， 并下降高度， 直至被完全放 置在坡道Ｖ板中。小钳子夹紧钻杆接头， 顶驱反转 卸开螺纹， 钻杆脱离顶驱， 钻具输送装置按原来的路 线返回， 主梁下降至最低位置， 机械手翘起钩杆， 小 钳子松开， 小伸缩臂伸出， 坡道翻转至左侧（ 或右 侧） ， 由于坡道翻转的角度大于３ ０ ，Ｖ板的一侧会 与水平面形成负角度， 钻杆由于重力作用滚向机械 手钩杆， 钩杆的一侧有一个小的凸起， 可防止钻杆滚 回坡道。当机械手液缸缩回时， 钩杆带动钻杆平稳 放置在排管架上， 坡道Ｖ板回中位， 等待下一次循 环完成起钻甩单根的工作。 ３ 主要技术参数（ 如表１ ） 表１ 主要技术参数 参数数值参数数值 变幅角度 ０ ～１ ８ 钳子最大 紧扣转矩 １ ２ｋ Ｎｍ 单次循环时间 １ｍ ｉ ｎ 翻转机构最 大载荷能力 ＜２ ０ｋ Ｎ 一级伸长距离 ２． ５ｍ 翻转机构最 大角度范围 ０～７ ０ （３ ５ ） 二级伸长距离 １． ０ｍ 整机质量 ５． ５ｔ 液控最高压力 钳子最大夹紧力 ２ １ＭＰ ａ １ ０ ５ｋ Ｎ 整机外形尺寸 ９． ８ｍ１． ７ｍ １． ５ｍ ４ 创新技术 １） 大小伸缩臂双层设计， 可利用小伸缩臂的 单独伸缩带动小钳子避让一定距离， 以方便钻杆滚 入坡道， 还可以利用１ｍ长的伸缩距离来调整钻具 在坡道上的位置， 方便夹住接头本体； 大小伸缩臂嵌 套２层， 并分别控制， 使得小伸缩臂与大伸缩臂互相 不受影响， 又增大了伸长的距离； 优化的管线设计使 得管线的磨损降到最低。 ２） 小钳子自定心设计， 通过拟合钳爪的移动 轨迹， 计算出钳爪夹紧力法线的移动轨迹， 使得在钻 具中心变化时， 一直能够使夹紧力法线方向通过管 子中心线， 实现３点定位夹紧。这种设计提高了小 钳子的通用性， 省去了更换钳爪的步骤， 为用户提供 了便利， 也提高了效率。 ３） 同步阀的应用使得两侧的机械手可用１条 油路控制， 不需要机械固连便可实现同步移动， 举升 钻杆更加平稳。 ４） 坡道翻转机构液缸联动设计， 用２个对称 布置的液缸串联油路， １个为推力，１个为拉力， 实现 翻转机构的翻转功能， 增大了翻转机构的载荷能力， 同时又没有增加原来机构的体积， 结构紧凑。 ５ 厂内试验及现场应用 １） 小钳子夹紧力试验。最大紧扣转矩为１ ２ ｋ Ｎｍ， 夹紧液缸实际油压小于１ ５ＭＰ ａ。 ２） 翻转机构试验。利用长９ｍ、 直径１ ８ ０ｍｍ 的芯棒测试翻转载荷， 最大压力１ ７ＭＰ ａ。 ３） ２ ０ １ ２  １ ２， 中石油渤海钻探公司在荣盛试验 １ Ｘ井中采用该钻具输送装置工程机原型进行了４ ５ 斜直井钻井作业， 达到了使用要求。 ４） ２ ０ １ ４  １ ０， 方圆科技发展有限公司在中石油 华固３ ４  １、 ３ ４  ２井钻井作业中使用该装置工程机改 进型， 作业顺利完成， 满足现场使用要求。 ６ 结论 １） 使用液压钻具输送装置改变了传统的用钢 丝绳拉拽、 坡道导引的模式， 操作更加简便， 仅需１ 名操作人员和１名场地工， 并且大幅减轻了劳动强 度， 而且可在３ｍ ｉ ｎ内完成接单根工序， 整体安装简 单， 大幅缩短了钻进辅助时间， 提高了钻进的效率， 降低了钻井附加费用［ ７］。 ２） 采用液压控制， 使操作人员和场地人员远 离危险源， 人员安全得到保障。 ３） 地面井场设备的自动化程度要求越来越 高， 车载拖挂、 自动化控制、 远程遥控、 全电驱动、 钻 机与钻具输送装置一体化等技术将是今后的研究 方向。 参考文献 ［１］ 王军， 解庆， 刘金荣．煤层气勘探开发设备配套方案建 议［Ｊ］．石油矿场机械， ２ ０ １ ０，３ ９（３） ７ ９  ８ ２． ［２］ 赵淑兰， 李文彪， 聂永普， 等．动力猫道技术国内外现状 和发展趋势［Ｊ］．石油矿场机械， ２ ０ １ ０，３ ９（２） １ ３  １ ５． ［３］ 刘文庆， 崔学政， 张富强．钻杆自动排放系统的发展及 典型结构［Ｊ］．石油矿场机械， ２ ０ ０ ７，３ ６（７） ７ ４  ７ ７． ［４］ 成大先．机械设计手册（ 第１卷） ［Ｍ］．北京 化学工业 出版社， ２ ０ ０ ７． ［５］ Ｓ Ｙ／Ｔ ５ ２ ９ ０２ ０ ０ ０， 石油钻杆接头［Ｓ］． ［６］ 王益群， 高殿荣．液压工程师技术手册［Ｍ］．北京 化学 工业出版社， ２ ０ ０ ９． ［７］ 寇红涛， 崔建春， 刘海伟， 等．液压动力钻杆排放猫道设 计与应用［Ｊ］．石油机械， ２ ０ ０ ８，３ ６（９） ２ ９  ３ ５． ７７ 第４ ５卷 第４期 王建伟， 等 液压钻具输送装置研制 