0 引 言

甩钻作业是钻井队完钻后的一项重要工作，我国现有钻机在钻井过程中，上、下钻具仍以工人手工操作配合钻台与猫道上的气动绞车拉、拽的方式^[1]，这种操作方式要求2台绞车必须同步，操作人员手动操作器械，工作效率低，容易出现安全事故。 鉴于此，南阳二机石油装备(集团)有限公司研制了自动甩钻猫道。该猫道外形尺寸与传统猫道基本相同，能够替换原有猫道。自动甩钻猫道采用电气自动化控制和无线遥控等技术^[2]，生产效率高，劳动强度低，操作简便，能够最大限度地保证操作人员的安全。

自动甩钻猫道结构见图1。猫道工作时，滑车前行至坡道底部时停止，限位装置顶住滑车，防止滑车因受钻杆冲击向后滑行。当钻杆沿着坡道滑入翻转装置后，翻转气缸钻杆被翻到滑车前台上，滑车卡爪动作，将钻杆夹紧，限位装置收回，滑车在电机及传动系统作用下拉着钻杆向后滑行，当光电传感器(中)接收到信号时，滑车停止。此时松开滑车卡爪，滑车继续向后滑行，钻杆落在猫道上，当光电传感器(后)接收到信号时，滑车再次停止，同时翻转气缸上升，推动钻杆向管排架方向滚动，随后翻转气缸下降，进入下一个工作循环。

图 1 自动甩钻猫道结构示意图 Fig.1 Structural schematic of automatic pipe laydown catwalk 1—调节装置；2—气动绞车；3—滑车；4—光电传感器(后)；5—光电传感器(中)；6—倾翻装置；7—钢丝绳索具；8—气控系统；9—限位装置；10—光电传感器(前)；11—翻转装置；12—坡道；13—动力系统；14—卷管器；15—猫道本体。

图选项

猫道本体作为甩钻猫道的基础，其主体为型材、板材焊接而成的桁架结构^{[3, 4, 5]}，主要用来安装及放置各部件。猫道本体设计沿用传统猫道结构形式，由前、后2段组成，并通过销轴连接，连接处设有定位座，保证猫道前、后段连接平稳、可靠。本体上方安装有5 t气动绞车安装座、尾绳桩、甩钻滑车和坡道等，侧面安装有传动装置(钢丝绳索具、调紧滑轮)和梯子等，内部安装有限位装置、翻转装置、倾翻装置、动力装置、储气罐和电气控制箱等。所有控制及执行部件集成安装于猫道本体上，结构紧凑，运输方便。

翻转装置结构见图2，可将坡道处钻杆翻转到甩钻滑车上。翻转架平板面上焊接有6根25 mm圆钢，每2根圆钢呈“八”字形30°分布，保证钻杆从钻台滑下时，钻杆接头能均匀落入翻转架内。翻转过程中气缸和翻转架等不能与猫道本体相干涉，保证翻转架转动灵活，无卡阻。 当收到气缸翻转信号时，气缸活塞杆伸出，翻转架旋转，实现钻杆向滑车上翻转。翻转完成后，给出气缸复位信号，活塞杆缩回，翻转架旋转，回到原位。

图 2 翻转装置结构示意图 Fig.2 Structural schematic of turnover device 1-支撑座； 2-翻转架； 3-翻转气缸； 4-气缸支座。

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甩钻滑车结构如图3所示，它是甩钻猫道的关键执行部件，其主要作用是将钻杆从坡道处拉至猫道本体。甩钻作业时，甩钻滑车在动力装置及传动装置的驱动下运行至坡道底部，卡爪紧扣钻杆接头与本体连接处，拉着钻杆滑离坡道，直至整根钻杆全部水平处于猫道上方，滑车停止，气缸收回，卡爪松开，滑车继续滑离，钻杆脱离滑车，落在猫道上。

图 3 甩钻滑车结构示意图 Fig.3 Structural schematic of pipe laydown pulley 1-气缸； 2-卡爪； 3-限位及导向滚轮； 4-滚动滚轮； 5-滑车本体。

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倾翻装置将钻杆从猫道本体翻至管排架上，实现钻杆的整齐排列。该装置主要由气缸(2个)、倾翻支架和连接销轴等组成，结构如图4所示。 其工作原理是：利用气缸的推力顶起倾翻支架，实现钻杆从猫道上平面向一侧倾翻。该装置可实现钻杆向2个方向倾翻。限位装置采用配焊的方式焊于猫道本体上，目的在于防止气缸呈平行四边行摆动，影响倾翻效果。

图 4 倾翻装置结构示意图 Fig.4 Structural schematic of tipping device 1-倾翻支架； 2-倾翻气缸； 3-限位装置。

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甩钻滑车采用多组滚轮组合，旨在实现滑车滑动及限位。滚轮与滑车间采用轴承和销轴螺母连接方式，销轴本体设计有润滑油道，端部设计有润滑油口，可保证滚轮转动灵活。

动力及传动装置主要由减速器、链轮、链条、索具、滑轮和调节装置等组成，结构如图5所示。动力经链条传递到链轮，通过索具与滑轮间的摩擦力实现滑车在猫道本体上滑动。采用交流变频电机与VFD开环控制系统，可精确控制滑车的运行速度及位置，安全可靠。

图 5 动力及传动装置结构示意图 Fig.5 Structural schematic of power and gear device 1-滑轮； 2-钢丝绳索具； 3-链轮； 4-链条； 5-减速器。

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电气控制系统主要由接触器、开关电源、工业无线遥控器、PLC控制系统、控制旋钮、指示灯、动力电缆和控制电缆等部分组成。通过接触器驱动4 kW交流变频电机带动小车，通过电磁阀控制气路的通断，为系统各气缸提供动力。

操作模式可分为无线遥控器控制和有线控制器控制2种。

配套底座高度：7.50 m；

猫道高度：1.07 m；

适用管径：88.9、127.0和139.7 mm；

气路系统压力：0.6～1.0 MPa；

小车功率：4 kW；

猫道尺寸(长×宽)：19.70 m×1.80 m；

一次甩钻杆数量：3根；

小车单趟行程时间：20 s；

供电电源：380 V/3相/50 Hz；

设计总功率：11 kW。

(1)自动甩钻猫道采用高端西门子PLC及VFD控制系统，工作原理先进，实现了自动化控制，生产效率高，劳动强度低，操作安全简便。

(2)该装置配有进口遥控器及操作手柄，可实现自动和手动2种操作模式。

(3)自动控制时各动作之间互锁，如果上一步操作没有到位，则下一步无法执行，可有效防止错误操作，减少意外事故的发生。

(4)控制回路采用安全工作电压，主回路设有漏电保护开关，能够极大限度地保证操作人员的用电安全。

(5)气源采用钻机气路系统气源，气路管线采用钻机常用的气路管路，猫道(前、后段)断开处及气源总接口采用自封式快插接头，可防止灰尘进入气路系统，连接方便，管路老化后更换方便。

(6)电路信号线在猫道(前、后段)断开处及配电箱进口等均采用航空电路插头，拆装方便。

(7)气路系统安装有气控三联件，保证了气源的清洁，延长了气缸寿命。

(8)配电箱内有一个应急开关，当有光电传感器损坏而影响整机使用时，合上开关，所有光电传感器都被屏蔽，此时可按顺序手动单步操作。

(9)备有小钻杆卡爪，甩小钻杆时只需将小钻杆卡爪装到原卡爪内侧即可。

(10)当该装置出现故障时，可利用猫道端部绳桩沿用传统方法继续甩钻杆。

首先进行整机安装试验。按照平面布置图进行了猫道摆放、猫道前后段连接、坡道与猫道连接和管排架摆放，小滑车、动力系统、牵引系统、翻转系统、限位装置、倾翻系统、气控系统、电气系统和各防护罩安装等。 各部件安装完成后，进行空运转试验。将小滑车前、后空滑行100次，小滑车启停可靠，运转平稳，卷管器卷管正常；对小滑车的卡爪气缸进行100次伸缩试验，气缸伸缩平稳，工作可靠；采用手动和自动2种操作模式对猫道进行功能试验。采用3根钻杆1组的试验模式，试验过程中，限位装置、翻转装置、滑车卡爪、滑车滑行和倾翻装置等工作平稳可靠，反复试验20次，试验效果良好，可满足3根钻杆甩钻要求。

自动甩钻猫道技术先进、结构合理、性价比高，能满足国内市场的要求。中石化某局于2014年在南阳二机石油装备(集团)有限公司采购了1台自动甩钻猫道，配套在ZJ40LDB橇装模块钻机项目中，现已进入现场使用，未出现任何问题。

与传统猫道相比，该自动甩钻猫道自动化程度高，效率高，安全性好，大大减轻了工人的劳动强度，具有广阔的市场应用前景。

(1)自动甩钻猫道技术先进，外形尺寸及结构与传统猫道相同，控制方式分为手动与自动2种，安全可靠，满足国内井场甩钻要求。

(2)自动甩钻猫道可一次性将3根钻杆从钻台面甩向管排架，减少了操作人员的数量，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。

(3)该猫道设有互锁及漏电保护装置，安全性高。猫道上配有气动绞车及绳桩，当装置出现故障时仍可继续甩钻，不影响井队作业。