2. 山东科瑞石油装备有限公司;
2. Kerui Petroleum Equipment Manufacturing Co., Ltd
0 引言
液压动力猫道可将钻具从钻具架送到钻台面然后再返回，实现了钻具从钻具架上、下钻台的自动化，属于钻修机的主要配套设备，是自动化钻井系统的重要组成部分[1-5]。但是目前大部分液压动力猫道存在如下问题：①与车载钻机和液压钻机等钻台高度较低的中小型石油钻机配套的类型及数量比较少；②适用钻台高度固定，调节范围有限；③在钻具从钻具架移运到猫道主体的过程中需要人力辅助，未实现完全意义上的自动化；④起升方式多为钢丝绳牵引式，钢丝绳柔性起升方式传动精度低，运行过程中易晃动，稳定性差[6]。针对以上问题，笔者设计了一种适用于中低高度钻台、调节范围较大、完全自动化的举升式液压动力猫道系统, 以达到提高设备利用率和节约人工成本的目的[7-8]。
1 技术分析 1.1 主要机构 1.1.1 总体机械结构液压动力猫道系统总体设计方案如图 1所示。该系统主要由动力猫道主体、钻具架翻出机构和钻具架组成。液压动力猫道系统的作用是在钻具架与钻台之间自动运移钻具。其中，钻具架用于存放钻具，钻具架翻出机构用于在钻具架与猫道主体之间运移钻具。为了提高运移能力，钻具架和钻具架翻出机构两侧对称布置，一侧运移尺寸较小的钻杆和钻铤，另一侧运移尺寸较大的套管。猫道主体设计方案如图 2所示。猫道主体主要由举升机构、翻板机构、滑车机构和翻转臂机构组成。翻转臂机构与翻板机构相互配合，将单根钻具由翻转臂运移到输送臂或者返回。举升机构用于将输送臂举升至确定高度，具体高度由钻台高度决定。滑车机构用于将钻具沿着输送臂推送一段距离，便于后续操作。
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| 图 1 液压动力猫道系统总体设计方案 Fig.1 General design scheme of the hydraulic power catwalk system 1-动力猫道主体；2-钻具架翻出机构；3-钻具架。 |
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| 图 2 猫道主体设计方案 Fig.2 Design scheme of the catwalk 1-举升机构；2-翻板机构；3-滑车机构；4-翻转臂机构。 |
1.1.2 钻具架翻出机构
钻具架翻出机构如图 3所示。该机构主要通过液压缸举升实现钻具在钻具架与猫道主体之间的运移。液压缸一端与底板上的固定点铰接，另一端与翻板一端进行铰接，翻板的另一端与支撑架铰接，支撑架固定在底板上，支腿起辅助支撑作用。
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| 图 3 钻具架翻出机构 Fig.3 Evagination mechanism of the drilling tool frame 1-翻板；2-钻具；3-液压缸；4-支腿；5-底板；6-钻具架；7-支撑架。 |
1.1.3 翻转臂机构
翻转臂机构如图 4所示，其作用是将钻具由翻转臂运移到输送臂或者返回。由图可知，升板阻止从钻具架过来的钻具直接进入输送臂，支腿液压缸一端与支腿底板铰接，另一端与挡板铰接。当支腿液压缸举升时，挡板在轨道中滑动，到达挡块位置后停止滑动，带动翻转臂绕固定在猫道基座上的铰接点翻转。这样在支腿液压缸举升前，钻具从钻具架进入猫道主体。在支腿液压缸举升时，避免钻具继续进入猫道主体。可伸缩挡板结构如图 5所示。
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| 图 4 翻转臂机构 Fig.4 Overturnarm mechanism 1-挡板；2-挡块；3-轨道；4-翻转臂；5-升板；6-猫道基座；7-支腿底板；8-支腿液压缸。 |
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| 图 5 可伸缩挡板 Fig.5 Retractable baffle |
1.1.4 翻板机构
翻板机构如图 6所示，其作用是与翻转臂机构相互配合，将单根钻具由翻转臂运移到输送臂或返回。由图可知，液压缸一端与输送臂固定点铰接，另一端与翻板一端铰接，翻板另一端与输送臂固定点铰接。另外，翻板侧边高度较大，在输送钻具时可以防止钻具滚落，取代安全销，起安全保护作用。
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| 图 6 翻板机构 Fig.6 Flap mechanism 1-钻具；2-翻板；3-输送臂；4-液压缸。 |
1.1.5 举升机构
举升机构如图 7所示，其作用是将运送钻具的输送臂举升到一定高度。由图可知，举升液压缸一端与猫道底座固定点铰接，另一端与旋转臂的中间位置铰接。旋转臂一端与猫道底座固定点铰接，另一端与输送臂一端铰接。2组翻板均匀安装在输送臂的中部位置。滑车安装在输送臂尾部，沿着输送臂滑动，将钻具推出一定距离。输送臂尾端安装有滚轮，滚轮沿着固定在猫道底座上的滑道滚动。
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| 图 7 举升机构 Fig.7 Lift mechanism 1-钻具；2-输送臂；3-旋转臂；4-翻板；5-滑车；6-滚轮；7滑道；8-举升液压缸；9-猫道底座。 |
三角形结构的旋转臂如图 8所示。这种旋转臂的运行完全依靠举升液压缸控制，对液压缸的控制要求比较高。另外，在初始位置和终止位置容易发生偏差，运行稳定性差。针对以上问题，对旋转臂的形状进行优化设计，设计结果如图 9所示。将旋转臂的尖角改进为与铰接点同圆心的圆弧，与圆弧连接的2条直线与圆弧相切过渡。初始状态下，长直线与猫道底座上的底板相接触；举升过程中，圆弧与猫道底座上的底板相接触；终止状态下，短直线与猫道底座上的底板相接触。这样可以提高旋转臂的运行稳定性，降低对举升液压缸的控制要求，同时也降低发生失稳事故的可能性。
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| 图 8 三角形结构的旋转臂 Fig.8 The rotating arm with the triangular structure |
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| 图 9 优化设计后的旋转臂 Fig.9 The rotating arm with the optimized structure |
1.1.6 滑车机构
滑车机构如图 10所示，其主要作用是将钻具沿着输送臂推出一定距离。该机构主要由液压马达提供动力，经过联轴器和减速器驱动主动链轮转动。主动链轮通过主链条带动从动链轮转动。从动链轮与辅助链轮同轴转动，带动辅助链条与主链条同时运动，滑车下方的支腿与主链条以及辅助链条固定。通过控制液压马达的正反转以及转速，便可以控制滑车的移动方向和速度。对于中心距大的链传动，用托板控制张紧更为合理[9]，因此通过链条托板对链条进行张紧。输送臂尾部的封盖用来保护滑车机构里的液压和传动系统，避免外界杂质的侵入。
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| 图 10 滑车机构 Fig.10 Pulley mechanism 1-钻具；2-滑车；3-输送臂；4-紧固螺钉；5-封盖；6-主链条；7-滚轮；8-主动链轮；9-减速器；10-联轴器；11-液压马达；12-辅助链条；13-辅助链轮；14-从动链轮；15-链条托板；16-猫道底座；17-滑道。 |
1.2 主要技术参数
钻台高度4.5、5.0、5.5、6、6.5和7.0 m，运移钻具最大长度14.3 m，运移钻具最大外径0.504 m，运移钻具最大质量2 100 kg，运行时间20~30 s。
1.3 技术特点(1)自动化程度高。通过钻具架翻出机构实现全自动化运移钻具，减少了钻井工人数量，减轻了工人劳动强度，提高了作业安全性，减少了井场事故的发生率，同时降低了人力成本。
(2)适用性强。该系统既可适用于不同尺寸的钻杆、套管和钻铤，还适用于不同钻台高度的钻修机设备。因此，可以提高钻井辅助设备的利用率，有效降低设备的采购成本。
(3)模块化设计。方便拆装和运移，便于后期的维护和保养。
(4)稳定性好。对旋转臂结构进行优化，降低对举升液压缸的控制要求，同时也降低发生失稳事故的可能性，使得系统更加稳定可靠。
(5)结构简单。利用翻板机构代替安全销机构，进一步简化运移钻具的机械结构，同时也简化了液压系统。
(6)适用于中低高度钻台。采用刚性机械结构进行举升，旋转臂上有不同的铰接位置，可以适应4.5~7.0 m的中低高度钻台。
2 试验情况与应用前景液压动力猫道系统于2016年3月完成了样机制作，并与KY720钻机配套进行现场试验。试验中对钻具架翻出机构、翻板机构、翻转臂结构、举升机构和滑车机构运移钻具等全部功能进行验证。对举升液压缸进行了100次举升试验，举升液压缸运行平稳，工作可靠，举升高度误差在0.1 m范围内，满足KY720钻机钻台高度举升要求。现场试验结果表明：该系统运行平稳、结构合理，具有较好的创新性和实用性，特别适合钻台高度较低的中小型钻修机作业，并且具有较大的调节范围。
3 结论(1)采用刚性机械结构进行举升，旋转臂上有不同的铰接位置，可以适应4.5~7.0 m的中低高度钻台，提高了钻井辅助设备的利用率，有效降低了设备的采购成本。
(2)钻具架翻出机构的加入实现了全自动化机械操作运移钻具，进一步提高了钻机地面设备的自动化程度，减少了钻井工人数量，减轻了工人劳动强度，提高了作业安全性，减少了井场事故的发生，同时降低了人力成本。
(3)对旋转臂结构进行优化后，降低了对举升液压缸的控制要求，同时也降低了发生失稳事故的可能性，使得系统更加稳定可靠。
(4)举升式液压动力猫道系统为钻井现场提供了一种适用于中低高度钻台、调节范围比较大、完全自动化的钻具操作设备，具有较好的应用前景。
| [1] | 崔学政, 刘平全, 肖文生, 等. 海洋钻井平台自动化猫道机的设计[J]. 石油矿场机械, 2011, 40(2): 20–23. |
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| [3] | DICKINSON Ⅲ B W O, DICKINSON R W, NORDLUND R. Multiple lateral hydraulic drilling apparatus and method:6206112[P].2001-03-27. |
| [4] | QING W, QING Z, YUN X. Evaluation for energy saving effect and simulation research on energy saving of hydraulic system in hybrid construction machinery[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005(12): 31. |
| [5] | HARRIS R D, PEYTON A.New developments in the mechanized running of tubular[C]//SPE/IADC Middle East drilling technology.Symposium, 1999:363-371. |
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| [8] | 尹晓莉, 牛文杰, 张中慧. 钻杆自动传送系统及设计方案[J]. 石油矿场机械, 2009, 38(7): 42–46. |
| [9] | 邱宣怀, 郭可谦. 机械设计[M].4版. 北京: 高等教育出版社, 2012 : 293 -294. |