MZJ6型钻机动力水龙头滑车装置研制

魏柳兴，包文涛，任　行，牛永超，马进生

(1.南阳二机石油装备集团有限公司，河南 南阳 473006；2.中国石油技术开发公司，北京 100028)



MZJ6型钻机动力水龙头滑车装置研制

魏柳兴1，包文涛2，任行1，牛永超2，马进生1

(1.南阳二机石油装备集团有限公司，河南 南阳 473006；2.中国石油技术开发公司，北京 100028)

煤层气车装钻机的动力水龙头的钻杆连接方式存在劳动强度大及生产效率低的问题。设计了一种动力水龙头滑车装置。该滑车装置利用鼠洞位置进行垂直钻杆连接，采用液压反馈控制技术，大幅降低了劳动强度，提高了钻进效率，满足了国内外用户对煤层气钻机使用性能不断提高的要求。

车装钻机；动力水龙头 ；滑车装置

随着科学技术的日新月异，煤层气钻机技术在不断向前发展。从国外使用情况来看，动力水龙头式单根车装钻机以其钻进效率高、整体搬家方便等优点成为现代煤层气钻机的发展趋势。该类型钻机主要将动力水龙头与滑车设计成一体，目前水龙头与钻杆连接方式主要有2种：

1)连接钻杆时水龙头下降到一定高度，并且倾斜一定角度，与地面上吊起的钻杆连接，这种连接方式需要2～3人辅助，倾斜式连接使得对接时间较长，作业效率比较低。

2)连接钻杆时钻杆通过吊装装置在1～2人协助下将钻杆吊至水龙头下方，通过动力水龙头旋转与钻杆对接，这种方式属于钻杆高位连接，安全系数不高，且这种方式对水龙头的卸扣转矩要求高，增加动力水龙头成本。

随着钻机人性化设计程度的提高，国内外用户对车装钻机使用性能同步提高[1-4]，现有的钻杆连接方式已经不能满足现代钻井工艺的要求。因此，针对MZJ6型煤层气单根钻机设计一种动力水龙头滑车装置，该装置能够为动力水龙头提供一种低劳动强度、高钻进效率的钻杆连接方式。

1　设计思路

该滑车装置以动力水龙头在鼠洞处连接钻杆为对象，对其各个动作及结构进行设计，保证满足动力水龙头正常钻井作业前提下，使其具备在钻台鼠洞处连接钻杆功能。该装置连接架与动力水龙头连接为一体，钻井作业时，双向伸缩液压缸处于伸出状态，动力水龙头随滑车主体沿导轨进行钻井作业。待钻完一根单根钻杆后，动力水龙头通过滑车提升到一定位置，双向伸缩液缸缩回，旋转液缸将动力水龙头推至备有待连接钻杆的鼠洞位置，水龙头与鼠洞中钻杆进行连接。完成钻杆连接后，滑车将动力水龙头提升到可旋转高度，旋转液压缸缩回，动力水龙头回到井口位置。双向伸缩液压缸伸出，动力水龙头与滑车主体固定，动力水龙头继续进行钻进工作。液压控制系统采用自动化反馈控制，提高了控制效率和安全性。该滑车装置使动力水龙头与钻杆连接时不需要倾斜一定角度，而且还可以使用液压大钳，大幅提高了钻杆连接效率。

2　结构

2.1总体结构

动力水龙头滑车装置结构如图1，主要零部件包括动力水龙头连接架、滑车主体、导轨、提升销子、旋转销轴、锁紧销轴、双向液压缸、旋转液压缸等。该动力水龙头滑车装置安装到井架前腿内侧的导轨上，钻机作业是沿导轨方向上下运动。

1—动力水龙头连接架；2—滑车主体；3—导轨；4—钻进下拉销轴；5—旋转销轴；6—动力水龙头；7—井架。

1—旋转液压缸；2—提升销轴；3—锁紧销轴；4—双向伸缩液压缸；5—动力水龙头；6—限位装置； 7—井架。

1—导向滑轮；2—内侧导向滑轮；3—动力水龙头。

2.2动力水龙头连接架

动力水龙头连接架为动力水龙头的连接主体，主要由板材焊接而成。该连接架一端与滑车主体铰接，另一端配有双向伸缩液压缸装置，在钻井时实现连接架与滑车主体固定，在连接钻杆时实现连接架与滑车主体分开。连接架转动通过转动液压缸实现，其运动路径设计为以铰接点为转点，动力水龙头中心在井口和鼠洞线路进行往返旋转运动。 连接架上配有可调节定位装置，实现动力水龙头井口和鼠洞位置的定位。

2.3滑车主体

滑车主体包括提升耳板、下压耳板、导向滑轮、内侧导向滑轮等零部件。本体采用板材和型钢焊接而成，并配有动力水龙头连接架铰接座和固定座。滑车主体通过导向滑轮和内侧导向滑轮卡于导轨上，保证动力水龙头在井口位置稳定进行钻进作业。提升耳板设置于滑车主体上端，实现滑车装置提升。下压耳板设置于滑车主体下端，为钻机钻井作业提供钻压。滑车主体配置的导向滑轮和内侧导向滑轮结构为降低摩擦力结构，提高了滑车的使用寿命。

2.4导轨

为了使结构紧凑，滑车主体导轨选择在井架前腿内侧，这样钻杆连接装置的外形尺寸将比较小，质量较轻。导轨为滑车装置提供上下运动路径。本体采用方管结构，在其下端设置有限位装置，增加滑车使用的安全性能。

2.5液压控制及反馈系统

滑车装置液压控制及反馈系统原理如图2所示。通过图2中的三位四通阀来控制旋转液缸及双向锁紧液缸的动作。为了保证滑车使用安全可靠，在液压系统中增加了旋转液压缸及双向液压缸反馈系统。工作时，在双向缸上锁紧销轴缩回到位时便会顶住肘阀，当两个锁紧销轴同时到位时，旋转液缸控制阀主油路开通，控制阀方能有效控制。肘阀有一路气通往司钻箱气压表，司钻可以随时看到锁紧销轴的工作状态。控制旋转液压缸推动水龙头连接架旋转到鼠洞位置时，肘阀便会被顶住，此时司钻箱上的气压表便会显示动力水龙头旋转到鼠洞位置。增加的这套反馈装置使整套系统自动化及安全性能更高，司钻可以通过司钻箱上的气压表随时监测双向液压缸和旋转液压缸的工作状态。

1—两位三通气控阀；2—三位四通换向阀；3—液压表；4—液压泵；5—滤油器；6—溢流阀；7—旋转液压缸；8—肘阀；9—气压表；10—双向锁紧液压缸；11—双向阀。

2.6主要部件强度计算

采用有限元软件建立模型，施加最大载荷90 kN，校核连接座及滑车主体的强度。图3为连接座体有限元计算的应力云图，最大应力为106 MPa，小于材料的许用应力345.0 MPa[5]，计算得其安全系数为3.25，符合API要求的钻机提升系统的安全系数大于3的规定。

图3　动力水龙头连接架有限元计算应力云图

图4为滑车主体有限元计算的应力云图，最大应力为64 MPa，滑车主体采用的主要材料为Q345B，计算得其安全系数为4.6，符合API要求的钻机提升系统的安全系数大于3的规定。由于钻井时存在较为复杂的工况条件，所以设计的安全余量较大。

图4　滑车主体有限元计算应力云图

3　工作原理

为了保证安全性，动力水龙头滑车装入导轨后，使用前必须将图1中导轨下端限位装置装上。煤层气钻机上配备有提升装置，控制提升装置使动力水龙头滑车能到达工作行程内的任何一个高度。滑车上配备的旋转液压缸控制动力水龙头连接架的旋转，配备的伸缩液压缸控制锁紧销轴的伸出和缩回，在动力水龙头连接架上设计有可调节性定位装置，调节定位装置保证动力水龙头连接架回转到位后锁紧销轴与滑车主体上连接座孔的同轴性。

煤层气钻机工作时，动力水龙头滑车工作步骤如下：

1)在提升装置的控制下，动力水龙头滑车下降到合适高度，控制双向液压缸缩回锁紧销轴。

2)控制旋转液压缸将动力水龙头连接架由井口中心旋转到鼠洞位置，动力水龙头与鼠洞备好的钻杆连接，液压大钳上紧。

3)控制提升装置使动力水龙头滑车上升到合适高度，旋转液压缸缩回，使动力水龙头及钻杆由鼠洞位置回到井口中心，控制双向液压缸伸出锁紧销轴。

4)动力水龙头滑车下降，水龙头上的钻杆与已钻进的钻杆连接后，在钻进下拉装置的助动下继续钻机工作，钻入连接好的钻杆后，动力水龙头滑车继续循环上述动作，进行钻杆的连接和钻进。

4　技术参数

最大提升载荷

90 kN

动力水龙头最大转矩

5 kN·m

滑车工作行程

10 m

动力水龙头架旋转角度

0～ 90°

液压缸工作压力

14 MPa

外形尺寸(长×宽×高)

1 134 mm×680 mm×1 178 mm

5　创新技术

1)实现动力水龙头在鼠洞与钻杆的低位垂直连接，方便液压大钳的应用，使钻杆连接效率大幅提高。

2)旋转液压缸、双向伸缩液压缸配合，实现动力水龙头连接架从井口中心到鼠洞位置连接钻杆，再从鼠洞位置回到井口中心进行钻进作业所需要的锁紧和旋转的一系列动作，显示出了人性化设计。

3)滑车主体采用了双向滚轮导向功能，即沿导轨前后侧滚轮导向，及沿导轨内侧滚轮导向，保证了动力水龙头运行平稳，提高滑车的使用寿命。

4)增加了锁紧销轴和旋转液缸的反馈装置，实现了司钻对锁紧液缸及旋转液缸工作状态的自动化监测，使滑车使用时更安全、准确。

5)连接座体具有调节定位装置，保证了水龙头连接架旋转到位后锁紧销轴顺利穿上。

6　试验及应用

在MZJ6型煤层气钻机现场试验中，按照试验规程通过动力水龙头对单根钻杆连接装置做90 kN的载荷试验，试验顺利通过，达到预期使用要求。

该装置于近几年配备到国内及出口的600～1 500 m的煤层气钻机上，得到用户认可，认为该动力水龙头滑车装置使用效果良好，双向液压缸和旋转液压缸反应灵活，动力水龙头旋转到鼠洞位置准确。在连接钻杆和钻井作业中，滑车上设计鼠洞钻杆连接方案及采用自动化反馈控制系统，节省了钻杆的连接时间，降低了劳动强度，提高了钻进效率及工作安全性。

7　结语

MZJ6型煤层气钻机动力水龙头滑车装置采用鼠洞位置垂直钻杆连接方式及液压反馈控制方法，达到了降低劳动强度及提高钻进效率的目的。该装置以其低位垂直钻杆连接技术、双向导向滑轮减摩擦结构、使用寿命高等特点，受到国内外用户的青睐。随着国内外煤层气开采力度加大，煤层气钻机需求量将日益增多，该动力水龙头滑车将有很好的市场前景。本项目已获得实用新型专利及发明专利，实用新型专利号为：201020516438.2；发明专利号为：201010271767.X。

[1]陈如恒.破除旧观念 创造新钻机(四)[J].石油矿场机械，2008，37(6)：1-5.

[2]陈如恒.破除旧观念 创造新钻机(五)[J].石油矿场机械，2008，37(7)：1-10.

[3]刘钦祥，张勇，刘永勤，等.ZXJ30XZK型钻机的开发研制[J].石油矿场机械，2007，36(7)：75-77.

[4]李文艺，杨延娟，王志忠，等.车装钻机套管台的研制与应用[J].石油矿场机械，2009，38(6)：83-84.

[5]方昆凡，黄英.机械工程材料实用手册[M].沈阳：东北大学出版社，1995.

Development of MZJ6 Drilling Rig Power Swivel Pulley

WEI Liuxing1，BAO Wentao2，REN Hang1，NIU Yongchao2，MA Jingsheng1

(1.RG Petro-machinery(Group)Co.，Ltd.，Nanyang 473006，China；2.China Petroleum Technology & Development Corporation，Beijing 100028，China)

Aiming at the problem that the drill pipe connecting of coal movable drilling rig’s power swivel arose more working force and low efficiency.A pulley of power swivel was designed to settle the problem.By connecting drill pipe in mousehole and hydraulic feedback controlling，the pulley of power swivel improve drilling efficiency and reduce working force.It meets for the requirements of well drilling rig to the domestic and the overseas users.

movable rig；power swivel；pulley

1001-3482(2016)05-0079-04

2015-11-25

河南省重大科技专项“智能化斜直井关键技术研发及产业化”(141100210700)

魏柳兴(1983-)，男，工程师，广东汕头人，2006年毕业于西安石油大学机械设计制造及其自动化专业，现主要从事石油钻井设备的技术研制，Email：laoweiliuxing@163.com。

TE923

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.018