IRN-120型铁钻工的研制

2018-10-20郝山波

新型工业化 2018年8期

郝山波

（上海中曼石油装备有限公司，上海 201306）

0 引言

在修井和钻井操作中，起、下钻操作是高频率工作，在起下钻操作中操作者的劳动强度大，安全性差，效率低。为了满足海洋与陆地石油现代化钻井技术的发展需要，改变钻井起下钻作业中传统动力大钳上、卸扣作业的方式,适应快速发展的钻井需要，欧美国家先后研制出集旋、紧、卸螺纹钳和扭矩钳于一体的动力钳—铁钻工；铁钻工能够代替操作工人完成钻具的拆、卸，进而降低事故的发生概率和提高钻井的效率。目前，我国对铁钻工的研究还处于初级阶段，只有少数企业研制出了集旋、紧、卸、上扣于一体的铁钻工，但是铁钻工的实际工程应用不多。随着石油钻井技术的不断进步，尤其是智能化、自动化技术的发展，国内钻机市场对铁钻工的需求量逐渐增加，但是国外生产的铁钻工供货周期长，价格贵，这就限制了铁钻工在国内的应用和推广[1-2]，进而也限制了中曼集团海外钻井工程服务的发展。为了摆脱目前的这种困局，中曼集团集中优势资源，经过多年的研发终于成功研制了适用于88. 9～254.0 mm钻具的IRN-120型铁钻工。

1 IRN-120型铁钻工结构分析

IRN-120型铁钻工由工作钳、伸缩臂架、回转底座以及控制系统等组成；工作钳包括旋扣钳和冲扣钳，伸缩臂架包括伸缩臂和连接体，回转底座包括导轨和底座连接板，控制系统包括液压系统和电气控制系统[3]，结构如图1所示。

图1 IRN-120型铁钻工总布置图Fig.1 GA of IRN-120 type iron roughneck

冲扣钳是由液压缸驱动的冲扣工具，可以按照作业的要求冲紧扣或冲开扣，冲扣钳的上、卸扣扭矩大小由冲扣钳扭矩液压缸的工作压力控制，可根据不同的钻具，设置不同的上、卸扣扭矩。旋扣钳工作时，在液压马达的驱动下，摩擦轮旋转带动钻具快速旋上或松开钻具接头，旋扣钳采用开式结构，钳口的大小由双作用液压缸的伸缩量控制；为了增大在竖直方向上钻具的夹持范围，旋扣钳在液压缸的作用下可以上、下移动。伸缩臂可以根据钻具接头的位置进行前后，高、低自动校正操作。IRN-120型铁钻工可以一次性完成钻具的上扣、卸扣工作，能在井口和小鼠洞两者之间自由切换；既能实现对井口钻具的自动对中，完成上扣、卸工序，又可以实现在小鼠洞以最大10°前、后及左、右倾斜，完成钻具的上扣、卸扣功能。

1.1 冲扣钳

IRN-120型铁钻工冲扣钳采用三点夹持结构，主要由背钳、夹紧钳、钳体架、轨道、连接臂、夹紧液压缸、扭转液压缸、钳牙座以及其他部件组成，冲扣钳外形结构如图2所示。

背钳和夹紧钳结构基本相同；背钳、夹紧钳中间设有圆弧形轨道，工作时背钳夹紧下部钻具不动，夹紧钳夹紧上部钻具的同时可以绕背钳转动，实现钻具的冲紧或冲开。夹紧液压缸分别固定在夹紧钳、背钳壳体内，钳牙安装在活塞杆前端的钳头上，钳牙的结构形式和材料直接决定了钳牙的寿命，是铁钻工研发过程中的要点和难点；钳牙在夹紧液压缸的推动下，实现加紧钻具的动作；左、右扭转液压缸分别位于钳体架的两侧，冲扣钳通过两侧扭转液压缸的伸缩来实现夹紧钳和背钳的相对转动。冲扣钳的扭转力矩的大小可以通过调节扭转液压缸的工作压力来实现；连接臂连接冲扣钳到伸缩臂上，连接臂可以绕连接轴旋转一定的角度，可以补偿小鼠洞内钻杆可能的倾斜角度[4]。

1.2 旋扣钳

图2 冲扣钳结构图Fig.2 The structure of torque wrench

旋扣钳采用开放式结构钳体，由摩擦轮、液压马达、夹紧架（左、右对称）、夹紧液压缸、导轨架、升降液压缸、升降架等部件组成，旋扣钳外形结构如图3所示。旋扣钳的导轨架通过螺栓固定在冲扣钳的钳体架上；摩擦轮分别安装在左右夹紧架的前段，液压马达安装在夹紧架上部，通过传动轴与摩擦轮连接，带动摩擦轮转动；夹紧液压缸的两端分别连接左、右两边的夹紧架。钳口的大小由夹紧液压缸的伸缩量控制，夹紧液压缸是双向液压缸，该结构可以实现夹紧的自动对中。夹紧架通过升降架与升降液压缸相连；不同规格的钻具接头尺寸也不相同，升降油缸可以带动旋扣钳在竖直方向上、下移动，选择合适的夹持位置，进而有效保护钻具本体[5-6]。

旋扣钳可以作为钻具旋扣工具单独使用，也可作为IRN-120型铁钻工的1个部件配合冲扣钳共同完成钻具的上扣、卸扣工序。当上扣作业时，旋扣钳首先带动钻具快速顺时针旋转，然后夹紧钳工作，将扣上紧。卸扣时夹紧钳首先逆时针冲扣，然后旋扣钳带动钻具快速逆时针旋转，把钻具接头完全松开。旋扣钳也以作为动力大钳配合套管钳实现套管的旋扣功能。

1.3 伸缩臂

伸缩臂主要由伸缩臂Ⅰ段、伸缩臂液压缸、伸缩臂Ⅱ段、伸缩臂Ⅲ段、伸缩臂Ⅳ段、伸缩臂Ⅴ段等组成，伸缩臂外形结构如图4所示。旋扣钳连接在伸缩臂Ⅴ段上；其主要功能是将IRN-120型铁钻工旋扣钳、冲扣钳移送到井口、小鼠洞并回到原来位置。

图3 旋扣钳结构图Fig.3 The structure of spinner wrench

图4 伸缩臂结构图Fig.4 The structure of telescopic arms

为了满足铁钻工伸缩臂在伸缩的过程中前端钳体保持水平运动的要求，伸缩臂Ⅱ段、伸缩臂Ⅲ段、伸缩臂Ⅳ段、伸缩臂Ⅴ段组成一组平行四边形机构相互约束联动，根据切贝谢夫-克鲁伯规律,该机构的自由度为1,因此只需要一组伸缩臂液压缸，就可以完成伸缩动作。在伸缩臂伸展运动过程中，冲扣钳、旋扣钳沿近视水平方向运动[7-10]。

1.4 连接体、导轨

连接体、导轨主要由回转支承、连接体、导向轮、导轨、升降液压缸、液压马达等组成，外形结构如图5所示。回转支承上部和导轨刚性连接，下部固定在钻台面上；回转支承在液压马达的驱动下，可以在水平面内转动。连接体套装在导轨上，在升降液压的作用下，连接体可以在导轨上往复运动，导向轮安装在连接体上，在导轨的轨道上自由滚动。

图5 连接体、导轨结构图Fig.5 The structure of telescopic arms

2 技术参数

IRN-120型铁钻工技术参数见表1。

表1 IRN-120型铁钻工技术参数Table 1 Technical parameter of IRN-120 type iron roughneck

3 液压系统

液压系统由集成液压站、阀组、机构执行单元（液压缸、液压马达）、过滤器以及液压管件等组成。液压系统由回转控制、整体升降控制、伸缩臂控制、旋扣钳夹紧控制、旋扣钳旋转控制、旋扣钳升降控制、冲扣钳夹紧控制、扭转液压缸控制等部分组成。不同的控制阀组可以分别实现对回转马达、整体升降液压缸、伸缩臂液压缸、旋扣钳夹紧液压缸、旋扣钳旋转马达、旋扣钳升降液压缸、冲扣钳夹紧液压缸、扭转液压缸等的控制。所有的控制阀块都集成在结构体内，具有体积小、结构紧凑的优点。

4 电气控制系统

电气控制系统的设计考虑铁钻工作业高温工况，以保证设备安全性、可靠性为第一要务，采用国际知名的PLC控制单元及无线控制技术，系统具有2种控制模式：本地控制模式和无线遥控模式。操作者持无线操作盒，可在距离设备100米的范围内进行有效遥控操作。往返井口和小鼠洞的工作可以实现自动化、智能化操作；操作者可通过本地操作台，实现对设备机构的“点对点”操作；2种控制模式可自由选择，灵活方便。

5 试验情况

IRN-120型铁钻工于2016年8月生产出样机，在工厂进行各种试验后，发往钻井现场使用。1年多的实际工程应用结果表明，使用IRN-120型铁钻工后，钻井起、下钻作业中缩短了钻台面工人接、卸钻具的工作时间，减轻了劳动强度，提高了作业效率，降低了人工成本。为了进一步满足操作者的需要，研发人员正在结合井场的反馈信息，对IRN-120型铁钻工钳牙的结构形式和热处理工艺做进一步的优化设计以提高钳牙的使用寿命。