石油钻机接甩单根系统的优化设计

彭小平

【摘 要】该设计与常规钻机自动化设计最大的区别，在于对钻台面、小鼠洞和大门坡进行了一体化优化设计，是对传统作业方式的一次突破，它可以实现在接、甩钻具单根时不用将钻具上提到钻台面高度以上，能够降低起吊钻具作业安全风险，同时由于单根运移路线短，能够提高工作效率，特别是对于重量大的大尺寸钻铤效果更加明显。

【关键词】猫道;小鼠洞;接甩钻具;优化设计

中图分类号： TE922 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）08-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.014

【Abstract】The biggest difference between this design and the automatic design of conventional drilling rig lies in the integrated and optimized design of drill table， mouse hole and gate slope， which is a breakthrough to the traditional operation method. It can realize that when connecting or throwing a drill tool at a single root， it does not need to raise the drill tool above the height of the drilling table， which can reduce the operational safety risk of the lifting tool. At the same time， due to the short single transport route， it can improve the working efficiency. In particular.

【Key words】Cat Road; Mouse holes; Accepting drilling tools; Optimized design

0 引言

近年來，随着自动化技术水平的提高，为了降低工人的劳动强度，提高作业效率，国内外石油机械行业均对钻机的配套设施开展了广泛研究，包括猫道和小鼠洞等[1-3]。这些研究存在一个共性问题，钻具上、下钻台时需要移动的距离和高度没有改变，部分运动属于无效运动，影响生产时效，且制造成本高、运输不方便、结构复杂、维护使用不方便等，使得推广应用受到限制。钻机的机械自动化能力已成为制约安全、制约钻井提速增效的瓶颈问题。

1 接甩钻具单根作业方式现状

1.1 常规作业方式

我国现有钻机在钻井过程中，接、甩钻具大多数仍以人手工操作配合钻台与猫道上的气动绞车拉、拽的方式进行，具体过程如下：

接钻具单根。首先由工人从钻台上的气动绞车下放钢丝绳挂住钻具顶部，沿着猫道和坡道提升至钻台面，然后由钻工扶住缓慢移至小鼠洞中，用吊卡卡住钻具。如果是接比较重的钻铤，则需要打安全卡瓦，更加费时费力。

甩钻具单根。利用钻台上的气动绞车将钻具提出小鼠洞，再人工将钻具推入坡道内，沿坡道的V型槽滑入至猫道上。

常规作业方式的缺点是需要3-4名熟练工人配合，效率低、工人劳动强度大，单根提升高、安全性差。

1.2 动力猫道作业方式

钻具的运送自动化方面，目前国内外钻机配套制造厂家和公司的研究主要集中在动力猫道，较少涉及钻台、小鼠洞、大门坡等设施的改进。现有动力猫道大致可分为固定式、举升式和抓取式三类。

a）固定式。模拟原有人工运送钻具的方式，通过安装在猫道和坡道上的动力装置进行驱动，带动其上的钻具运动。

这种猫道结构最简单，缺点是只适用于井架小、钻台面积小、底座低的陆地小型钻机。

b）举升式。靠液缸进行举升动作，将钻具向井口方向推动到需要的位置。其缺点是尺寸太大，难以运到现场。

c）抓取式。多用于海洋钻机及一些对安装布置空间有特殊要求的钻机，借助机械臂抓住钻具，再通过相应动作将其移送到需要的位置，可以直接实现钻具在钻台和钻杆排放架之间的运移。

其优点是处理钻具能力强、速度快、自动化程度高;缺点是成本高、结构非常复杂、安装维修不易，而且对液压元件和自动化控制程度的要求也高。

1.3 钻井小鼠洞钻具卡紧作业方式

专门针对小鼠洞所做的研究改进形式也有很多，有液动的，也有气动的，还有自动的。以美国艾迪科公司生产的小鼠洞接单根装置为例，纯靠钻具自重来发生作用的。该装置用螺栓连接在焊于鼠洞管顶端的法兰盘上。单根拉上钻台后，钻工打开支座锁紧器，并将单根下入小鼠洞管内，当单根公接头和护丝通过接头支座后，钻工就松开手动支座锁紧器，继续下放单根，在单根上接头到达接头支座时，单根就被挂住，并在自重作用下被钳头锁紧。然后，用方钻杆将小鼠洞管内的单根对接，上扣完毕上提方钻杆，钳头自动退开，单根向上移动时，下接头和护丝触及接头支座，支座自动缩回，完成接单根操作。

其优点是避免了在小鼠洞上进行搁、取吊卡或安全卡瓦的作业，在一定程度上降低了劳动强度;缺点是改进范围小，针对整个作业流程而言，作用有限。

2 接甩钻具优化设计

2.1 优化思路

上述各种研究，无论是动力猫道还是气动小鼠洞装置，均将注意力集中在单一的设施上开展研究，没有打破固定思维，将大门坡和钻台这两项设施看成了不可改变的环节，因此存在较多难以克服的缺点。

实际上钻具运行路线上最大的阻碍不是猫道，而是大门坡和钻台。因此，采用“去大门坡”设计，抛弃常用的大门坡，并改变沿用了多年的钻台面和小鼠洞管固有形式，使钻具几乎可以以直线形式到达小鼠洞内，大幅缩短了钻具运移路线。同时，对工作量较大钻具在小鼠洞内的作业设计了一套液控装置，最终达到提高作业效率、降低作业安全风险的目的。

2.2 优化结构

快速接甩钻具系统包括钻台、扶正筒、液压推杆、套筒式液压缸、外筒、猫道、盖板，图1和图2分别为该系统的侧视图和俯视图。其中，小鼠洞由扶正筒、液压推杆、套筒式液壓缸和外筒组成。套筒式液压缸与外筒为固定连接，位于小鼠洞底部，上端面设计有托板;扶正筒为半圆筒形，上端与钻台面平齐;液压推杆与扶正筒连接，接甩钻具时，单根位于扶正筒内;钻台正前方开有U型槽，上面设计有两块盖板与钻台连接，平常不用时盖上，防止人员坠落，需要接甩钻具单根作业时可以打开。

2.3 主要特征

优化后的接甩钻具主要具有以下特征：钻台在小鼠洞面对猫道一侧开有U型槽;去掉了大门坡;将小鼠洞设计为半圆筒形，且在底部增加了液控机构;扶正筒和液压推杆设计;对钻具进入小鼠洞后上下限位的防滑脱设计。

a）前两项设计优化旨在打通场地上钻具与小鼠洞之间的障碍，改变以往钻具单根走抛物线进入小鼠洞的形式，将其改为直线进入，大大缩短了作业时间，且减少了钻具从高处滑脱伤人的风险。

b）将小鼠洞设计为半圆筒形，且在底部增加了液控机构降低工人劳动强度。液控机构为套筒式液压缸，其上端面设计有托板和夹紧机构，用来承放和夹紧钻具。由于不同的钻具长度有差别，为了使单根母扣端保持在合适位置，省掉了钻杆打吊卡或钻铤打安全卡瓦的作业环节，尤其省时省力。

c）扶正筒和液压推杆设计。扶正筒设计为半圆筒形，且上端与钻台为销轴连接，在液压推杆的作用下，扶正筒可以绕销轴向猫道方向旋转一定角度，使其下端与猫道前端相接触，方便接甩钻具单根，无论对钻杆还是钻铤都十分方便省力。

d）小鼠洞内的防滑脱设计。钻具进入小鼠洞后，套筒式液压缸活塞板上设有半弧形挡板，可以对钻具单根下端限位。作业完成后可将盖板关闭，防止人员或工具坠落。

3 优化设计之后的工作方式

接钻具单根时，首先控制液压推杆伸出，推动扶正筒向猫道倾斜，使其下端与猫道前端接触，采用气动绞车上提钻具沿猫道运移至扶正筒内，操作液压推杆使扶正筒带着钻具缓慢回收至垂直状态，重新回到小鼠洞外筒内，盖上钻台上的盖板，然后操纵套筒式液压缸，使其伸缩上下运动调整钻具至合适高度，再操纵夹紧机构夹紧钻具，即可开始接单根入井口。

4 结论

（1）针对目前石油钻井行业接甩钻具单根作业方式进行优化设计，研发了一套安全高效的系统装置。该设计采用一体化设计思路，可以能够节约大量作业时间，并极大地增加作业的安全性，是对现有作业方式的一次大的改进，在油气井钻探施工领域具有较好的应用前景。

（2）该设计与单一的动力猫道或小鼠洞钻具卡紧装置相比，功能更加全面，而结构相对简单，制造成本低，体积小，便于运输，适宜于推广。

（3）该设计适用于4000米以上钻台高度足够的大型普通钻机，适应面广。

【参考文献】

[1]赵淑兰，李文彪，聂永晋，史楠楠.动力猫道技术国内外现状和发展趋势[J].石油矿场机械，2010，39（02）：13-15.