修井铁钻工自动找中关键技术研究

赵勇

（长沙中金智能装备有限公司，长沙410100）

0 引 言

随着钻、修井自动化技术的推广，铁钻工取代常规的液压大钳及B型钳，已成为主流趋势，铁钻工可极大程度地降低钻台面工人的劳动强度和作业风险。尤其对修井作业而言，起下钻更加频繁，铁钻工更是不可或缺。与钻井铁钻工相比，修井铁钻工目前还处于起步阶段，只有个别厂家开发了初步产品，如SIR025及STG30铁钻工。由于修井作业时，管柱中心与井口中心不重合，铁钻工无法自动准确找到管柱中心，需多次人工微调，效率低，且易造成管柱上卸扣时剥皮、打滑；油管旋扣时偏扣、旋不到位等问题，严重制约了修井铁钻工的推广应用。针对上述问题，本文分析了主要的影响因素，并提出相关的解决方案，为修井铁钻工的推广应用提供了有力支撑。

1 修井铁钻工无法找中的原因及影响

修井作业时，井口位置已固定，而修井机和钻台面安装时存在误差，造成油车大钩中心与井口中心不重合，为避免起下钻过程中管柱与套管偏磨及管柱憋劲，通常采用外置式气动卡瓦，由于管柱接箍在起下钻过程中经常会刮碰气动卡瓦，造成气动卡瓦每次的位置不固定，即管柱与井口不同心。以2-7/8 in管柱而言，据现场了解，在安装误差、套管内径，井口尺寸、管柱柔性等因素影响下，管柱中心在周向方向可偏离井口中心50 mm左右，如图1所示。

图1 井口与管柱位置关系

修井铁钻工作业时，伸缩臂带动钳体向井口靠拢，由于钳体中心无法与管柱中心重合，就需要司钻工进行微调，但由于铁钻工一般安装在司钻房对面，司钻工无法准确观察钳体是否与管柱同心，因此有时需要一个钻台面工人在井口指挥。这样就严重影响了作业效率及自动化程度的提高。更为严重的是，由于钳体与管柱中心不重合，四块牙板中可能仅有2块牙板夹紧钻杆，将会造成接箍上卸扣时打滑、剥皮（如图2），使管柱提前报废。而对油管而言，由于是细牙螺纹，以常用的2-7/8 in油管为例，其螺距为2.54 mm，计算可知若上下油管偏差2°就会造成偏扣。由于钳体中心无法与油管中心重合，因此经常出现损坏螺纹或旋扣不到位的情况。

2 修井铁钻工自动找中机构

图2 管柱上扣打滑、剥皮

钻井铁钻工一般仅需采用接近开关即可找中管柱，这是由于钻井作业起下钻采用嵌入式卡瓦，管柱中心即为井口中心，因此仅需在前后方向感应到管柱即可[2]。而修井铁钻工则需左右、前后两个方向找中管柱，无疑增加了技术难度。采用作者前期所提出的两个自动找中专利，现场作业实践证明可有效解决左右、前后两个方向自动找中的问题，但均有一定的局限性：文献[3]由于需要布置3个接近开关，对于尺寸规格较小的管柱，存在接近开关信号相互干扰的情况；文献[4]则需要根据管柱规格更换过渡座，同时，接近开关调整麻烦。

本文提出的修井铁钻工自动找中机构如图3、图4所示。自动找中机构安装在铁钻工夹紧钳底部，由带位移传感器的伸缩油缸、V形导向板、可调节位置的感应装置等组成。

图3 夹紧钳与自动找中机构

图4 夹紧钳与自动找中机构顶视图

自动找中机构的伸缩油缸的缸筒端固定在夹紧钳底部，活塞杆端安装1个V形导向板；感应装置安装在夹紧钳底部，前端安装1个接近开关，根据修井常用管柱类型，设置2-7/8 in、3-1/2 in 等2 个档位，并可通过拔插定位销方式快速调节接近开关位置。

由于修井作业时常用的管柱规格为2-7/8 in油管、2-7/8 in钻杆及3-1/2 in钻杆，因此所设计的修井铁钻工U形钳口宽度尺寸为150 mm，而考虑管柱中心变化范围，钳口前端设置导向角，其最前端宽度尺寸为220 mm，即针对最大规格的3-1/2 in钻杆，在铁钻工标定好井口中心的情况下，无论钻杆中心在井口如何变动，钳体的导向角均可将3-1/2 in以内的管柱包含其中。

修井铁钻工臂架油缸，自带位移传感器，可驱动钳体前进或后退；回转机构由液压马达带动小齿轮，进而驱动回转支撑使钳体回转。钳体的伸缩和回转，均由电磁比例阀控制。

3 自动找中机构工作原理

以2-7/8 in钻杆为例，当铁钻工处于待机位置时，钳体U形口正对井口中心；找中机构的伸缩油缸带动V形导向板前伸至已设置好的距离，此距离保证当2-7/8 in钻杆与钳体中心重合时，钻杆本体的外壁恰好与V形导向板两侧边相切；自动找中的接近开关处于2-7/8 in档位，此档位保证当2-7/8 in钻杆外壁与V形导向板两侧边相切时，接近开关恰好接收到信号。另外，待机位时，回转电磁阀处于关闭状态。找中机构的作业流程如图5所示。

图5 自动找中作业流程

作业时，钳体在伸缩臂推动下，从待机位快速向井口中心移动，当距离井口中心一定长度时开始减速，以降低钳体的惯性冲击。

当夹紧钳U形口导向角最前沿越过井口中心（臂架油缸的位移传感器计算距离）时，回转机构的电磁转向阀开启，回转机构液压马达的进、出油路联通，回转机构处于“浮动”状态，此时钳体端无须施加很大的侧向力，即可使铁钻工整体旋转。

铁钻工继续前伸，使2-7/8 in钻杆逐步进入夹紧钳U形钳口直线段，并进入找中机构导向板区域，由于回转机构处于浮动状态，因此相对固定的钻杆可迫使钳体根据钻杆的位置微调（回转），最终使钻杆的外壁与V形导向板两内侧边相切，而接近开关也同时感应到钻杆外壁，并将信号反馈，铁钻工停止前伸，自动找中结束。此时管柱前后、左右的中心均与钳体中心重合。整个自动找中过程中，钳体与管柱相对应的位置关系如图6所示。

当使用3 -1/2 in 管 柱时，将感应装置的插销插在3 -1/2 in档位，同时铁钻工控制面板上选择3-1/2 in 管柱类型即可，此时找中机构的伸缩油缸能自动将V形导向板伸至相对应的位置。

图6 钳体与管柱位置关系

4 结 语

针对修井作业起下钻时，管柱与井口中心不重合的特点及原因，研发出一套适用于修井铁钻工的自动找中机构。该机构利用移动式导向板、移动式感应机构与钳体自浮动功能，使钳体可沿相对固定的管柱自行调整，最终实现前后、左右两个方向的中心重合。机构简单实用，自动化程度高，可真正意义上实现修井铁钻工的“一键操作”。