石油钻机自动化猫道优化设计策略

＊李世伟 于芬 夏正廷 钱隆 顾生琴

（1.兰州理工大学技术工程学院 甘肃 730000 2.兰州公路局中川公路段 甘肃 730000）

前言

现阶段，我国在机械自动化方面的研究取得了巨大进步，在石油领域中，对钻机自动化行业起到推动作用，其主体配置可以与国际水平相媲美，然而钻机外围配置相对发达国家还是处于1960-1979年的水准，具有劳动大、系数高的特征。由此，需要加大对石油钻机外围的研究力度，提升解决问题的能力，促使钻机整体能够跟得上时代发展，其中自动化猫道技术对石油钻机工作效果具有一定的促进作用，能够有效的提升其工作效率，进而加强石油钻机工作的自动化水平，增强安全性，因此本文对石油钻机自动化猫道优化设计策略进行详细探讨，具有一定的现实性研究意义。

1.石油钻机自动化猫道运行原理

针对石油钻机在进行钻井作业期间的钻具排放以及上钻台、下钻台的操作原理进行分析，然后根据当前国内外对自动化猫道研发现状，从上钻台、下钻具两方面来对自动化猫道运行原理进行总结和探讨。

其一，上钻台运行原理，若运行所处条件为低位情况下，猫道主体中云梁所处位置为相对水平状态，对于钻杆排放架支脚液钢伸出来后，促使排放架其中一端处于升起状态，然后钻具就会借助本身具有头的重力，朝向排放架斜面方向的猫道主体进行滚动，在滚动过程中，若滚动至排放架限位销所处位置后就会处于卡住状态，这时候可伸出钻具相近一侧的拔板液钢，以此来促使拔板处于顶起状态，这时与限位销相近的钻具也随之被抬起来，在这种情况，若钻具上升高度比限位销高度大的情况下，钻具就会顺延拔板斜面方向进行滚动运行，逐步运动至云梁凹槽所处位置，与此同时安全销气缸中的安全销也会因此压出来，主液钢处于伸出状态，将前方支架推起来，促使主梁不断上升至一定位置，通过以上，主系统中双向液压马达因此进入正式运转状态，驱动链轮进行相应的运动，促使小车推动钻具朝向井口方向行驶，吊卡在钻具顶端位置处于卡住状态，这时候即完成钻具上钻台这一运行过程。

其二，下钻具运行原理，在进行钻具下放作业时，首先要做的就是借助吊卡促使钻具底部位于云梁处，然后小车与钻具底部两者之间进行接触，通过小车在其中的引导作用，促使钻具随着小车引导进行滑移运动，逐步进入云梁凹槽中，与此同时安全销也会随之处于伸出状态[1]。收回主液钢这时候安全销就会被收回，推杆液钢就会因此启动正式开展相应工作，在运行过程中，先将钻具推到云梁凹槽中，促使猫道主体上拔板液钢处于运行状态，然后将猫道中的钻具推出至钻杆排放架，通过以上即完成猫道下钻具这一运行过程。

2.石油钻机自动化猫道优化设计策略

(1)端部液压缸优化设计

假设活塞杆伸出时推力为F：

则F=Ap*106=π/4D2p*106

在上述式子中，A、p、D分别指的是活塞杆测有效面积（单位：m2）、工作压力（单位：MPa）、活塞杆直径（单位：m）。

通过上述式子能够明显看出，推力大小取决于工作压力和活塞杆直径。若加大推力，就得通过提升液压系统额定工作压力的方式来实现，也可通过加大活塞杆直径来实现。

其一，通过提升系统压力的方式来进行整个液压系统压力设计，需要用到的设计成本、制造成本等随之增加，因此这种方式不可行。

其二，通过改变液压缸直径的方式来进行设计优化，从理论上来讲，这种优化方式具有实施可行性，但要想进一步加大液压缸的直径，只能根据最大钻具开展相应的重量计算。简单来讲，若钻具相对比较少，或为“3-1/2”钻杆或比上述更小的钻杆情况下，就会使得液压缸在其中的体积过大，这种情况下就会导致能源资源消耗量增加，与此同时，需要用到的改造成本也有一定的增加，因此上述改造不适用于当前市场发展形势。

其三，因无法查询到端部液压缸其他更多详细数据参数信息，因此也就无法切实获取到具体推力大小[2]。但在实际应用中，不论井深设计结果，将各种类型钻具排满为一层状态下，液压缸也就呈伸出状态，很明显，相关厂家在进行设计时，只将这一层钻具排放考虑其中，而没有将更多的钻具排放考虑其中。

根据上述，对于端部液压缸的优化方案可这样进行设计：将液压缸以独立状态使用，运用销轴将管排架与液压缸连接起来，然后将带孔可插入式装置安装在上部位置，若管排架排满三层之后，只要顶起顶层钻具，对于下部两侧不需要与液压缸进行连接，同时液压缸也不需要承受下补两层钻具带来的重量压力。通过上述优化方案，能够实现不对液压系统压力、液压缸直径、液压缸行程进行改变，就可以实现起升的运行目的。

对于端部液压缸的优化设计，应将液压缸和管排架两者分隔开，使其各自成为单位机构状态，并对其进行起升护罩，将其与液压缸通过销轴两者进行连接。对于起升护罩的设计，主要是由数量为三块的钢板进行焊接组合而成的，其侧面设挡片孔，一般为三个，主要作用是插入挡片，对于第一层挡片孔下方应预留一定的液压缸起升所需要的行程距离，其目的在于避免因护罩在进行起升运行时，发生和管排架连接部位之间的冲突情况[3]。在进行挡片设置时，应采用两个销轴对其两端进行固定处理，其目的是避免挡片出现移动。

对于液压缸的设计，其原本的管线不需要进行改变，只要将原本的液压缸管线连接方式改为快插式连接方式即可。其工作原理具体如下，若管排架排放钻具层数为三层情况下，通过销轴就会将其中的液压缸和起升护罩两这边进行连接，然后管排架的端部位置就会插入护罩，这时候就可以确定液压缸位置。当进行第三层（也就是顶层）的挡片插入时，即可固定销轴位置，与液压管线进行连接，液压缸处于起升运行状态下，液压缸就会将护罩顶起来，然后通过顶层挡片并将该层钻具抬升起来，使其滚入V型槽中。因原本设定好的安全距离，护罩在顶层插入处进行上下移动过程中，二层与管排架端部插入在护罩内的部分处于不动状态，完成顶层钻具接完后，再将挡片插至第二层挡片孔中，通过以上顺序类推进行。

(2)安全销及踢出机构优化设计

对于安全销在猫道中应用作用主要有以下几方面：其一，有效避免钻具从V型槽中滚出来[4]；其二，在接收钻具过程中，有效避免其他钻具滚都V型槽中。

对于踢出机构在猫道中应用作用主要在于帮助钻具，将其推出V型槽。在进行实际操作过程中，其中比较频繁的操作就是安全销，因此这就需要对安全销进行相应的优化设计。

基于以上，对于安全销及踢出机构的优化设计，可通过将安全销和踢出机构共同处于送钻柱装置中，促使两者合并使用，在使用过程中能够将各自的应用作用发挥出来。以接钻具作为案例来进行分析，当钻具处于启动状态下，其端部位置的液压缸会逐步进行起升运行，这时候钻具就会滚进猫道中，外倾斜机构中的油缸也会随之处于伸出状态，钻具逐步朝向翻转机构进行靠近。在运行过程中，当翻转机构液钢处于伸出状态下，第一根钻杆就会滚入其中，这时候翻转杆尾部位置就会处于钻杆状态，这主要在于翻转机构中存在斜坡，因此只能进入一根钻杆。当翻转机构油缸处于缩回状态下，第一根钻杆就会随之滚入V形槽中，同时钻杆也会被翻转杆尾部挡住锁死[5]。在进行接甩钻具过程中，翻转机构就会处于伸出状态，然后钻杆也会被其推至V型槽中，同时内倾斜油缸也会随之伸出，这时候钻杆就会推至管排架上方。

3.总结

综上所述，将自动化动力猫道应用于石油钻机作业中，能够很好的解决当前我国钻机作业中存在的安全性低、工作效率低以及劳动强度大的缺陷问题，能够实现降低需要投入的劳动强度，有利于提升整个钻井作业的工作效率，能够更安全的开展作业。随着当前我国石油钻井技术的不断研发和创新，对其中钻机的自动化程度要求也会随之提升，当前我国现有的大型钻机中自动化猫道还处于试验阶段，没有投入大范围使用中，因此加大对石油钻机中自动化猫道的研发具有一定的意义。