立柱式钻杆自动运移系统与方案设计

王宝杰 尹晓丽 曹惠 刘志斌 张文科 张世奇

摘 要：传统钻杆运移主要通过绞车拖曳提升和人工连接的方式完成钻杆上下钻台任务，该方式不仅运移稳定性差、效率低，且工人劳动强度高，人身风险大。基于此，针对陆地钻机开发设计了一套立柱式钻杆自动运移系统，将极大减少工人数量，提高作业安全性。

关键词：立柱式；钻杆运移；陆地钻机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.052

钻机在工作过程中钻杆需要在钻台、排放架之间完成往复的运移、连接、排放等操作。传统的工作过程需要3-5名钻工协同工作，通过钢丝绳提拉与人工导向实现钻杆的运移，整个过程工人直接接触钻杆，劳动强度高，人身風险大，且运移稳定性差，易对钻杆造成损伤[1]。目前，油田开发处于中后期，钻进深度逐步增加，作业所需要钻杆数量也随之增加，且作业效率要求较高，因此实现钻杆上下钻台时能够完成自动运移、连接、拆卸等工作，对于提高钻井效率变得尤为重要。

开展钻杆自动运移系统的研究顺应了钻井设备朝自动化方向发展的态势。本文就是在这种情况下撰写出来的，其主要目标就是针对ZJ70D钻机设计一套钻杆自动运移系统，为陆地钻机钻杆自动运移提供可行的方案参考。

1 国内外发展现状

目前，美国的Varco公司和挪威的Aker Kvaerner MH公司在钻杆自动运移研究领域中处于领先地位。Varco公司对钻杆自动排放系统和钻杆自动运移系统的研究已趋于成熟，其产品适用于大多数钻机的管子排放系统。Aker Kvaerner MH 公司主要针对管子运移系统和处理装置进行研发[2-3]。钻井工业界一直在研究新型钻井机械化设备尝试改进钻井程序，具有代表性的是德国超深孔钻进股份有限公司的高度自动化的TUB-1型钻机，其自主创新的移摆管子系统所具有的高度自动化特征是未来管子处理系统的发展趋势[4]。

以上钻杆自动运移系统主要针对环境恶劣的海洋钻井，陆地钻井的钻杆自动运移系统的研究较少。

国内陆地钻机钻杆上下钻台主要有三种方式，一是采用电动或气动绞车，二是利用吊车，三是采用动力猫道。采用电动或气动绞车在输送钻杆时稳定性低、效率低，易对钻杆杆体和接箍造成损伤；利用吊车输送钻杆占用场地大、费用高、稳定性亦差；采用动力猫道输送钻杆是目前国内的主流传送方式，其中中石化工程机械有限公司、青岛杰瑞、南阳二机等都对动力猫道和钻杆自动运移装置展开过研究，目前已投入现场实际应用，但没有实现钻杆传送的全自动化操作，仍依赖于人工操作或部分自动化传送，不能完全满足现代陆地钻机自动化钻井的需求。

2 立柱式钻杆运移系统结构设计

2.1 总体结构设计

立柱式钻杆运移系统由输送系统、举升系统和旋转系统组成，整体安装在井场前区位置如图1所示。输送系统担任钻杆的输送和翻转任务，主要由底座、输送机和承重臂组成。举升系统担任钻杆的举升和平移任务，主要由桅杆、行走齿条和两组机械臂组成。旋转系统担任钻杆的平转任务，主要由基座和旋转液压盘组成。

立柱式钻杆运移系统主要用于钻井作业时钻杆、钻铤、石油套管等细长杆件从地面排放架到钻台的自动化运移，为方便运输，立柱式钻杆运移装置的底座采用一体化设计，如图2所示。输送机固定连接在基座上，距地面1-1.2m，可满足多数钻杆排放架的使用。

输送钻杆时，杠杆式勾爪勾取排放架上的钻杆，在橡胶滚筒的滚动作用下将钻杆输送至承重臂上，通过液压驱动承重臂翻转从而改变钻杆姿态，当钻杆垂直于地面时，举升系统和旋转系统依次启动，将钻杆运移至井口位置进行连接。

为保证承重臂翻转灵活可靠，此处采用位移补偿的方式实现承重臂在0-90°内自由翻转，当翻转液压缸活塞杆伸长（收缩）至极限位置时，在电机的驱动下，翻转液压缸铰链支座随丝杠的转动发生前后移动，使钻杆在卧式与立式两种姿态间往复切换，提高钻杆的输送效率和可靠性。

2.2 设计参数及特点

立柱式钻杆运移系统适用于ZJ70D型电动钻机，最大钻深能力为5000-7000m，井架高度为45m，钻台高度为10.5m。为满足钻机钻探需求，该系统采用电动和液压驱动两种传动方式实现钻杆运移，设计参数如表1所示。

3 立柱式钻杆运移系统工作流程

3.1 钻杆上台过程

钻杆上台工作流程如图3所示。

首先，勾取钻杆至输送机，输送机将钻杆输送至承重臂适当位置，固定机械手和翻转机械手夹持钻杆杆体，翻转液压缸活塞杆伸出，带动承重臂以转动连接部分为中心向上转动，电机驱动丝杠使翻转液压缸整体向前运动，直至承重臂（钻杆）与地面垂直。

其次，举升系统的上、下两机械臂运动至适当位置，机械手抓取钻杆，行走马达启动，带动上、下两机械臂沿行走齿条垂直起升，至钻杆下端面距钻台20-30cm高度时，举升任务结束。

最后，旋转液压盘启动，带动桅杆以转动连接部分为中心顺（或逆）时针旋转90°，将钻杆从桅杆外侧转动至桅杆内侧；举升液压缸活塞杆收缩，水平液压缸活塞杆伸长，将钻杆以垂直钻台姿态水平运移至井口位置，调整钻杆与井口之间位置，钻杆连接装置启动，进行钻杆连接，钻杆上台过程完成。

3.2 钻杆下台过程

钻杆下台工作流程如图4所示。

首先，机械手夹持钻杆，举升液压缸活塞杆伸长，水平液压缸活塞杆收缩，将钻杆以垂直钻台姿态水平运移至桅杆内侧；旋转液压盘启动，带动桅杆以转动连接部分为中心顺（或逆）时针旋转90°，将钻杆转动至桅杆外侧。

其次，行走马达启动，带动上、下机械臂沿行走齿条垂直下降至适当位置，该过程进行的同时承重臂已起升至预定位置，即承重臂处于垂直状态，水平液压缸活塞杆伸长将钻杆水平运移至固定机械手和翻转机械手手心位置，并夹持钻杆。

最后，翻转液压缸活塞杆收缩，电机驱动丝杠带动翻转液压缸向后运动，使承重臂以转动连接部分为中心转动至水平位置，输送机启动将钻杆输送至适当位置，勾取钻杆至排放架上，钻杆下台过程完成。

4 桅杆的结构力学分析

通过对桅杆的受力分析可知，当两组机械臂的主臂（長6m）水平时桅杆受力最大，即桅杆受到的压弯组合载荷值最大。若机械手此时夹持的钻具为11〃钻铤（476.2kg·m-1）且桅杆能够正常承载，宏观上不发生变形，则说明该桅杆能承载其他管状类钻具。桅杆受力状态简图如图5所示。

钻铤长度按9.45m计算，受力分析可知M=F·L=（476.2×9.45×9.8）6= 264.6 kN/m，由平衡方程：

（1）

解得F1=F3=11kN。两组机械臂自重210kg，则F2=F4=210×9.8+476.2×9.45×9.8=46.2kN。由此桅杆各截面的弯矩和轴力图如图6所示。

由可知危险截面为B截面，其中FN max=-46.2kN（压力），Mmax=-127.5kN/m（逆时针）。桅杆整体采用熔渣焊焊接而成，且焊后需热处理，提高其强度和后续加工精度，横截面如图7所示，其中横截面积A=0.033m2，抗弯截面系数Wy=1.72×10-3m3。

所以：

（2）

（3）

解得，MP，则，强度条件满足。

5 结语

本文设计的立柱式钻杆自动运移系统是针对ZJ70D钻机的配套设备，该设备操作方便，结构可靠，可实现钻杆上下钻台的自动化操作，不仅降低了劳动强度，延长钻杆使用寿命，而且极大地提高了钻井效率和安全性。

参考文献：

[1]李宁，李林，李千山.深井钻机钻杆自动传送装置载重臂的机械结构设计[J].机械制造与自动化，2018，47（01）：213-217.

[2]尹晓丽.ZJ70DHY钻机钻杆自动连接系统结构设计[D].青岛：中国石油大学（华东），2010：3.

[3]白丙建，谭刚强，栾苏等.陆地钻机钻杆自动化处理系统方案设

计[J].石油矿场机械，2014，43（02）：86-88.

[4]刘广志译.UTB-1型超深井钻机推进了自动化的发展[J].维普资讯，23-27.

基金项目：校级大学生创新训练项目（2017028）；

中国石油大学胜利学院大学生创新创业训练计划项目资助

作者简介：王宝杰（1997-），男，山东临沂人，本科，研究方向：材料成型及控制工程。