自动化猫道设计在石油钻机上的应用研究

相军峰，王加松

（中石油川庆钻探厄瓜多尔分公司，四川 成都 610051）

经济社会的发展进步离不开能源消耗的支持，石油作为一种重要能源资源，每年的消耗都是不计其数，是经济发展的命脉。我国作为发展中国家，对石油能源的需求更是巨大，国家每年都要从国外大量进口原油，同时加大国内的石油开采量，用以满足我国经济发展需求。随着石油消耗的提升，需要加大石油开采效率，才能满足消耗需求，故此，需要不断提升石油钻机的自动化程度，提升石油开采效率。

目前我国石油钻机的主要设备自动化程度，与发达国家的石油钻机水平不相上下，但在石油钻机辅助设备的自动化上，却仍处于落后状态，存在劳动量大、危险系数高等显著缺点。故此，需要加快石油钻机辅助设备的自动化研发与应用，进一步提升我国的石油钻机技术，提升石油开采效率、自动化程度及安全性，推动我国石油钻机技术的进一步发展。本文就猫道的自动化设计与应用进行分析，探索有效的猫道自动化设计方案，进一步推动我国石油钻机技术的发展，为我国经济发展做出贡献。

1 石油钻机自动化猫道意义与运行原理

1.1 自动化猫道应用的意义

目前全球的石油开采主要以钻井的方式进行开采，这种特殊的钻井开采方式在钻井施工中，需要不断地将地面排管向钻井平台进行运输。猫道是排管运输的输送通道，而传统上、下管柱传输，需要应用猫道上的气动绞车挂挂住管柱，在通过人力进行拉拽，不但需要大量的人力劳动，同时在拉拽过程中会导致管柱出现一定磨损，降低了管柱的使用寿命，导致石油钻机存在一定的安全隐患问题。故此，需要提升石油钻机的猫道自动化程度，提升石油钻机的管柱运输效率与安全性。

1.2 国内外自动化猫道现状分析

目前我国对于石油钻机的猫道自动化研究投入较少，仅有少数单位致力于石油钻机的猫道自动化研究，多数石油开采仍在采用传统的猫道运输管柱的方法。只有少数国有装备公司研发了自动化猫道，如南阳二机石油装备有限公司研发的自动化猫道，其由撬装模块组成，具有稳定高、利于安装维修、运输方便等优势，但由于其结构简单，只能进行简单的自动化操作，其自动化程度无法满足石油钻机的作业需求。又如中国石化集团胜利石油管理局研制的自动化猫道设备，其利用油缸液压驱动双摇杆，在通过摇杆的加长油缸传送管柱，其具有运输速度快、适用不同高度的石油钻机作业等优点，但其缺点也相对明显，油压过高、需要消耗大量能源维持运行。

国外石油钻机的自动化猫道设计，根据设计特点大体可以分为3类。

（1）固定式自动化猫道设计。该类自动化猫道设计采用固定式结构，猫道沿固定轨道运行，管柱卡在猫道的卡槽中进行传输。该类自动化猫道结构简单，但管柱需要通过卡槽进行传输，在安装过程中会使管柱产生磨损，降低管柱是使用寿命。

（2）升举式猫道设计。该类自动化猫道采用液压装置，驱动支撑臂运输管柱，在管柱传输至钻机平台相同高度，再通过推送装置将管住推送至钻机。

（3）机械手臂式。该种方式摒弃了传统的猫道设计理念，采用机械手臂直接完成管柱的上下运输。该种设计理念具有自动化程度高、工作效率快等优点，但其需要高负荷的液压动力系统驱动机械手臂的运转，安装、维修、运输成本相对较高，适合大型石油钻机作业需求。

1.3 自动化猫道的运行原理

通过分析国内外的自动化猫道设计来看，猫道的自动化设计主要在于管柱的上钻台与下钻具的自动化设计，故此，可以将其自动化原理分为2部分，一为上钻台自动化原理、一为下钻具自动化原理。

上钻台自动化原理：以低位运行情况为例，此时猫道的中云梁处在水平位置，钻杆排放架的液钢支脚架伸出，导致排放架一端上升，在重力的驱使下排放架会向猫道滚动。排放架滚动过程中遇到猫道限位销，就会卡住滚动的排放架，同时触发拔板液钢顶起排放架，此时排放架上的钻具高度若高于限位销就会继续向上滚动直至云梁凹槽。同时，由于排放架的滚动会触发安全销，推动主梁上升同时启动双向液压马达运转，推动小车将管柱推送至钻机完成管柱上钻具运输。

下钻自动化运行原理：钻具送至钻机平台，吊卡驱使钻具抵住猫道云梁，之后运输小车与钻具接触，将钻具引向云梁凹槽，到位后触发安全销弹出。钻具卸载时，启动回收主液钢的安全销，推动小车将钻具引向云梁凹槽，钻具全部进入云梁凹槽后，促使拔板液钢启动将钻具带回排放架，完成下钻自动化。

2 石油钻机自动化猫道优化设计

2.1 端部液压缸的优化设计

石油钻机的猫道自动化动力驱动由液压缸提供，若液压缸的活塞推力为F，A为活塞杆的有效面积、D为活塞杆直径、p为活塞杆的工作压力，那么，可以得到F=Ap×106=π/4D2p×106。也就是说液压缸中的活塞杆推动力大小，与活塞杆的有效面积、活塞杆的工作压力有直接关系，想要进一步提升自动化猫道的动力总成，可以通过提升液压缸的工作压力，或加大活塞杆直径来实现动力提升。

（1）考虑增加液压缸工作压力的方式来优化自动化猫道设计。众所周知，液压缸的工作压力提升是相对较难，从设计方案到设备制作，都是需要投入大量资金才能完成，会提高自动化猫道设备的成本，而成本一旦增加对于中、小型的石油开采企业来说，其市场竞争力就大幅下降了，故此，增加工作压力的方案不作为猫道自动化优化设计的首选方案。（2）考虑以增大活塞杆直径的办法，来优化猫道自动化设计。该种方案理论上是一种可行方案，想要增大活塞杆直径，可以通过增加液压缸体积来实现。但在实际石油钻机作业中，要考虑到猫道设备的自重问题，无限制的增大液压缸体积就会导致猫道自动化设备重量的无限增加，同时，液压缸的耗能性也会大幅增加。而对于中小型的石油钻机来说，需要上、下钻具相对较少，较少的钻具传送若采用大规模自动化猫道设备，就会造成大量的资源浪费。纵观石油钻机的发展趋势，增大活塞杆直径的方案，与石油钻机的发展形式不符，故此，增大活塞杆直径方案被排除。（3）由于没有投入实际作业的自动化猫道设备的数据参数，无法得知液压油缸的其他工作参数，也就无法获得自动化猫道的实际动力大小。但就目前投入实际石油开采的自动化猫道设备来看，液压缸安全销的伸出都是以钻具排满一层作为触发点，这是一个很明显的设计缺陷，要考虑到深井钻井的钻具需求量，增加钻具运输量满足钻井作业需求。

根据对自动化猫道运行原理及优化方案分析，得到针对端部液压缸的优化设计可以从以下几方面入手。

（1）端部液压缸的独立使用，采用销轴将液压缸连接钻具排放架，在猫道上部安装带孔可插入式装置，采用这种方式增大钻具的运输量，以三层排管运输为例，若排放架叠满三层排管，独立式液压缸只需考虑排满后的动力输出，触发安全销伸出顶起排放架即可，无需考虑猫道下部对动力的需求及下补两层的排管重量。该种优化方案，没有从提升顶端液压缸的动力输出入手，采用独立使用的方法，在提升工作效率的同时无需对自动化猫道设备进行重新设计与制作。

（2）液压缸与排放架的分开使用，二者自成一体独立运行，同时增设液压缸的起升护罩，通过起升护罩将液压缸的销轴连接。起升护罩由三块钢板组成，侧面钢板设计3个挡片孔，由于挡片安装，值得注意的是在挡片孔的设计，要预留液压缸的起升空间，避免排管架与起升护罩产生碰撞。在挡片安装时，应采用上下两个销轴卡住挡片，以免挡片发生位移。

（3）液压缸的管线优化设计。原有的自动化猫道液压缸管线较为理想，只是管线采用了固定化设计，不利于自动化猫道的安装、维修，可将原有管线设计改为快插式。以三层排管架为例，优化后的自动化猫道设计，采用销轴连接液压缸与起升护罩，运行后钻具一端会插入到两侧起升护罩的插孔中，从而确定液压缸位置。而当第三层的挡片插入挡控后，就可以确定销轴位置，直接与液压管管线连接，此时若是液压缸处于上升状态，液压缸就会顶起起升护罩，然后触发顶层挡片顶起，从而顶起钻具使其滚入凹槽完成钻具上升运输。同时在挡板孔的设计中，由于留有液压缸的移动空间，为护罩移动提供了充足空间，当二层排管子处于起升护罩处于不动状态，同时在顶层钻具传送完成后，第二层排管开始滚动插入插孔中，按照顶层排管的运行状态完成第二层排管运输。

2.2 安全销及踢出机构的优化设计

猫道传送钻机管柱主要通过凹槽卡住管柱，之后猫道运转完成传输，而猫道的传输轨道是一种坡道设计，在重力环境的影响下，管柱会从凹槽中脱离，造成管柱损坏。而在凹槽上下两端设置安全销，可以有效卡住管柱，在钻机管柱运输中不会造成管柱脱落，而形成安全隐患也避免了管柱的损伤危险。另外，由于安全销的伸出，在钻井管柱滚入凹槽后，会防止其他管柱滚入同一凹槽。

自动化猫道的下钻具运行中，安全销通过伸出可以将管柱踢出凹槽，在与推动小车接触完成下钻具运转。综上所述，安全销无论是上钻具、还是下钻具都会频繁运转，在频繁的伸出、弹回工作中，会造成安全销的损耗较大，易出现安全隐患问题。针对改点可以进行自动化猫道的优化设计。目前，自动化猫道的安全销设计，都是采用分开设计，这里可以采用合并安全销方法进行优化设计。以上钻具为例，此时猫道成上升状态，端部的液压缸会逐渐升起，导致钻机管柱开始滚动，同时外倾斜机的油罐呈伸出状态，再次推动石油管柱向翻转机构传输。当钻机管柱触发液压钢的安全销伸出后，第一根管柱就滚进了凹槽中，同时，管柱一端会插入到反转机构当中，将钻机管柱锁死，也就说一个凹槽只能滚入一根管柱，减少了安全销的应用。

3 结语

石油作为一种不可再生的重要能源，被称为软黄金，对国民经济的发展起着至关重要的作用。而由于石油所处的地理位置，对于石油的开采，一般采用钻井作业方式进行开采工作。随着机械自动化的发展，石油钻机自动化的程度越来越高，相对于传统的人工钻井开采来说，大幅度提升了石油开采效率与开采安全性。由于钻井的特殊构造，随着开采深度的增加，需要不断增添钻机管柱，满足钻井开采需求。目前，最为先进的石油钻机技术，无论是石油钻机的主体设备，还是石油钻机的辅助设备，都进行了自动化改造，大大提升了工作效率与安全性，但我国目前对于石油钻机的辅助设备自动化应用技术，并不成熟，需要进一步进行研发与实践。本文就石油钻机的自动化猫道优化设计进行讨论，分析自动化猫道的优化设计，可以从液压缸的优化改造和安全销的优化改造入手，提升石油钻机的自动化程度，推动我国石油开采行业的进一步发展。