钻台辅助机械臂的研制

魏志峰

摘 要：目前，钻台区域是人员、设备、大型作业集中的高危区域，通过钻台辅助机械臂的项目论证、功能确认、方案设计、结构设计和加工以及样机试制等，完成一套钻台辅助机械臂。利用钻台辅助机械臂大幅降低钻台人员的安全风险和劳动强度，提高生产效率。

关键词：钻台辅助机械臂；研制；设计；降低；安全风险

钻井作业现场钻台区域是人员、设备、大型作业集中的区域，存在较大的安全风险和较高的劳动强度，通过研制钻台辅助机械臂进行井口作业风险的治理和降低钻工劳动强度，提高生产效率。

1 现状分析

1.1 国内现状

近年，国内石油钻井装备整体技术水平有了很大提高，但是在钻井管柱自动化操作装置方面落后国际水平甚远，尤其从地面到钻台的管柱输送装置和钻台机械手等井口装置技术的缺乏，影响了国内钻机的自动化进程。

1.2 生产现状

目前，钻井生产现场起钻时，司钻利用井架上的天车、游车和大钩从井内起出立根，由内外钳工从钻台井口用手将起出后的立根推至排放钻杆排放架内；下钻时，由内外钳工将立根从钻杆排放架内拉至井口位置进行下钻操作。

整个起、下钻作业过程中，内外钳工的劳动强度非常大，不仅起、下钻作业速度慢、效率低，而且伴随着很大的安全风险。

2 功能需求分析

2.1 功能目标

根据钻台区域内外钳工的主要工作内容，需要研制的钻台自动化机械臂装置必须是具备能够旋转、伸缩和夹持功能的控制系统，并且由一名远离钻台区域的钻工通过遥控操作实现起、下钻作业时立根的自动排放。

2.2 工作原理

起钻作业时，吊卡将立根从井眼内起出吊起，待坐好卡瓦并卸扣后，操作机械臂装置的操作手柄使伸缩臂伸展至井眼位置，机械手内置液压缸工作夹紧立根，然后机械臂收缩（或伸展）同时将立根旋转推至排放架的相应位置；依次类推，完成起钻作业中钻杆的排放。同理，可以实现下钻作业时立柱从钻杆排放架到井口的抓取、旋转和移动；并保证立根准确拉至井口正中位置，以便于钻具对准螺纹，方便连接，从而完成下钻作业。

2.3 具体的操作功能

①上钻杆：将钻杆提至坡道上方、机械手前伸、机械手握住钻杆、上提钻杆、机械手后退、机械手旋转至合适位置、机械手前伸至鼠洞、下放钻杆进鼠洞、机械手松开钻杆、机械手后退。

②甩钻杆：钻杆卸扣后，机械手前伸；机械手握住钻杆，上提钻杆，脱扣；机械手后退；机械手旋转至合适位置；机械手前伸至坡道上方；机械手松开钻杆；下放钻杆至坡道；机械手后退。

③接钻杆对扣：钻杆卸扣后，机械手前伸；机械手握住钻杆，上提钻杆，脱扣；机械手后退至待接钻杆上方；下放钻杆，入扣，必要时左右旋转机械手对正；机械手松开钻杆；机械手后退。

④排立柱：立柱卸扣后，机械手前伸；机械手握住立柱；上提立柱，脱扣；机械手后退；机械手旋转至合适位置；机械手前伸就位；下放立柱至落地；机械手松开立柱；机械手后退。

⑤下立柱：立柱上端吊卡固定好后，机械手前伸；机械手握住立柱；上提立柱；机械手后退；机械手旋转至合适位置；机械手前伸至井口；下放立柱，入扣，可左右旋转机器人对正；机械手松开立柱；机械手后退。

⑥排钻铤：钻铤卸扣后，机械手前伸；机械手握住钻铤；上提钻铤，脱扣；机械手后退；机械手旋转至合适位置；机械手前伸；机械手松开钻铤；下放钻铤就位；机械手后退。

⑦方钻杆进大鼠洞：方钻杆卸扣后，机械手前伸；机械手握住方钻杆；上提方钻杆，脱扣；机械手旋转至对正大鼠洞；机械手前伸至大鼠洞；下放方钻杆进大鼠洞；机械手松开方钻杆；机械手后退。

3 结构设计

3.1 参数设计

①配用电源：380V 50Hz，三相四线；

②电源功率：≯5kW；

③钻台辅助机械臂旋转扭矩： ≮5000Nm；

④钻台辅助机械臂作业面半径：≮3750mm；

⑤设备底座用螺栓固定于两钻杆盒子之间；

⑥机械手在液压缸的控制下进行自动开合，可完成对钻具的夹持、移动和旋转；

⑦机械手最大握力：≮1000N；

⑧技术标准：Q/DYRA001—2012。

3.2 外观结构

根据生产功能需求，钻台辅助机械臂主要由底座、伸缩臂、液压油缸、控制阀组等部件组成。底座固定于钻台面上，利用螺栓固定于两钻杆盒子之间。

4 钻台辅助机械臂的现场应用

钻台辅助机械臂经过在钻井现场试验调试，圆满完成了各项功能的应用。该装置的应用替代了部分人工作业，使钻台操作人员远离危险区域，减轻了内外钳工的劳动强度，降低了井口作业风险。