【正文】 1 石油鉆機(jī)氣控制動(dòng)系統(tǒng) 項(xiàng)目可行性研究報(bào)告 編制：陜西 XX 石油設(shè)備有限公司 審核： XX 市科技局 20xx1218 2 一、 總論 項(xiàng)目概述 項(xiàng)目?jī)?nèi)容： 陜西 XX 石油設(shè)備有限公司為油田鉆機(jī)研制的“石油鉆機(jī)氣控制動(dòng)系統(tǒng)”，代替了人工壓剎把操作絞車(chē)的傳統(tǒng)做法，使絞車(chē)的操作實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程 氣動(dòng) 集中控制，提高了鉆機(jī)的操作性能和現(xiàn)代化水平 。 由我公司生產(chǎn)的司鉆房與氣控制動(dòng)器一體化操作系統(tǒng)在大慶油田 ZJ15 鉆機(jī)上的使用，受到了當(dāng)時(shí)的黨中央總書(shū)記江澤民及國(guó)務(wù)院副總理溫家寶、曾慶紅等領(lǐng)導(dǎo)的現(xiàn)場(chǎng)視察和充分 肯定。 近年來(lái)隨著石油公業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的石油鉆機(jī)，特別是較大型鉆機(jī)考慮到各種原因逐漸傾向于采用氣動(dòng)裝置控制絞車(chē)，這就給我公司生產(chǎn)的氣控制動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī) 。 創(chuàng)新點(diǎn)：該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)新穎、使用可靠、 性?xún)r(jià)比高 、安裝方便等特點(diǎn)，是鉆機(jī)帶式絞車(chē)實(shí)現(xiàn)司鉆工坐在司鉆房控制滾筒最佳的技術(shù)改造 更新?lián)Q代產(chǎn)品，其主要?jiǎng)?chuàng) 新在于 ： 采用氣控的方式，操縱膜片式氣缸 ，配合彈簧壓縮蓄能的事故保障機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)帶式絞車(chē)剎車(chē)軸， 實(shí)現(xiàn)了 絞車(chē)的 遠(yuǎn)程操作 。 創(chuàng)新背景： 目前，我國(guó)石油工業(yè)已擁有各種石油鉆機(jī)三千余臺(tái)，其中 60%以上的鉆機(jī)，其滾 筒 絞車(chē)采用 帶 式 剎車(chē)，操作形式均采用了剎把操作。由于鉆井工況的特殊要求，鉆機(jī)開(kāi)鉆后不能停鉆。鉆機(jī)操作的司鉆同志，無(wú)論是嚴(yán)寒的冬天，還是烈日的夏天，即使是狂風(fēng)暴雨也要露天作業(yè)，工作環(huán)境非常惡劣，加之司鉆操作位置距離井口太近，并且貓頭繩從司鉆身邊擦過(guò)。當(dāng)貓頭繩斷裂及井口出現(xiàn)危險(xiǎn)，或者井架上掉下重物等危險(xiǎn)情況出現(xiàn)時(shí)，司鉆 工 都不能離開(kāi)操作位置，這樣就直接威脅著司鉆的生命安全。長(zhǎng)期以來(lái)人身事故不斷地發(fā)生。多 年來(lái)，人們一直不斷地探索一種改善司鉆工作環(huán)境的辦法，將司鉆從 危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解 放 出來(lái)。 上世紀(jì) 八十年代以來(lái)，世界各 地石油機(jī)械制造商紛紛研制液壓盤(pán)式剎車(chē)。在九十年代，我國(guó)也相繼研制了液壓盤(pán)式剎車(chē)。人們期望采用液壓盤(pán)式剎車(chē)取代帶剎車(chē)，采用液壓閥操作取代剎把操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙控操作。 司鉆 可以由原來(lái)的露天操作改在司鉆房?jī)?nèi)操作，改善司鉆的工作環(huán)境，減輕司鉆的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高司鉆的安全性。但是石油鉆井的特點(diǎn)是露天作業(yè)，工作環(huán)境十分惡劣，鉆機(jī)頻繁的拆裝、搬遷及現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件，無(wú)法保證液壓系統(tǒng)對(duì)液壓油所要求的清潔度，再加之我國(guó)液壓元件不過(guò) 3 關(guān)，露油現(xiàn)象嚴(yán)重，不但污染環(huán)境，而且增加了鉆井成本。在使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)液壓閥的堵塞和卡阻，導(dǎo)致 液壓系統(tǒng)出現(xiàn)壓力波動(dòng)和失壓，致使剎車(chē)系統(tǒng)失靈，造成溜鉆、頓鉆現(xiàn)象。因此，沒(méi)有得到全面的推廣使用。人們一直希望用氣動(dòng)控制操作鉆井絞車(chē)的剎車(chē)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙控操作。不但能夠?qū)崿F(xiàn)液壓盤(pán)式剎車(chē)所實(shí)現(xiàn)的功能，而且具有維護(hù)方便的特點(diǎn) ，既干凈衛(wèi)生不污染環(huán)境，又能安全可靠的工作，還不需另配動(dòng)力源， 減少了設(shè)備投資和現(xiàn)場(chǎng)維修工作量。九十年代中期，我國(guó)一些機(jī)械制造商研制了氣控盤(pán)式剎車(chē)，在油田做工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。由于當(dāng)時(shí)研制氣控盤(pán)式剎車(chē)時(shí)，沒(méi)有考慮到 氣體 的可壓縮性和剎車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在鉆井過(guò)程中，剎車(chē)動(dòng)作的滯后無(wú)法穩(wěn)定鉆壓，爬行、頓鉆 、溜鉆現(xiàn)象十分嚴(yán)重，無(wú)法完成鉆井作業(yè)。其原因就是沒(méi)有考慮到氣體的可壓縮性，操作的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度問(wèn)題沒(méi)能得到解決。 人們雖然對(duì)液壓盤(pán)式剎車(chē)不盡滿意，但它仍可將司鉆從艱苦危 險(xiǎn)的工作環(huán)境中解救出來(lái)，因此，最近幾年液壓盤(pán)式剎車(chē)在我國(guó)有所發(fā)展 ，但液壓盤(pán)式剎車(chē)存在的 固有問(wèn)題仍未解決。 九十年代后 期 ， 大慶石油管理局鉆井二公司的 主要 領(lǐng)導(dǎo)提出了 改造帶式 剎車(chē)裝置 、解放司鉆工的 使用要求， 為此我公司經(jīng)過(guò)周密的 調(diào)研論證，認(rèn)真的分析研究認(rèn)為： 改善司鉆的工作環(huán)境，減輕司鉆的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高司鉆的安全性和鉆機(jī)的先進(jìn)性已勢(shì)在必行。 以 往其他廠家研制的氣控盤(pán)式剎車(chē)，不能使用的原因是：沒(méi)有針對(duì) 氣體的 可壓縮性這一問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真的分析研究 而采取措施 ，沒(méi)有考慮到剎車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和操作的靈敏性問(wèn)題。 由于石油機(jī)械的特殊環(huán)境要求，用氣控剎車(chē)比用液控剎車(chē)具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 （ 1）目前，我國(guó)使用的近千臺(tái)鉆機(jī)中，所有鉆機(jī)的控制形式均采用了氣 路 控制，在鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)氣源豐富。采用氣控剎車(chē)可利用鉆機(jī)的總氣源，不需另外配備氣源，可節(jié)約設(shè)備的投資和運(yùn)輸安裝費(fèi)用。 （ 2）在環(huán)境要求上，氣控系統(tǒng)更適應(yīng)油田現(xiàn)場(chǎng)鉆井工況的要求。氣控系統(tǒng)即便有點(diǎn)輕微的漏氣，也不會(huì)造成環(huán)境的 污染。 （ 3）液壓系統(tǒng)對(duì)液壓油的清潔度要求嚴(yán)格，鉆井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法保證。氣控系統(tǒng)的氣體是取之于大氣層，不會(huì)因?yàn)殂@機(jī)的拆裝和搬遷而造成空氣的污染，故障率低，維修 4 方便，這也是目前所有鉆機(jī)采用氣動(dòng)控制的原因。 目前盤(pán)式剎車(chē)存在著爬行現(xiàn)象，而帶剎車(chē)的柔性正好克服了盤(pán)式剎車(chē)的這一缺點(diǎn)，使得司鉆能夠輕松的操作剎車(chē)，這在起放井架時(shí)顯得更為重要。 液壓盤(pán)式剎車(chē)體積大，在舊的鉆機(jī)上無(wú)法改造，而氣控帶剎車(chē)體積小，可以利用原鉆機(jī)上剎車(chē)系統(tǒng)，不需做大的改動(dòng)就可配上氣控剎車(chē)裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙控操作?？梢院芸斓貙?duì)我國(guó)所有的鉆機(jī)進(jìn)行 改造。 我 公司與大慶石油管理局鉆井二公司共同分析了剎車(chē)裝置的 發(fā)展歷程，調(diào)研了油田的需求，總結(jié)了以前剎車(chē)裝置的研制經(jīng)驗(yàn)后決定， 聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)氣控剎 車(chē)裝置，以解決油田急需解決的問(wèn)題。 雙方商定，由我公司負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)和制造， 鉆井二公司 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)試驗(yàn)。 氣控剎車(chē)裝置采用氣控制操作帶剎車(chē)作為鉆機(jī)的主剎車(chē)，在世界上屬首創(chuàng)，因此研制該新產(chǎn)品具有很大的風(fēng)險(xiǎn)性，技術(shù)含量高，攻克難度大，雙方領(lǐng)導(dǎo)非常重視。經(jīng)過(guò)我們多次的分析研究認(rèn)為：氣控剎車(chē)裝置能否研制成功，關(guān)鍵技術(shù)是解決氣動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度問(wèn)題。采用氣信號(hào)高倍放大 原理及動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)，可有效地解決氣控操作的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度問(wèn)題。按照設(shè)計(jì)方案，我們?cè)O(shè)計(jì)制造了 首臺(tái) 氣控剎車(chē)裝置。在制造過(guò)程中，我們嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)工藝過(guò)程，細(xì)心檢驗(yàn)每個(gè)零件的精度，特別對(duì)重要零件的原材料進(jìn)行了探傷檢查，嚴(yán)格控制熱處理工藝，保證了每個(gè)零件的質(zhì)量。在裝配過(guò)程中，精心裝配，細(xì)心調(diào)整，保證了整體裝配質(zhì)量。在整個(gè)試制過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高操作靈敏性，彈簧制作了五次，薄膜重新開(kāi)膜制造了七次，重新裝配了十二次。經(jīng)過(guò)我們上百次的反復(fù)調(diào)整和試驗(yàn)，終于使氣控剎車(chē)裝置順利的研制成功，于 1999 年 9 月，對(duì)氣控剎車(chē)裝置 進(jìn)行了全面的試驗(yàn)和調(diào)試，通過(guò)了主要性能的測(cè)試和質(zhì)量檢驗(yàn)，順利的通過(guò)了出廠實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為： 鉆機(jī)氣源壓力為 — ，氣控剎車(chē)裝置要求氣源壓力為 ，符合鉆機(jī)氣源壓力。 常閉氣缸在空氣壓力為 時(shí)，空氣壓力抵消彈簧力開(kāi)始打開(kāi)，達(dá)到最大行程 50mm 時(shí)所需空氣壓力為 。 常閉氣缸當(dāng)行程為 50mm 時(shí)，最大輸出扭矩為 ，折算到滾筒軸上的剎車(chē)扭矩為 。當(dāng)氣缸行程為零時(shí)，最小輸出扭矩為 ，折算到滾筒軸上的剎車(chē)扭矩為 。 5 常 閉氣缸在空氣壓力為 范圍內(nèi)與氣缸行程在 050mm 范圍內(nèi)成線形關(guān)系。 常開(kāi)氣缸在空氣壓力為 時(shí)，空氣壓力即可抵消彈簧復(fù)位力使氣缸打開(kāi)。并達(dá)到了 050mm 氣缸行程的要求。 常開(kāi)氣缸當(dāng)空氣壓力為 時(shí)，最大輸出扭矩為 ，折算到滾筒軸上的剎車(chē)扭矩為 。當(dāng)空氣壓力為 時(shí)，輸出扭矩為 ，折算到滾筒軸上剎車(chē)扭矩為 。 常開(kāi)氣缸在空氣壓力為 范圍內(nèi)與輸出扭矩成 線 形關(guān)系。 兩氣缸的行程達(dá) 到 50mm 時(shí)，剎車(chē)軸轉(zhuǎn)角均達(dá)到設(shè)計(jì)要求 度。 當(dāng)常閉氣缸打開(kāi)時(shí)，常開(kāi)氣缸可以自由地完成剎車(chē)功能。當(dāng)常閉氣缸剎車(chē)時(shí)，常開(kāi)氣缸被鎖定。兩氣缸分別操作均能完成剎車(chē)功能，符合設(shè)計(jì)要求。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高，即從操作氣控閥手柄到氣缸內(nèi)的氣壓完全建立起來(lái)這段時(shí)間，用眼睛已難以觀察出來(lái)，幾乎處于同時(shí)狀態(tài)。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，氣控剎車(chē)裝置的剎車(chē)能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、剎車(chē)軸轉(zhuǎn)角、氣缸行程及功能要求均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 實(shí)驗(yàn)合格后，大