石油钻机应用液压技术

赵立建
（四川宏华石油设备有限公司，四川 广汉 618300）

摘要：钻井机械具有工作环境恶劣、高速重载、能耗大等工况特点。液压技术以其结构布置相对灵活、执行元件体积小、工作平稳、惯性小、反应快、易实现过载保护、功率比重大、配置柔性大、操作控制方便等优势，越来越多的应用于钻井机械上。本文将着重介绍液压技术在钻机上的应用情况。

关键词：液压；钻机；应用；钻井机械

作者简介：赵立建（1982－），男，2005年毕业于兰州理工大学流体传动及控制专业，本科学历，现任四川宏华石油设备有限公司产品研究所钻机室主任，从事钻机及相关设备的研究开发工作。 
收稿日期：2016-05-11

18世纪末英国研制了世界上第一台水压机，液压技术已经有200多年发展历史。直到20世纪30年代它才较为普遍的应用于机床及工程机械中。到20世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、电子技术、计算机技术的发展而迅速的发展，越来越多的应用于国民生产的各个领域。随着自动化、智能化技术的发展，成熟的液压技术在石油钻机上也得到了广泛应用。下面主要就液压技术在钻机上的应用情况做介绍。

钻机盘式刹车系统由制动执行机构、液压站及操纵台三部分组成。液压站作为整个系统的动力源，操作台作为控制系统，远程精确控制盘式刹车的动作。盘式刹车作为执行机构，由刹车钳、钳架、刹车盘组成。其中，刹车钳又分为常开式工作钳和常闭式安全钳两种形式。该装置具有以下六种功能。

（1）工作制动。通过控制刹车阀的电控手柄，调节工作钳对制动盘的正压力，为主机提供可任意调节的刹车力矩，满足钻井送钻、起下钻等不同工况的要求。

（2）紧急制动。当遇到井场掉电等紧急情况时，按下紧急制动按钮，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急刹车。

（3）过卷保护。当发生大钩提升重物上升到高位或操作员失误等情况，而系统未实施工作制动时，过卷阀或防碰阀会自动发出信号，控制所有刹车钳制动，避免碰天车事故。

（4）驻车制动。当钻机不工作或司钻要离开操作台时，操作驻车制动开关到“刹”位，所有刹车全部制动，防止大钩滑落。

（5）误操作保护。当司钻未按规定要求解除驻车制动、紧急制动时，系统自动控制所有刹车钳制动，有效保护游吊系统、钻杆等设备。

（6）盘刹电机非正常掉电、系统压力低报警。当司钻在操作过程中盘刹电机非正常断电或系统压力低于设定值时，在司钻房内的声光报警装置发出报警信号，以提醒司钻按下紧急按钮，检查报警原因，只有解决故障后，才能解除紧急制动。

控制机具的液压系统结构紧凑，融合电控系统，精确控制液压机具，自动化程度较高。另外，钻机各类液压机具较多：液压猫头；液气大钳；铁钻工；液气大钳；液压倒绳机；防喷器吊装装置；液压倒绳机；液压绞车；自动排管机；液压套管扶正台；钻杆动力钳；套管动力钳；动力水龙头；顶驱；液压转盘；液压猫道。

这些液压机具的应用，极大的提高了工作效率，降低了人力劳动力。随着液压技术的不断进步，新的液压机具正不断的投入使用。根据区域作业习惯、作业环境情况、钻采工艺等方面的需要，钻井工作逐步向远程控制、安全简便、智能自动的方向发展，同时液压无级调速技术的攻克和应用，使得液压技术越来越多的取代原有的机械传动技术，出现了越来越多的自动化、智能化的液压机具。

随着液压起升、平移技术在工程机械领域的成熟应用，该技术成功引入钻机设备领域。通过钻机井架、底座起放液压技术，改变了传统钻机穿绳起升下放的方式，极大的节约了钻机安装时间，避免了钻机起升危险区域人工作业，实现了钻机轻量化。

与传统起升方式相比，液压控制技术具有耗时短、作业平稳、安全高效且易实现过载保护等优势。在车载钻机或修井机上，液压技术还用于控制井架伸缩油缸、吊钳平衡油缸、支腿油缸等。此类钻机液压控制系统一般使用柴油机提供动力源，能满足钻井作业在井场未布置完成时，缺乏电力设备条件下实现对井架、底座、拖挂等设备的快速安装的要求，极大提升了钻井作业效率。

钻机为满足打从式井的要求，需要短距离整体移动。但钻机及钻具质量达8000～10000t，如果没有钻机整体快速移运技术，需将整个钻机先拆解，然后到指定位置重新安装，这极大了浪费了钻井作业时间。因此，在这种需求下，钻机的快速移运技术孕育而生。不论采用何种快速移运技术，要实现如此重的钻机系统的快速稳定的移动，目前液压技术是最适合的一种。因此，液压技术大量的应用于钻机整机平移系统。

常见的平移方式有以下几种：步进式平移、列车式平移、滑轨式平移、整拖式移运装置等。(www.xing528.com)

（1）步进式平移。步进式平移装置主要有顶升油缸、滑车、平移油缸组成，结构形式一般为一推一拉式平移或同推同拉式平移，特点是容易改造，操作简单，成本低廉，适用于绝大多数钻机。

该平移装置工作时，利用顶升油缸将钻机顶起，然后利用平移油缸推动钻机移动一段距离，再将顶升油缸收回，钻机下放，然后将滑车移动，通过反复的工作循环，使得钻机平移。

（2）列车式平移。列车式平移装置主要有顶升油缸、滑车、丝杠千斤顶、平移油缸、导轨组成，特点是可靠性高，适应性强，尤其适用于沼泽地和冻土地面，缺点为体积庞大，成本很高，改造适用性小，常用于欧亚系列低温钻机。

该平移装置工作时，利用顶升油缸将钻机安装于滑轨上，然后利用平移油缸推动钻机移动一段距离，再将平移油缸收回，通过反复的工作循环，使得钻机平移。完成平移后，利用顶升油缸将钻机恢复到钻井状态。

（3）滑轨式平移。滑轨式平移装置主要有平移油缸、滑轨及固定装置组成，特点是容易改造，操作简单，相对步进式对底座强度要求较低适用于绝大多数钻机。

该平移装置工作时，利用平移油缸的推力或拉力，使得钻机实现在滑轨上运动，通过棘爪或液压夹持器，实现油缸往复运动带动钻机平移。

（4）拖式移运装置。拖式移运装置主要有转向拖挂总成、顶升油缸、转向油缸、连接架、拖头组成，特点是移运速度快、移运距离远，适用于沙漠公路。

因载重较大液压技术主要用于起升及控制转向。此类钻机也有相应的缺点，如操作复杂，安装困难，适用范围小。

相比于陆地钻机，海洋钻机的应用环境更恶劣、作业区域更窄、危险性更大，因此对海洋钻机的自动化要求更强。在海洋钻机上，液压技术广泛应用在排管、接套管、接单根、物资搬运等各环节，对液压技术的控制要求更高。

综上所述，液压技术已广泛应用于石油钻机刹车控制系统、井架底座起放系统、整机拖挂、平移系统等各方面。在钻井机具上，随着液压机具的研制开发，智能自动化的普及应用，结合石油钻机钻井深度的需求与数字化远程控制技术，根据机电液一体化概念及人性化设计理念，建议石油钻机液压技术朝以下几个方向发展。

（1）大力发展液压钻机，推动液压钻机向大功率、高压、大流量、高速高效、低噪声、模块集成方向发展。

（2）加强液压技术与信息化、网络化的融合，注重数据收集实时控制，实现机电液一体化，使计算机仿真和模拟优化技术相结合，推动钻机自动化、智能化、远程控制方向发展。

（3）在钻机配套机具方面，结合钻井工作流程，开发更多如顶驱、自动化钻台机具、液压猫道等钻机配套机具，为钻机自动化奠定基础。

（4）考虑环保及维保，利用污染控制技术及设备监测技术实现自动分析及维护警示，实现可靠、耐用、环卫并向着智能纠错及防止误操作的技术发展。

由此可见，液压控制以其独特的优势，越来越多的在钻机系统上使用，相信随着液压技术的不断发展，液压技术将会在钻机上有更大的使用空间。

中图分类号：TE 922

文献标识码：A