GJ340-12H管柱检测一体机的研制

韩亚洲， 张波， 鲁鹏程， 王玉， 赵亮亮,2， 付华

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 7210022；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

0 引言

钻井作业过程中钻杆、钻铤、套管等管柱数量较多，上钻台之前需要进行丝扣清洗、长度测量统计等准备工作。目前常规丝扣清洗是将管柱并排摆在排管架上由人工手持钢刷清洗或者用蘸有煤油的棉纱擦洗，通径检测采用投入法，人工将标准通径规从管柱一端投入，在管柱上钻台的过程中，通径规从一端输出则证明管柱通径合格，长度测量依靠两人使用钢卷尺进行逐根测量，喷码标记依靠人工将编码涂刷在管柱本体上，管柱的长度及编码等数据信息采用人工纸质记录。上述作业全部依靠不同岗位人员配合手工完成，工作零散单一且效率低，工人工作环境差，劳动强度大，工作质量难以保证。

近年来，随着钻井市场对钻机自动化、智能化和信息化需求的日益提高，以及贯彻以人为本的HSE 管理理念，对钻机管柱自动化设备的需求日益旺盛[1]。宝鸡石油机械有限责任公司于2020 年开发研制了GJ340-12H 管柱检测一体机，该自动化设备集成化程度高，能完全替代人完成地面钻杆、钻铤、套管等钻井管柱的丝扣清洗、通径检测、长度测量、喷码标记、数据存储及查询等作业，实现地面管柱处理的自动化作业[2]。

1 技术分析

1.1 总体方案

GJ340-12H 管柱检测一体机（如图1）主要由定位移运单元、丝扣清洗单元、通径检测及测长单元、喷码标记及数显单元、电气液控制系统等部分组成。定位移运单元包括基座、移动导轨、定位V 槽、倾斜机构及踢出机构等，其作为管柱检测一体机的安装基础，实现管柱的定位及工位间移运。丝扣清洗单元包括公扣清洗装置、母扣清洗装置、推移油缸和支撑座等，实现不同规格管柱公母丝扣的清洗，其中清洗方式有钢刷刷洗和蒸汽清洗两种，两种机构可互换安装。通径检测及测长单元包括通径规、通气装置、推移油缸、位移传感器和支撑座等，完成管柱的通径检测及长度测量。喷码标记及数显单元包括喷码机、数据传输线、显示终端等，用于管体的喷码和管柱长度、数量等信息的显示记录。电气液控制系统实现一体机的自动控制。

图1 GJ340-12H管柱检测一体机结构示意图

1.2 定位移运单元

管柱检测一体机的安装基座是定位移运单元，两端安装有移动导轨，其显著特点是执行机构可以在长度方向进行调节，从而实现不同长度的管柱检测，适应性好。倾斜机构位于初始待命位置，保证单次进入一根管柱进行检测作业。V型定位槽完成管柱的位置确定，便于两端执行机构对正。检测完成后进入下一工位时，踢出机构完成管柱的转运。

1.3 丝扣清洗单元

丝扣清洗单元是管柱检测一体机的核心机构，分为母扣清洗子单元和公扣清洗子单元，布置在一体机的两端，其显著特点是管柱在V型定位槽定位后无需旋转，只是两端的子单元机构旋转，同时两端的子单元可沿导轨移动，适应不同长度管柱的丝扣清洗作业，在高度方向也可进行调节，适应不同规格直径的管柱[3]。公母丝扣清洗子单元两端还安装有推移机构，在管柱定位后便于丝扣清洗单元与管柱两端靠紧进行清洗作业。丝扣清洗有两种方式：一种是钢刷刷洗。母扣清洗子单元和公扣清洗子单元结构完全相同，都由驱动马达、固定连接盘、清洗刷等组成，只是清洗刷的安装方向不同，驱动马达与固定连接盘通过键连接，清洗刷通过燕尾槽插装在固定连接盘上，便于更换，在驱动马达的作用下，固定连接盘带动清洗刷一起旋转，完成公母丝扣的清洗，该清洗方式的特点是可以调节固定连接盘，实现清洗刷布置的变径，利于清洗不同规格的管柱，对固态杂质的清洗效果较好。另一种是蒸汽清洗。安装接口与蒸汽清洗接口一致，只是两端的清洗机构不同，通过若干通道在管柱丝扣对射高压高温蒸汽完成清洗作业，适用于套管丝扣油等的清洗及低温环境作业。

1.4 通径检测及测长单元

通径检测及测长单元同样是检测一体机的核心机构，与丝扣清洗单元平行布置，安装在同一个移运导轨上，两端结构完全相同，由通径检测机构、推移油缸和通径规等组成。通径检测机构是一种气动工作装置，两端安装永磁铁，在压缩空气的驱动下，可实现通径规沿着管柱的内腔移动，从而实现通径检测，以此判断管柱内腔是否堵塞和弯曲，其显著特点是可实现循环作业，永磁铁可将通径规回收，效率较高[4]。推移油缸上安装有位移传感器，在管柱定位后，推移油缸带动通径检测机构向管柱两端靠近顶紧，在通径检测的同时自动实现长度测量，该测量方法为间接测量法，在初始状态下推移油缸有位置信息，与位移传感器的最终位置数据计算后可读出管柱的外形长度。

1.5 喷码标记及数显单元

喷码标记单元位于基座的中间位置，可以对通径检测合格并且丝扣清洗完成的管柱进行喷码编号，编号与长度信息对应，便于对管柱建立台账管理。喷码采用非接触式工作方式，提高了喷头的可靠性。手操遥控器显示屏可集中显示管柱的长度及编码信息，同时对数据信息进行存储，方便后续查询，为钻井过程提供准确的信息支持，该显示终端还可以与电脑连接导出相关信息。

1.6 电气液控制系统

电气液控制系统包括液压系统、气控系统和电控系统，是管柱检测一体机的神经中枢。液压系统为倾斜、踢出、推移等执行机构提供液压动力，气控系统为气马达旋转及通径规移动提供动力，电控系统通过PLC 程序控制器实现对各执行机构的远程控制，同时根据位移传感器、数据线对一体机的测长单元进行控制，使一体机能够安全高效地作业。

操作台是整个一体机的应急操作和控制台体，安装在基座后端，在程序故障时可通过手柄进行应急操作。

1.7 主要技术参数（如表1）

表1 主要技术参数

1.8 关键技术及特点

1）集成化设计技术。集丝扣清洗、通径检测、长度测量及喷码标记功能为一体，将零散的管柱预处理作业集中化、自动化作业，可与动力猫道配合作业，完善了地面管柱一体化解决方案。2）气动可调丝扣钢刷清洗技术。管柱本体不旋转，通过气马达驱动丝扣清洗单元旋转，带动钢刷旋转进行清理，适应于钻杆接头固体污染物清理作业。钢刷可实现变径调节，适应不同规格管柱，灵活性好。3）丝扣的蒸汽清洗技术。清洗单元对称布置，蒸汽通过小孔对射丝扣清洗，适应套管丝扣油等软态污染物的清理。机构设计简单，不旋转，远程控制开通蒸汽后即可进行作业。与钢刷清洗单元接口互换，通用性好。4）气动循环通径检测技术。运用空气动力学原理，压力能转换成通径规动能，永磁铁实现回收，达到两端循环通径检测的目的，作业高效。5）长度测量及数据显示存储技术。位移传感器间接测量管柱外形长度，程序减去管柱公接头长度即可得到有效长度，该方法易于测量、误差小。同时可记录显示编号、单根长度及总长度等管柱信息。

2 厂内试验情况

为了验证管柱检测一体机的丝扣清洗、通径检测、长度测量、喷码标记、数据显示、存储功能和实际效果，宝鸡石油机械有限责任公司在车间进行了组装和型式试验。

2.1 空载试验

此项试验目的是检验该管柱检测一体机的运行情况。试验结果表明，管柱检测一体机的倾斜机构、踢出机构、推移机构、丝扣清洗单元、通径检测单元等动作灵活、到位，运动平稳，无卡阻和冲击现象。

2.2 功能试验

此项试验目的是检验该管柱检测一体机各功能是否达到设计要求，并满足现场作业工况。试验结果表明，管柱检测一体机可实现对不同长度、不同规格直径的钻杆、钻铤及套管的丝扣清理作业，通径检测成功率达到设计要求，可实现两端循环高效作业，长度测量准确，误差在允许范围内，数据记录及存储显示准确。

2.3 最大载荷试验

此项试验目的是检验管柱检测一体机的最大工作载荷和液压缸的工作能力。现场进行了45 kN（1.5 倍最大载荷）工装管柱的试验，从倾斜机构滚入定位槽后可自动定位，踢出到下一工位的过程中无明显冲击，踢出到位，整个过程满足设计要求。

3 结论

GJ340-12H管柱检测一体机的研制使得堆场管柱的零散作业更加高效，大大降低了一线工人的劳动强度，提高了工作质量和安全性。厂内试验结果表明，管柱检测一体机结构设计合理，各项功能和性能指标符合设计要求，满足钻井作业中管柱堆场预处理的作业要求。