现阶段，我国在机械自动化方面的研究取得了巨大进步，在石油领域中，对钻机自动化行业起到推动作用，其主体配置可以与国际水平相媲美，然而钻机外围配置相对发达国家还是处于1960-1979年的水准，具有劳动大、系数高的特征。由此，需要加大对石油钻机外围的研究力度，提升解决问题的能力，促使钻机整体能够跟得上时代发展，其中自动化猫道技术对石油钻机工作效果具有一定的促进作用，能够有效的提升其工作效率，进而加强石油钻机工作的自动化水平，增强安全性，因此本文对石油钻机自动化猫道优化设计策略进行详细探讨，具有一定的现实性研究意义。
1.石油钻机自动化猫道运行原理
针对石油钻机在进行钻井作业期间的钻具排放以及上钻台、下钻台的操作原理进行分析，然后根据当前国内外对自动化猫道研发现状，从上钻台、下钻具两方面来对自动化猫道运行原理进行总结和探讨。其一，上钻台运行原理，若运行所处条件为低位情况下，猫道主体中云梁所处位置为相对水平状态，对于钻杆排放架支脚液钢伸出来后，促使排放架其中一端处于升起状态，然后钻具就会借助本身具有头的重力，朝向排放架斜面方向的猫道主体进行滚动，在滚动过程中，若滚动至排放架限位销所处位置后就会处于卡住状态，这时候可伸出钻具相近一侧的拔板液钢，以此来促使拔板处于顶起状态，这时与限位销相近的钻具也随之被抬起来，在这种情况，若钻具上升高度比限位销高度大的情况下，钻具就会顺延拔板斜面方向进行滚动运行，逐步运动至云梁凹槽所处位置，与此同时安全销气缸中的安全销也会因此压出来，主液钢处于伸出状态，将前方支架推起来，促使主梁不断上升至一定位置，通过以上，主系统中双向液压马达因此进入正式运转状态，驱动链轮进行相应的运动，促使小车推动钻具朝向井口方向行驶，吊卡在钻具顶端位置处于卡住状态，这时候即完成钻具上钻台这一运行过程。其二，下钻具运行原理，在进行钻具下放作业时，首先要做的就是借助吊卡促使钻具底部位于云梁处，然后小车与钻具底部两者之间进行接触，通过小车在其中的引导作用，促使钻具随着小车引导进行滑移运动，逐步进入云梁凹槽中，与此同时安全销也会随之处于伸出状态[1]。收回主液钢这时候安全销就会被收回，推杆液钢就会因此启动正式开展相应工作，在运行过程中，先将钻具推到云梁凹槽中，促使猫道主体上拔板液钢处于运行状态，然后将猫道中的钻具推出至钻杆排放架，通过以上即完成猫道下钻具这一运行过程。
2.石油钻机自动化猫道优化设计策略
(1)端部液压缸优化设计假设活塞杆伸出时推力为F：则F=Ap*106=π/4D2p*106在上述式子中，A、p、D分别指的是活塞杆测有效面积(单位：m2)、工作压力(单位：MPa)、活塞杆直径(单位：m)。通过上述式子能够明显看出，推力大小取决于工作压力和活塞杆直径。若加大推力，就得通过提升液压系统额定工作压力的方式来实现，也可通过加大活塞杆直径来实现。其一，通过提升系统压力的方式来进行整个液压系统压力设计，需要用到的设计成本、制造成本等随之增加，因此这种方式不可行。其二，通过改变液压缸直径的方式来进行设计优化，从理论上来讲，这种优化方式具有实施可行性，但要想进一步加大液压缸的直径，只能根据最大钻具开展相应的重量计算。简单来讲，若钻具相对比较少，或为“3-1/2”钻杆或比上述更小的钻杆情况下，就会使得液压缸在其中的体积过大，这种情况下就会导致能源资源消耗量增加，与此同时，需要用到的改造成本也有一定的增加，因此上述改造不适用于当前市场发展形势。其三，因无法查询到端部液压缸其他更多详细数据参数信息，因此也就无法切实获取到具体推力大小[2]。但在实际应用中，不论井深设计结果，将各种类型钻具排满为一层状态下，液压缸也就呈伸出状态，很明显，相关厂家在进行设计时，只将这一层钻具排放考虑其中，而没有将更多的钻具排放考虑其中。根据上述，对于端部液压缸的优化方案可这样进行设计：将液压缸以独立状态使用，运用销轴将管排架与液压缸连接起来，然后将带孔可插入式装置安装在上部位置，若管排架排满三层之后，只要顶起顶层钻具，对于下部两侧不需要与液压缸进行连接，同时液压缸也不需要承受下补两层钻具带来的重量压力。通过上述优化方案，能够实现不对液压系统压力、液压缸直径、液压缸行程进行改变，就可以实现起升的运行目的。对于端部液压缸的优化设计，应将液压缸和管排架两者分隔开，使其各自成为单位机构状态，并对其进行起升护罩，将其与液压缸通过销轴两者进行连接。对于起升护罩的设计，主要是由数量为三块的钢板进行焊接组合而成的，其侧面设挡片孔，一般为三个，主要作用是插入挡片，对于第一层挡片孔下方应预留一定的液压缸起升所需要的行程距离，其目的在于避免因护罩在进行起升运行时，发生和管排架连接部位之间的冲突情况[3]。在进行挡片设置时，应采用两个销轴对其两端进行固定处理，其目的是避免挡片出现移动。对于液压缸的设计，其原本的管线不需要进行改变，只要将原本的液压缸管线连接方式改为快插式连接方式即可。其工作原理具体如下，若管排架排放钻具层数为三层情况下，通过销轴就会将其中的液压缸和起升护罩两这边进行连接，然后管排架的端部位置就会插入护罩，这时候就可以确定液压缸位置。当进行第三层(也就是顶层)的挡片插入时，即可固定销轴位置，与液压管线进行连接，液压缸处于起升运行状态下，液压缸就会将护罩顶起来，然后通过顶层挡片并将该层钻具抬升起来，使其滚入V型槽中。因原本设定好的安全距离，护罩在顶层插入处进行上下移动过程中，二层与管排架端部插入在护罩内的部分处于不动状态，完成顶层钻具接完后，再将挡片插至第二层挡片孔中，通过以上顺序类推进行。(2)安全销及踢出机构优化设计对于安全销在猫道中应用作用主要有以下几方面：其一，有效避免钻具从V型槽中滚出来[4];其二，在接收钻具过程中，有效避免其他钻具滚都V型槽中。对于踢出机构在猫道中应用作用主要在于帮助钻具，将其推出V型槽。在进行实际操作过程中，其中比较频繁的操作就是安全销，因此这就需要对安全销进行相应的优化设计。基于以上，对于安全销及踢出机构的优化设计，可通过将安全销和踢出机构共同处于送钻柱装置中，促使两者合并使用，在使用过程中能够将各自的应用作用发挥出来。以接钻具作为案例来进行分析，当钻具处于启动状态下，其端部位置的液压缸会逐步进行起升运行，这时候钻具就会滚进猫道中，外倾斜机构中的油缸也会随之处于伸出状态，钻具逐步朝向翻转机构进行靠近。在运行过程中，当翻转机构液钢处于伸出状态下，第一根钻杆就会滚入其中，这时候翻转杆尾部位置就会处于钻杆状态，这主要在于翻转机构中存在斜坡，因此只能进入一根钻杆。当翻转机构油缸处于缩回状态下，第一根钻杆就会随之滚入V形槽中，同时钻杆也会被翻转杆尾部挡住锁死[5]。在进行接甩钻具过程中，翻转机构就会处于伸出状态，然后钻杆也会被其推至V型槽中，同时内倾斜油缸也会随之伸出，这时候钻杆就会推至管排架上方。
3.总结
综上所述，将自动化动力猫道应用于石油钻机作业中，能够很好的解决当前我国钻机作业中存在的安全性低、工作效率低以及劳动强度大的缺陷问题，能够实现降低需要投入的劳动强度，有利于提升整个钻井作业的工作效率，能够更安全的开展作业。随着当前我国石油钻井技术的不断研发和创新，对其中钻机的自动化程度要求也会随之提升，当前我国现有的大型钻机中自动化猫道还处于试验阶段，没有投入大范围使用中，因此加大对石油钻机中自动化猫道的研发具有一定的意义。
参考文献
[1]孔永超,张鹏飞,于兴军,等.一种拉升式动力猫道控制系统的研制[J].石油机械,2019,v.47;No.480(02):18-22.
[2]赵辉,杨林波,闫翀,等.石油钻机自动化技术的问题和建议分析[J].石化技术,2019,26(008):132-132,134.
[3]周远宏.石油钻机自动化技术的研究[J].石化技术,2020,v.27(05):136+370.
[4]刘宇,张兴莲,聂永晋.浅谈国内石油钻机自动化技术现状及建议[J].中国设备工程,2019,000(014):192-193.
[5]杨双业,张鹏飞,王飞,等.新型自动化技术在钻机及钻井中的应用展望[J].石油机械,2019,047(005):9-16.
作者：李世伟 于芬 夏正廷 钱隆 顾生琴
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