小修作業(yè)起下油管多功能機(jī)械手研制

耿玉廣，谷全福，王建偉，黃 樹，孫連會，王鐵鋒

(1.華北油田公司 采油工程研究院，河北 任丘 062552；2.華北油田公司 第二采油廠，河北 霸州 065709；3.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

小修作業(yè)起下油管多功能機(jī)械手研制

耿玉廣1，谷全福2，王建偉3，黃 樹2，孫連會2，王鐵鋒2

(1.華北油田公司 采油工程研究院，河北 任丘 062552；2.華北油田公司 第二采油廠，河北 霸州 065709；3.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

在油田小修作業(yè)中，70%以上的時間用于起下油管。為了降低修井作業(yè)工人的勞動強(qiáng)度，減少人工操作安全風(fēng)險，根據(jù)我國油田修井機(jī)小修作業(yè)起下油管運(yùn)動軌跡特點，研制了一種液動多功能機(jī)械手。該機(jī)械手主要由四爪機(jī)械手、自動定位機(jī)械臂和三維位移調(diào)節(jié)支座等組成，安裝在修井機(jī)尾部的井架下面，可遠(yuǎn)程控制完成對油管的抓放、扶正、推送、對中以及推拉吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡等功能，實現(xiàn)了井口無人起下油管作業(yè)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)新穎，安裝維護(hù)簡單，使用性能可靠，工作效率較高，滿足現(xiàn)場修井作業(yè)要求。

修井機(jī)；多功能機(jī)械手；起下油管；遠(yuǎn)程控制

在油田開發(fā)過程中，為保持油氣產(chǎn)量長期穩(wěn)定，進(jìn)一步挖掘油藏剩余潛力和提高采收率，修井作業(yè)工作量將越來越大。在目前的小修作業(yè)中，70%以上的時間是用來起下油管[1]；油田小修作業(yè)常年在野外進(jìn)行，流動性大，工作條件臟苦累險，存在較多安全風(fēng)險。為了降低工人勞動強(qiáng)度，提高安全操作水平，近年來遠(yuǎn)程控制起下油管代替人工站立在井口操作成為修井作業(yè)技術(shù)研究的一個主要方向。如何使待下井油管從在滑道上的橫向運(yùn)動到其被游車大鉤吊起后在井口上方的豎直運(yùn)動的變化中，順利實現(xiàn)吊卡抓放油管和油管對中等一系列動作(起油管過程相反)，成為實現(xiàn)井口無人操作起下油管的技術(shù)關(guān)鍵。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

張喜慶等[2-3]介紹了一種推管器，將起出的油管卸扣后推送到油管拉送機(jī)滑道上；中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院研制的油管扶正裝置[4]，可完成傾斜油管的扶正和對中，實現(xiàn)油管在井口與滑道之間的平穩(wěn)運(yùn)移。這2項技術(shù)可對起下油管單根進(jìn)行抓放、扶正、推送和對中，但由于采用筒式自動吊卡抓放油管，所需時間較長，起下油管施工速度較慢。

常玉連等[5]提出的油管扶正機(jī)械手，在起管時先把油管外螺紋端推送到滑道上，然后回位，當(dāng)油管接箍端即將下放到油管枕上時，吊環(huán)擺出液壓缸將自動吊卡向外推送到摘吊卡的位置，下管過程相反，機(jī)械手可扶正油管對中；為解決游車大鉤對中調(diào)節(jié)問題，提出了可調(diào)式井架底座方案[6-7]，盡管做了大量仿真研究，并研制出樣機(jī)[8-10]，但未見到實際應(yīng)用和推廣的報道；常玉連等[11]提出了機(jī)械臂式油管處理系統(tǒng)方案，由機(jī)械臂上的兩只機(jī)械手同步旋轉(zhuǎn)90°抓放油管，以井口為原點可從水平位置轉(zhuǎn)到豎直位置，實現(xiàn)油管從管排架到井口上方的直接移送(或者相反)。該方案用于不壓井修井、大修和鉆井方面的可能性較大，而在小修作業(yè)中因要求設(shè)備輕型化、易搬運(yùn)則受到制約。

中國石油華北油田公司的技術(shù)人員針對我國油田現(xiàn)有修井機(jī)小修作業(yè)時起下油管單根的運(yùn)動軌跡特點，設(shè)計了一種新型電控液動多功能機(jī)械手[12-13]，可完成對油管的抓放、扶正、推送和對中，以及推拉吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡等功能。機(jī)械手安裝在修井機(jī)尾部，可進(jìn)行空間三維位移調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制起下油管作業(yè)。

2 結(jié)構(gòu)組成

多功能機(jī)械手由前端的四爪機(jī)械手、中部的自動定位機(jī)械臂和尾部的三維位移調(diào)節(jié)支座組成。如圖1所示。

圖1 多功能機(jī)械手

2.1 四爪扶正機(jī)械手

機(jī)械手設(shè)計成四爪形狀[14]，是基于所要完成的2項任務(wù)：

1) 抓放扶正油管就位。利用機(jī)械手中間的兩爪在指定位置抓取、扶正、放開油管。即在起油管時，機(jī)械手伸出將剛剛卸扣的油管單根下端抓住后，稍提油管離開接箍，再將油管外螺紋端推送到滑道的小滑車上，然后機(jī)械手放開油管，回縮待命。在下油管時，機(jī)械手伸出，把修井機(jī)游車大鉤吊起的近乎豎直狀態(tài)的待下井油管單根下端抓住后回縮，將其外螺紋端移到井口中心位置，與井內(nèi)油管接箍端完成對中后，機(jī)械手放開油管回位，讓出空間，為液壓油管鉗上扣做好準(zhǔn)備。

2) 抓放扶正吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡。利用機(jī)械手外側(cè)的兩爪扶正、推拉吊環(huán)帶著吊卡到達(dá)指定位置，完成吊卡對油管接箍端管體的抓與放。即在起油管時，當(dāng)油管接箍端快要放到油管枕上時，機(jī)械手伸出，向外推送吊環(huán)帶著吊卡到達(dá)距離井口中心500～800 mm的位置，當(dāng)油管接箍端放至油管枕上后，遠(yuǎn)程液控打開吊卡[12-13]，油管沿著滑道后退并下放，直至滾落到管排架上；與此同時機(jī)械手回縮，扶著吊環(huán)帶著吊卡移到井內(nèi)油管接箍臺階的下面；當(dāng)管體進(jìn)入吊卡月牙內(nèi)時，遠(yuǎn)程液控關(guān)閉吊卡，機(jī)械手回位讓出空間，準(zhǔn)備起管。在下油管時，機(jī)械手伸出，推送吊環(huán)帶著吊卡到達(dá)距離井口中心500～800 mm的位置，吊卡月牙向下扣住油管接箍以下管體后，遠(yuǎn)程液控關(guān)閉吊卡，機(jī)械手回縮離開吊環(huán)，游車大鉤吊起油管。

如上所述，無論起油管還是下油管，機(jī)械手都需要伸出和回縮2次：一次抓放扶正油管就位，另一次抓放扶正吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡。即可完成對油管的抓放、扶正、移送和對中，以及推拉吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡抓放油管等多項功能，取代了人工站立在井口直接操作。

2.2 自動定位機(jī)械臂

為使機(jī)械手伸縮自如，準(zhǔn)確完成上述各項功能，設(shè)計了如圖2所示的自動定位機(jī)械臂[15]，主要由機(jī)械臂外殼、磁環(huán)、位移傳感器、伺服缸、機(jī)械臂本體、連接板及控制部分等組成。機(jī)械臂設(shè)計長度為2 m，伺服缸伸縮長度為1.6 m，安裝在修井機(jī)尾部井架下面，最大伸長超過井口1.2 m，保證使機(jī)械手把油管推送到滑道的小滑車內(nèi)，或使吊卡在離開井口中心600～900 mm的位置抓放油管。由于機(jī)械手是在水平方向推拉上端被游車大鉤吊起的油管單根外螺紋端管體，或在小范圍內(nèi)推拉吊環(huán)帶著吊卡抓放油管的接箍端管體，因此對機(jī)械臂的推拉力要求不大，經(jīng)測試300～500 N即可。

1—機(jī)械臂外殼；2—位移傳感器；3—磁環(huán)；4—伺服缸；5—機(jī)械臂本體；6—連接板；7—液壓管線；8-單路控制閥；9—雙路控制閥；10—液壓工作站；11—雙路閥傳感器；12—定位開關(guān)盒；13—電源。

機(jī)械臂自動定位功能是針對油管對中要求而設(shè)計。現(xiàn)場下油管時發(fā)現(xiàn)，機(jī)械手抓住油管移向井口中心時，由于游動系統(tǒng)的慣性作用及現(xiàn)場風(fēng)速的影響，難以一次性使上、下兩根油管準(zhǔn)確對中，經(jīng)常需要機(jī)械手進(jìn)行數(shù)次進(jìn)退調(diào)節(jié)才能達(dá)到對中要求，直接影響了施工效率。對此，在機(jī)械臂尾部安裝位移傳感器和磁環(huán)，利用電磁感應(yīng)原理解決了機(jī)械手的自動定位問題。

工作原理：機(jī)械臂就位后，首先通過雙油路控制閥改變伺服缸供油方向，調(diào)節(jié)機(jī)械手的位置到達(dá)對中點后，按下定位開關(guān)盒的鎖定按鈕，完成機(jī)械手位置鎖定，可編程邏輯控制器(PLC)記住這一預(yù)設(shè)位置。此后，機(jī)械手在機(jī)械臂的推拉下伸縮，位移傳感器不斷檢測到機(jī)械臂伺服缸當(dāng)前的位置，生成機(jī)械手的當(dāng)前位置信號并發(fā)給PLC，PLC將機(jī)械手的當(dāng)前位置與設(shè)定的對中位置進(jìn)行比較。當(dāng)機(jī)械手行進(jìn)到設(shè)定的對中點時，PLC發(fā)出指令關(guān)閉單油路控制閥，切斷伺服缸供油，機(jī)械手停止移動，從而實現(xiàn)油管的自動對中。之后，操作雙油路控制閥，雙路閥傳感器將感知信號發(fā)給PLC，PLC向單油路控制閥發(fā)出停電指令，單油路控制閥開通，為伺服缸供油，機(jī)械臂帶動機(jī)械手繼續(xù)向前或向后移動。

當(dāng)需要重新設(shè)定自動對中位置時，需要先按下定位開關(guān)盒的解鎖按鈕，通過雙油路控制閥調(diào)節(jié)機(jī)械手的位置，當(dāng)滿足對中要求后，重新按下定位開關(guān)盒的鎖定按鈕即可，這時PLC將記住新的自動對中點位置。機(jī)械臂自動定位功能不但消除了操車手怕不對中的心里負(fù)擔(dān)，而且大幅提高了施工效率。

2.3 三維調(diào)節(jié)支座

為了將機(jī)械臂安裝到井口上方合適的工作位置，實現(xiàn)上述機(jī)械手的各項功能，設(shè)計了如圖3所示的三維位移調(diào)節(jié)支座[16]，主要由垂向(y向)支撐筒和縱向(x向)支座2部分組成。支撐筒由外支撐筒、內(nèi)支撐筒、升降液壓缸、鉗形鎖緊機(jī)構(gòu)、鎖緊液壓缸等組成。

1—鎖緊液壓缸；2—鉗形鎖緊機(jī)構(gòu)；3—連接板；4—軸銷；5—升降液壓缸；6—內(nèi)支撐筒；7—外支撐筒；8—燕尾槽滑動板；9—燕尾導(dǎo)軌；10—平面底座；11—位移絲杠；12—位移螺母；13—絲杠齒輪；14—液壓馬達(dá)；15—變速齒輪；16—液壓管線。

內(nèi)支撐筒頂端與機(jī)械臂下面的連接板固定在一起，當(dāng)松開內(nèi)支撐筒與外支撐筒的鉗形鎖緊機(jī)構(gòu)時，可在機(jī)械臂軸線所在水平面上橫向(z向)擺動，左右調(diào)節(jié)機(jī)械手的位置，使機(jī)械臂—機(jī)械手的軸心線與井口油管對中點的垂線相交，保證機(jī)械手在進(jìn)退過程中恰好經(jīng)過井口油管對中點時暫停，使待下井油管恰好落入井內(nèi)油管接箍的內(nèi)螺紋中，為上扣做好準(zhǔn)備。

在內(nèi)支撐筒的內(nèi)部裝有一只升降液壓缸，可在一定范圍內(nèi)通過垂直(y向)調(diào)節(jié)內(nèi)支撐筒的高度來調(diào)節(jié)機(jī)械臂的高低，使機(jī)械臂前端的機(jī)械手處于井口上方合適的高度，以便順利完成對起下油管單根的扶正、推送以及轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡等功能。

為保證機(jī)械手的定位精度滿足對中要求，將支座的水平方向前后移動(x向)通過馬達(dá)—絲杠—燕尾槽機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。該機(jī)構(gòu)主要包括燕尾導(dǎo)軌、燕尾槽滑動板、位移絲杠、變速齒輪和液壓馬達(dá)等部件。工作時，液壓馬驅(qū)動變速齒輪、位移絲杠轉(zhuǎn)動，拖動燕尾槽滑動板沿著燕尾導(dǎo)軌作前后移動。

多功能機(jī)械手的三維位移調(diào)節(jié)，通過手動多路換向閥來完成。扳動該閥第1操作柄，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動，依次驅(qū)動變速齒輪和位移絲杠轉(zhuǎn)動，帶動燕尾槽滑動板在燕尾導(dǎo)軌上前后移動，位于支座上面的支撐筒和機(jī)械臂隨之移動，直到把機(jī)械手調(diào)節(jié)到所需位置。這時，將第1操作柄置于中位，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動，機(jī)械手的x向調(diào)節(jié)完畢。扳動手動換向閥第2操作柄，液壓油驅(qū)動內(nèi)筒升降液壓缸，使機(jī)械臂作上下調(diào)節(jié)，達(dá)到要求后，第2操作柄置于中位，液壓缸停止伸縮，機(jī)械手在y向的位移調(diào)節(jié)完畢。扳動手動換向閥第3操作柄，內(nèi)、外支撐筒鎖緊液壓缸松開鉗形鎖緊機(jī)構(gòu)，以內(nèi)支撐筒軸心為原點，機(jī)械手隨機(jī)械臂可左右擺動，實現(xiàn)機(jī)械手的z向位移調(diào)節(jié)。完成后，重新驅(qū)動鎖緊液壓缸鎖緊內(nèi)、外支撐筒。

多功能機(jī)械手的三維位移調(diào)節(jié)，是在修井機(jī)就位后根據(jù)井口高低、游車大鉤與井口的對中情況進(jìn)行的，因此是對機(jī)械手空間位置的微調(diào)。這項工作完成后，還要進(jìn)行機(jī)械手的自動對中定位調(diào)節(jié)。而且在起下油管過程中，隨著油管載荷的變化，井架基礎(chǔ)、井口高度有時會上下起伏、晃動，導(dǎo)致游車大鉤與井口的對中產(chǎn)生偏差，原來設(shè)定的機(jī)械手抓住油管對中位置需要重新調(diào)節(jié)并由PLC記憶。但這項調(diào)節(jié)工作并非反復(fù)進(jìn)行，在一次施工中有時需要調(diào)節(jié)1～2次，有時則不需要調(diào)節(jié)。

多功能機(jī)械手的支座用螺栓固定在修井機(jī)尾部井架下面的平臺上，為增強(qiáng)穩(wěn)定性，往往在其下面增加橫梁支撐。支座液壓馬達(dá)、支撐筒內(nèi)筒升降液壓缸、內(nèi)外筒鎖緊液壓缸與多路換向控制閥和液壓站之間，通過變絲和固定的液壓管線連接起來，成為一個獨立的液壓驅(qū)動單元。搬家前，機(jī)械臂帶動機(jī)械手回縮，搬家時隨車運(yùn)輸，所有部件不必拆裝。

3 工作流程

以下油管為例，多功能機(jī)械手輔助下油管過程如圖4所示。

1) 修井機(jī)游車大鉤下行，當(dāng)液動吊卡低于機(jī)械手高度時，伸出的機(jī)械手外側(cè)兩爪開始扶正并向外推送兩側(cè)吊環(huán)。此時吊環(huán)、吊卡繼續(xù)下行，當(dāng)?shù)蹩ㄏ虏坑|及滑道上油管接箍臺階以下管體時，利用吊環(huán)與吊卡之間的柔性連接關(guān)系，吊卡月牙口下緣支在油管上，自動向內(nèi)(朝井口方向)翻轉(zhuǎn)，使吊卡月牙扣住油管(如圖2a)。此后遠(yuǎn)程控制關(guān)閉吊卡，機(jī)械手回縮，準(zhǔn)備拉起油管。

2) 當(dāng)游車大鉤吊起油管的外螺紋端即將到達(dá)滑道前端(靠近井口端)時(如圖2b)，機(jī)械手再次伸出，中間的兩爪迅速抓住油管，然后回縮。當(dāng)油管外螺紋端到達(dá)井口中心對中點時，自動停止移動，與井內(nèi)鎖定油管接箍對中(如圖2c)。接著機(jī)械手回位，讓出空間。

3) 遠(yuǎn)程控制液壓鉗就位，完成上扣[17]，然后液壓鉗回位，讓出空間。

4) 稍提油管，打開氣動卡盤。然后，游車大鉤下放油管，當(dāng)油管接箍到達(dá)液壓鉗上扣高度時，停止下管，關(guān)閉氣動卡盤，鎖定油管(如圖2d)。

至此，1根油管下井完畢?；氐缴鲜霾襟E1)繼續(xù)進(jìn)行，即可下入下1根油管。循環(huán)往復(fù)，可將管排架上的油管一根根下入井內(nèi)。起油管的過程與下油管過程相反，不再贅述。

a 機(jī)械手推拉吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡

b 機(jī)械手伸出抓住油管

c 機(jī)械手回縮，完成油管對中后回位

d 油管上扣后，游車大鉤下放油管

4 現(xiàn)場應(yīng)用

多功能機(jī)械手作為2014年度中國石油集團(tuán)公司自主創(chuàng)新重要產(chǎn)品“修井作業(yè)雙人操控起下油管裝置”的一個重要組成部分，已在華北油田注水井檢管、油井檢泵和封井等小修作業(yè)中應(yīng)用50余井次，應(yīng)用情況表明：①機(jī)械手抓放、扶正、移送、對中油管，以及推拉吊環(huán)帶著吊卡抓放油管等，動作平穩(wěn)可靠，平均起下油管速度為49根/h，最快達(dá)到60根/h，與人工操作水平相當(dāng)；②遠(yuǎn)程控制機(jī)械手代替人工操作，減輕了工人勞動強(qiáng)度，削減了過去作業(yè)工人站在井口操作時直接面對的磕碰夾擠、高空落物、井液噴濺等各種不安全隱患，從而提高了施工的安全性；③機(jī)械手可維護(hù)性好，只要定期保養(yǎng)、更換易損件，即可保持機(jī)械手正常工作；④搬家時機(jī)械臂回縮，機(jī)械手、機(jī)械臂、支座及液壓管線隨修井機(jī)運(yùn)走，不必拆裝，也無需增加搬家車輛；⑤工作時，多功能機(jī)械手的液壓、電源依托修井機(jī)上的液壓站和直流發(fā)電機(jī)提供，不需額外增加新設(shè)備投資，也不增加作業(yè)成本。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)有修井機(jī)起下油管的運(yùn)動軌跡特點研制的多功能機(jī)械手，在遠(yuǎn)程控制下實現(xiàn)了起下油管單根在井口與滑道之間移運(yùn)時的抓放、扶正、移送、對中，以及通過移動吊環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)吊卡抓放油管等功能，代替了人工作業(yè)，既減輕了工人勞動強(qiáng)度，又提高了修井作業(yè)的安全性。

2) 該機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，安裝、使用、維護(hù)簡便，工作效率較高，滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

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Multifunctional Manipulator of Pulling and Running Tubing String for Workover

GENG Yuguang1，GU Quanfu2，WANG Jianwei3HUANG Shu2，SUN Lianhui2，WANG Tiefeng2

(1.Petroleum Production Engineering Research Institute，Huabei Oilfield Company，PetroChina，Renqiu 062552，China；2.TheSecondOilProductionFactory，HuabeiOilfieldCompany，PetroChina，Bazhou065709，China；3.HebeiNorthChinaPetroleumMachineryManufacturingCo.，Ltd.，Renqiu062552，China)

There is more than 70% of the workload for pulling and running tubing string in oilfield well workover.In order to reduce the labor intensity of workers and manual operation safety risk in repairing well operation，a hydraulic multifunctional manipulator，mainly including 4 claw manipulators，automatic positioning of the mechanical arm and three-dimensional displacement adjustment base and so on，is developed according to the characteristics of tubing movement by workover rig in our country.The manipulator installed beneath the derrick tail of workover rig.It can catch，release，right，push，center tubing，and transfer the elevator by pushing and pulling rings relying on workover rig’s hydraulic and power by a worker remote control.So，the wellhead unmanned tubing operation is realized.The field application shows that the manipulator has the advantages of novel structure，simple installation and maintenance，reliable performance and high working efficiency which meets the requirements of the workover operation.

workover rig；multifunctional manipulator；pulling and running tubing string；remote control

1001-3482(2016)12-0066-05

2016-06-06

中國石油華北油田公司科研項目“修井作業(yè)配套工藝技術(shù)研究”(2015-HB-Z01)

耿玉廣(1960-)，男，山東青州人，教授級高級工程師，博士，主要從事采油(氣)工程技術(shù)研究工作，E-mail：cyy_gengyg@petrochina.com.cn。

TE935

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.018