液壓動力鉗自動化升級研究及應(yīng)用

胡穎， 焦偉剛

（三一集團(tuán)有限公司湖南分公司，長沙410007）

0 引 言

修井中，上、卸油管是操作工較為繁重的工作。盡管油田現(xiàn)已采用液壓動力鉗替代過去的管鉗或鏈鉗扳手。但是仍然需要井口操作工對液壓動力鉗進(jìn)行持續(xù)的推、送，上、卸扣，高、低擋切換，對U形缺口等，勞動強(qiáng)度非常大，且存在夾手等風(fēng)險(xiǎn)[1]。所以，最安全、穩(wěn)妥的解決方法是將操作工徹底從上、卸油管工作中解放出來，遠(yuǎn)離液壓動力鉗進(jìn)行遙控遠(yuǎn)程操作。通過增加動力鉗驅(qū)動調(diào)整機(jī)構(gòu)，改進(jìn)動力鉗控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，增加動力鉗位置、高度檢測，最終將所有動作納入控制體系，通過無線遙控器即可對動力鉗所有動作進(jìn)行控制[2-6]。本文以油田小修常用XQ89-3Y型液壓動力鉗為例，闡述其自動化升級的具體方法及使用效果。

1 液壓動力鉗常規(guī)操作

目前常規(guī)的油田小修作業(yè)，井口操作工手動操作液壓動力鉗對油管進(jìn)行上、卸扣，如圖1所示。操作工手動推扶液壓動力鉗實(shí)現(xiàn)其往返于簡易平臺和井口中心之間，頻繁切換上、卸扣及高、低檔手柄，手動對準(zhǔn)U形缺口以便退出動力鉗。該過程中，操作工多次反復(fù)執(zhí)行該系列動作，勞動強(qiáng)度大，易疲勞，同時還存在作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。且長期的井口作業(yè)，井場的有害、有毒礦物質(zhì)、油污等也會對操作工造成傷害。

2 液壓動力鉗自動化升級

2.1 總體概述

為了徹底解放井口操作工，實(shí)現(xiàn)液壓動力鉗自動化升級，主要從以下內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)。參考圖2，通過在井口的工作平臺上設(shè)置固定的兩根導(dǎo)軌，液壓動力鉗安裝于門形架內(nèi)，門形架帶動液壓動力鉗在導(dǎo)軌中進(jìn)行前后移動，且能準(zhǔn)確地停止在設(shè)定位置上。通過提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動力鉗升降、浮動及微調(diào)等動作，同時也能實(shí)現(xiàn)動力鉗的左右移動。最后對液壓動力鉗本體進(jìn)行升級，采用電磁閥控制上、卸扣馬達(dá)、換擋油缸來實(shí)現(xiàn)自動旋扣及高、低擋切換，通過在液壓動力鉗本體上安裝傳感器實(shí)現(xiàn)自動對齊U形缺口，下文詳細(xì)介紹各部分升級內(nèi)容[7-10]。

圖1 手動操作液壓動力鉗

2.2 門型架

參考圖1以往的操作模式，液壓動力鉗懸掛在懸吊筒下端，井口操作工將其扶至油管接箍位置進(jìn)行上、卸扣。為了完美地模擬人工扶動力鉗的動作，如圖2所示，將動力鉗固定在提升機(jī)構(gòu)上，裝配到移動的門形架中。該門形架通過油缸或馬達(dá)驅(qū)動使其實(shí)現(xiàn)前后的移動，從而實(shí)現(xiàn)液壓動力鉗的前后移動。同時，門形架能通過圖2中導(dǎo)軌上安裝的感應(yīng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)多個位置任意定位，且可實(shí)現(xiàn)提前減速，避免門形架到位沖擊。門形架集成防噴接污功能，當(dāng)油管卸扣完成后，門形架內(nèi)部防噴接污機(jī)構(gòu)包住油管，待司鉆操作工將油管中的污水、油排出后，防噴接污機(jī)構(gòu)打開，門形架完成了防噴接污功能。

2.3 提升機(jī)構(gòu)

常規(guī)人工作業(yè)時，液壓動力鉗通過小絞車鋼絲繩懸掛在懸吊筒下方，懸吊筒內(nèi)部設(shè)置兩個緩沖彈簧，當(dāng)動力鉗對油管上扣時能通過彈簧壓縮來適應(yīng)上、下兩根油管之間距離的減小。而當(dāng)動力鉗對油管卸扣時同樣也能通過鋼絲繩的柔性特點(diǎn)來適應(yīng)上、下兩根油管之間距離的增加。所以提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可得到懸吊筒+鋼絲繩的效果，本文闡述了兩種實(shí)現(xiàn)方案如下。

方案1：采用常規(guī)吊主鉗方式。如圖3所示，剛性懸吊桿連接在動力鉗的主鉗吊點(diǎn)上，類似上文中人工操作懸吊方式。提升機(jī)構(gòu)由升降油缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)動力鉗的上升和下降。在上、卸扣時，如圖3所示，旋扣馬達(dá)啟動，其油路到達(dá)浮動開啟閥，使得升降油缸中有桿腔和無桿腔連通，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)浮動，上扣時動力鉗往下浮動，卸扣時往上浮動。

同時提升機(jī)構(gòu)可通過電動機(jī)或馬達(dá)驅(qū)動絲杠螺母或蝸輪蝸桿的形式來實(shí)現(xiàn)動力鉗左右方向的自動調(diào)整。

通過以上方式，可實(shí)現(xiàn)動力鉗前后左右自動調(diào)整，同時通過傳感器檢測和控制來確定動力鉗的具體位置，就能準(zhǔn)確地將動力鉗定位至井口中心，且能控制所需高度以適應(yīng)油管接箍位置。以上方案在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，動力鉗定位精度控制在2 mm以內(nèi)。

方案2：采用吊背鉗方式。如圖4所示，液壓動力鉗由一套懸掛機(jī)構(gòu)固定在背鉗上，懸掛機(jī)構(gòu)通過上下兩個彈簧將動力鉗的主鉗和背鉗連接，從而使得主鉗相對背鉗能進(jìn)行一定范圍內(nèi)被動上升或下降，所以液壓動力鉗就具備了向上或向下一定距離的浮動，在上、卸扣油管時就能補(bǔ)償主鉗和背鉗之間的距離變化。同時懸掛機(jī)構(gòu)通過球頭軸承連接到提升機(jī)構(gòu)橫梁上，在旋扣過程中具備釋放旋轉(zhuǎn)力矩能力，避免損壞動力鉗。同時該方案通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)浮動，更為安全可靠，成本更占優(yōu)勢。

以上兩種方案在實(shí)際應(yīng)用中都得到了驗(yàn)證，皆能很好地實(shí)現(xiàn)動力鉗上、下自動調(diào)整。

2.4 動力鉗本體自動化升級

液壓動力鉗本體自動化升級是關(guān)鍵技術(shù)，需實(shí)現(xiàn)自動旋扣，高、低擋切換及自動對U形缺口功能。

常規(guī)液壓動力鉗上、卸扣及高低擋切換是通過井口操作工切換手柄來進(jìn)行操作。如圖5所示，操作動力鉗后部馬達(dá)手動換向閥手柄來實(shí)現(xiàn)上扣和卸扣動作之間的切換。通過側(cè)面快、慢檔切換手柄操作來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部撥叉環(huán)上下滑動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同齒輪嚙合，達(dá)到不同速比最終實(shí)現(xiàn)高、低擋切換。

而實(shí)現(xiàn)自動上、卸扣需將手動操作模式升級為自動控制模式。如圖6所示，通過電磁換向閥控制馬達(dá)正、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)動力鉗上、卸扣。通過電磁換向閥控制高、低擋切換油缸實(shí)現(xiàn)高、低擋切換自動化。并且為了解決液壓動力鉗工作過程中切換高、低擋存在掛檔不暢問題，在高、低擋切換油缸安裝方式上應(yīng)用一個柔性緩沖機(jī)構(gòu)，并且控制系統(tǒng)給出高、低擋切換脈沖信號，避免出現(xiàn)高、低擋切換不到位，掛擋不暢。

液壓動力鉗在上、卸扣完成后需要將鉗體的U形缺口對正以便將油管鉗從油管中退出。常規(guī)人工作業(yè)模式依靠現(xiàn)場操作工經(jīng)驗(yàn)手法對好該缺口，此時需正、反切換幾次才能對準(zhǔn)缺口。為了實(shí)現(xiàn)自動對缺口功能，如圖7所示，動力鉗主鉗增加一套感應(yīng)系統(tǒng)，兩個接近開關(guān)配合一個寬度合適的感應(yīng)塊。上扣時，感應(yīng)塊隨主鉗順時針旋轉(zhuǎn)，上扣完成后，按下停止鍵，主鉗逆時針反向旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)U形缺口，這時感應(yīng)塊滑過接近開關(guān)1開始減速，滑至接近開關(guān)2停止，通過調(diào)整接近開關(guān)2的位置能精確定位上扣時對準(zhǔn)U形缺口的位置。而當(dāng)卸扣時，感應(yīng)塊逆時針旋轉(zhuǎn)，卸扣完成后，主鉗繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)塊同樣在接近開關(guān)1減速，在接近開關(guān)2停止。以上可實(shí)現(xiàn)動力鉗準(zhǔn)確對正U形缺口，同時能記錄上、卸扣圈數(shù)。

圖6 高低擋及旋扣切換原理

圖7 移動液壓鉗自動對缺口原理

3 結(jié) 論

綜上所述，在液壓動力鉗前、后、左、右移動和微調(diào)及鉗體自身上、卸扣和高、低擋切換、對正U形缺口等自動化升級后，真正實(shí)現(xiàn)了井口無需人員進(jìn)行液壓動力鉗操作，只需在司鉆室或井口附近遙控操作即可實(shí)現(xiàn)。為油田井口實(shí)現(xiàn)自動化、智能化、無人化的目標(biāo)提供有力的支撐。