斜直井修井機(jī)抓管裝置設(shè)計(jì)與分析

郭建東，郭登明，王斌虎，關(guān)文韜

(1.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023； 2.新疆油田公司 物資管理部，新疆 克拉瑪依 834000；3.長(zhǎng)慶油田分公司 第九采油廠，銀川 750001)

在我國(guó)各油田每年進(jìn)行的 10萬(wàn)多次各類修井作業(yè)中，小修作業(yè)占60%以上，直井作業(yè)占絕大多數(shù)，也有一部分為淺層斜直井作業(yè)，例如河南油田、新疆油田的淺層稠油開(kāi)采等。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)斜直井修井機(jī)技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，且不能滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求的現(xiàn)狀，筆者研發(fā)了一種用于淺層斜直井作業(yè)的新型全液壓斜直井修井機(jī)。其主體結(jié)構(gòu)為撬裝結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、井架及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底座、對(duì)中系統(tǒng)、上卸扣系統(tǒng)、油管移運(yùn)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電控及操作系統(tǒng)組成。該斜直井修井機(jī)的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠、作業(yè)效率高，可一個(gè)人進(jìn)行作業(yè)操作。油管移運(yùn)系統(tǒng)是斜直井修井機(jī)重要構(gòu)件之一，油管移運(yùn)系統(tǒng)是否能正常高效的工作，關(guān)乎到整個(gè)斜直井修井機(jī)的作業(yè)效率。抓管機(jī)是油管移運(yùn)系統(tǒng)的核心部件，大幅提高了機(jī)械化水平，并使作業(yè)的可靠性更高，過(guò)程更加精確與快速。本文介紹了抓管機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理，建立了抓管機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程，并對(duì)液壓抓管鉗進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1 抓管裝置結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)

斜直井修井機(jī)抓管機(jī)主要由主臂、副臂、液壓抓管鉗、擺臂、連接桿、微調(diào)裝置、拍管裝置、固定裝置及液壓缸等組成，如圖1所示。其中，抓管臂分為主臂和副臂，主臂上的固定裝置連接副臂，構(gòu)成了四連桿機(jī)構(gòu)。利用微調(diào)裝置進(jìn)行微調(diào)，彌補(bǔ)抓管過(guò)程中的工作誤差。主臂由舉升液壓缸提供動(dòng)力，將整個(gè)抓管裝置舉升起來(lái)，進(jìn)行抓管作業(yè)。副臂上裝有拍管裝置、定位裝置、擺臂及擺動(dòng)液壓缸。液壓抓管鉗安裝在箱體內(nèi)，箱體通過(guò)軸與擺臂連接，可隨重力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。

1—抓管主臂；2—抓管副臂；3—拍管裝置;4—定位裝置；5—擺臂；6—連接桿；7—箱體；8—油管；9—液壓抓管鉗；10—擺動(dòng)液壓缸；11—微調(diào)裝置；12—固定裝置；13—拍管液壓缸；14—舉升液壓缸。

1.2 工作原理

抓管裝置安裝在斜直井修井機(jī)底座的后端，與支架共用1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在起管作業(yè)時(shí)，主臂通過(guò)舉升液壓缸驅(qū)動(dòng)，由水平位置旋轉(zhuǎn)45～60°至工作位置。在主臂旋轉(zhuǎn)舉升的過(guò)程中，擺臂也同時(shí)由擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)至垂直于副臂的位置。在液壓抓管鉗接觸并支撐油管后，首先由閉口液壓鉗通過(guò)沖扣、卸扣等一系列操作，將井口的油管與井下的油管柱脫扣；然后，液壓抓管鉗夾緊井口油管，游吊卡上移并脫離井口油管；最后，主臂通過(guò)舉升液壓缸驅(qū)動(dòng)回到水平位置，同時(shí)擺臂也由垂直位置旋轉(zhuǎn)至傾斜位置(以降低油管的高度)。在整個(gè)抓管機(jī)的工作過(guò)程中，通過(guò)舉升液壓缸與擺動(dòng)液壓缸的配合作用，使2個(gè)液壓抓管鉗的中心線始終與副臂保持平行狀態(tài)，以保證油管在抓取和輸送過(guò)程中不會(huì)發(fā)生與副臂的碰撞。在下油管作業(yè)時(shí)，油管首先通過(guò)管架系統(tǒng)的輸送機(jī)構(gòu)移至液壓抓管鉗上；其次，由拍管裝置(由拍管液壓缸驅(qū)動(dòng))拍動(dòng)油管，使油管調(diào)整至適當(dāng)位置，以保證油管輸送至預(yù)定位置時(shí)，既不與上端的游吊卡相撞，也不與下端的閉口液壓鉗相撞；然后拍管裝置復(fù)位，液壓抓管鉗夾緊油管，由抓管機(jī)將油管輸送到預(yù)定位置；最后游吊卡下移一套入油管并夾緊，液壓抓管鉗松開(kāi)，油管下移對(duì)中后由閉口液壓鉗上扣并擰緊，抓管機(jī)下放至水平位置。在整個(gè)起管和下管作業(yè)過(guò)程中，全部采用液控驅(qū)動(dòng)，大幅提高了油管移運(yùn)的可靠性和效率。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

抓管裝置最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度

60°±2°

擺臂最大旋轉(zhuǎn)角度

66.65°

擺臂最大擺動(dòng)距離

1 350 mm

兩擺臂間的安裝距離

4 000 mm

油管中心距副臂的最大高度

1 484 mm

適應(yīng)油管外徑

?60.5、?73.0、?88.9 mm

抓管鉗夾緊力

6 kN

抓管鉗適應(yīng)油管質(zhì)量

90～150 kg

2 抓管裝置運(yùn)動(dòng)分析

2.1 主臂運(yùn)動(dòng)分析

為了對(duì)主臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，首先要建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，且運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所有構(gòu)件群在一個(gè)平面，所以該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為以機(jī)械臂鉸鏈為中心的平面系統(tǒng)。A點(diǎn)為舉升液壓缸在作業(yè)平臺(tái)上的支點(diǎn)；B點(diǎn)為抓管裝置在平臺(tái)上后支座的支點(diǎn)；C點(diǎn)為舉升液壓缸的液壓桿與主臂的連接點(diǎn)；C1點(diǎn)為舉升液壓缸將主臂舉升至工作位置時(shí)液壓桿與主臂的連接點(diǎn)。L1是A點(diǎn)到B點(diǎn)的垂直距離；L2是A點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離；L3是BC之間的距離。φ1為舉升液壓缸活塞桿的旋轉(zhuǎn)角度；φ2為主臂的旋轉(zhuǎn)角度;θ為AB與BC的夾角。如圖2所示。

圖2 主臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型

根據(jù)斜直井修井機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，起下管柱速度不小于30 根/h，結(jié)合修井機(jī)作業(yè)流程推算主臂從水平位置舉升至工作位置的時(shí)間t1不超過(guò)10 s。假定舉升液壓缸活塞桿的速度為v1。將活塞桿的運(yùn)動(dòng)矢量向x軸、y軸分別投影，可得矢量方程解析式。

(1)

將式(1)中對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)，可得到一階運(yùn)動(dòng)微分方程，即主臂與舉升液壓缸速度分析的關(guān)系式為：

(2)

(3)

將式(3)中對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)，可得到一階運(yùn)動(dòng)微分方程，即主臂與舉升液壓缸的速度分析關(guān)系式為：

(4)

式中：s1為舉升液壓缸活塞桿的伸出距離，m；w1為舉升液壓缸的角速度，s-1；w2為主臂的角速度，s-1。

此時(shí)舉升液壓缸缸筒沒(méi)有活塞桿的一端進(jìn)油時(shí)，即無(wú)桿腔進(jìn)油，有活塞桿的一端回油，活塞桿從缸筒內(nèi)伸出，以保證舉升過(guò)程中推力足夠。

舉升液壓缸活塞桿伸出時(shí)推力為：

(5)

進(jìn)入舉升液壓缸的液體流量為：

(6)

2.2 擺臂運(yùn)動(dòng)分析

在擺臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，對(duì)單個(gè)擺臂(前臂)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。E點(diǎn)為液壓缸在抓管副臂上的支點(diǎn)；F點(diǎn)為擺臂在抓管副臂上的支點(diǎn)；G點(diǎn)為擺臂處于傾斜位置時(shí)液壓桿在擺臂上的支點(diǎn)；G1點(diǎn)為擺臂垂直位置時(shí)液壓桿在擺臂上的支點(diǎn)；D點(diǎn)為擺臂處于傾斜位置時(shí)的頂點(diǎn)；D1為擺臂處于垂直位置時(shí)的頂點(diǎn)。當(dāng)抓管裝置開(kāi)始工作時(shí)，擺臂處于傾斜位置，依靠在斜撐上，L5是E點(diǎn)到F點(diǎn)的水平距離；L6是F點(diǎn)到G點(diǎn)的距離；L7是E點(diǎn)到G點(diǎn)的垂直距離。φ3為擺動(dòng)液壓缸活塞桿的旋轉(zhuǎn)角度；φ4為擺臂的旋轉(zhuǎn)角度；α為EG與x軸之間的夾角；β為FD與x軸之間的夾角。擺臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分析模型如圖3所示。

圖3 擺臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的分析模型

2根擺臂通過(guò)連接桿連接與主臂組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，油管與副臂上平面須始終保持平行狀態(tài)，油管在運(yùn)移作業(yè)中不發(fā)生碰撞。在主臂舉升的過(guò)程中，擺臂同時(shí)擺動(dòng)。假定擺動(dòng)液壓缸活塞桿的速度為v2，與主臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)同理分析，可得擺臂與擺動(dòng)液壓缸的速度關(guān)系式為：

(7)

式中：s2為擺動(dòng)液壓缸活塞桿的縮進(jìn)距離，m；w3為擺動(dòng)液壓缸的角速度，1/s；w4為擺臂的角速度，1/s。

此時(shí)擺動(dòng)液壓缸缸筒由活塞桿一端進(jìn)油，即有桿腔進(jìn)油，無(wú)活塞桿一端回油，活塞桿會(huì)向缸筒內(nèi)縮回。擺動(dòng)液壓缸活塞桿縮回時(shí)的拉力為：

(8)

進(jìn)入擺動(dòng)液壓缸的液體流量為：

(9)

抓管裝置在抓取油管的過(guò)程中，擺臂由傾斜位置拉回至垂直位置時(shí)，擺動(dòng)液壓缸需要通過(guò)雙向液壓鎖控制。雙向液壓鎖由2個(gè)液控單向閥組成，液壓鎖進(jìn)油及控制油泄壓時(shí)，2個(gè)液控單向閥迅速關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)液壓缸的雙向鎖緊，使得擺臂在抓管機(jī)作業(yè)過(guò)程中不發(fā)生晃動(dòng)，保證修井作業(yè)順利完成。在油管鉗抓緊油管后，4支微型液壓缸需要通過(guò)同步閥雙向液壓鎖來(lái)控制。液壓油通過(guò)同步閥雙向液壓鎖實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)油缸均分。采用同步閥能夠比較精確地實(shí)現(xiàn)油缸的同步，使得2個(gè)液壓油管鉗的4個(gè)牙板可以同步夾緊油管，并在油管移運(yùn)過(guò)程中不松動(dòng)。

3 液壓抓管鉗

3.1 結(jié)構(gòu)

修井機(jī)的油管移送作業(yè)需要管鉗抓取油管來(lái)配合。液壓抓管鉗三維模型如圖4所示。液壓抓管鉗上設(shè)計(jì)安裝有3塊牙板，以保證油管在抓取過(guò)程中不會(huì)滑動(dòng)。其中2塊牙板安裝在兩側(cè)的抓手板上，還有1塊牙板安裝在固定座上。抓手板的運(yùn)動(dòng)由液壓缸驅(qū)動(dòng)。

圖4 液壓抓管鉗三維模型

3.2 抓管鉗的夾緊力計(jì)算

液壓抓管鉗抓手板的夾緊力，需要克服管柱自身重力以及管柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生的慣性力，從而保持可靠的夾緊狀態(tài)。

機(jī)械手手指的夾緊力為：

FN≥K1K2K3G

(10)

式中：K1為安全系數(shù)，通常取1.2～2.0；K2為工況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響；K3為方位系數(shù)，根據(jù)抓手板與油管的位置不同進(jìn)行選擇；G為抓取油管的重力，N。

3.3 液壓抓管鉗的應(yīng)力分析

當(dāng)抓管裝置將油管舉升至傾斜角度為60°的工作位置抓取油管時(shí)，液壓抓管鉗受到的重力及沖擊最大，利用ANSYS對(duì)此位置進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖5所示。

a 應(yīng)力云圖

由圖5中可知，抓管鉗應(yīng)力最大處為抓手板與牙板連接處，因此在實(shí)際制造中應(yīng)將連接處加固焊牢?；谧ス茔Q靜力分析結(jié)果，得出應(yīng)力小于許用應(yīng)力且安全系數(shù)為15，因此該液壓抓管鉗設(shè)計(jì)合理，可以安全使用。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)斜直井修井的工況，研制了可用于傾斜角度為45～60°的修井機(jī)抓管裝置。分析了抓管裝置的工作原理。作業(yè)全程采用液控驅(qū)動(dòng)，大幅提高了油管移運(yùn)的可靠性和效率。

2) 建立了抓管機(jī)裝置的主臂和擺臂的力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析；對(duì)液壓缸的推力及流量進(jìn)行計(jì)算，以及作業(yè)時(shí)平衡閥和液壓鎖的控制流程做出了說(shuō)明。

3) 建立了液壓抓管鉗模型。計(jì)算了抓管鉗的夾緊力，并對(duì)抓管鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出應(yīng)力和安全系數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。