徐玉龍,劉永紅,張海峰,吳成杰,林 強,張彥振

(中國石油大學(華東)機電工程學院,山東東營257061)

油井解堵蠕動機器人的設(shè)計與分析

徐玉龍,劉永紅,張海峰,吳成杰,林 強,張彥振

(中國石油大學(華東)機電工程學院,山東東營257061)

為了提高油層的滲透率,設(shè)計出了油井解堵作業(yè)蠕動機器人。利用該機器人產(chǎn)生的電火花放電能量作用于射孔通道,可有效解除油層堵塞。用ANSYS軟件分析了該機器人在熱力耦合作用下的應力、應變特性。研制的機器人樣機具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點。

解堵;管道機器人;電火花放電

Abstract:A new plug removal creeping robot for oil well was designed.The design and work principles of the robot are introduced.The stress and strain performances of the robot acted by coupled thermal-mechanical were studied with ANSYS software.The stress and strain laws of the robot are given.The developed robot test prototype shows that the robot has simple structure,and high reliability.

Key words:plug removal;pipeline robot;electric discharge

由于聚合物和機械雜質(zhì)對油層的污染、地層流體中細菌的滋生、地層本身的結(jié)垢和結(jié)蠟等原因,油井堵塞會日益嚴重,導致油層滲透率降低,產(chǎn)量下降。為了解除油層的堵塞,國內(nèi)外研究了多種不同的解堵技術(shù),滲油通道解堵有化學、物理、物理-化學聯(lián)合和微生物等4個方面的技術(shù)[1-3]?；瘜W解堵工藝針對性極強,但工藝較復雜、費用較高,容易對地層造成二次污染;物理解堵方法可直接作用油層,不會造成二次污染,具有能耗少、易操作、增油效果明顯的特點,但難于清除有機質(zhì)產(chǎn)生的堵塞[4-5];物理-化學法兼顧了各種技術(shù)的優(yōu)點,適用面廣、作用力強,但不適用于所有地質(zhì)環(huán)境[6-8];微生物在溫度高、重金屬離子含量高的條件下易于遭到破壞,該方法的應用也受到一定的限制。針對上述情況,作者提出了射孔炮眼內(nèi)電火花放電解堵的新構(gòu)想,該方法是采用機器人把電脈沖放電的正、負電極送入射孔中,使電脈沖放電能量直接作用于射孔通道中,靠放電時產(chǎn)生的1×104℃以上高溫、數(shù)十兆帕的瞬時高壓的爆炸沖擊作用、空化作用、電磁作用和熱效應等對儲層進行解堵和除垢,可有效提高油井的采收率。本文根據(jù)該種新技術(shù)的作業(yè)要求設(shè)計出了一種蠕動機器人,利用 Pro/E建立了該機器人的三維模型,運用ANSYS對主要受力部件進行了受力分析,總結(jié)出了相應的規(guī)律,在結(jié)構(gòu)最優(yōu)的基礎(chǔ)上,研制出了井下蠕動機器人的試驗樣機。

1 機器人蠕動進給裝置的設(shè)計

所設(shè)計的機器人蠕動進給裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1,主要由偏壓彈簧、導向支撐、連接桿、上電磁推桿、上支撐腳、蠕動彈簧、下電磁推桿、下支撐腳等組成。偏壓彈簧用于提供導向支撐自適應膨脹時所需要的膨脹力;連接桿用于機器人零部件的連接與固定;導向支撐為帶導向輪的可自適應膨脹結(jié)構(gòu),當機器人下入油井套管時,導向支撐在偏壓彈簧的作用下使其上的導向緊貼套管壁,其作用是防止機器人與套管壁碰撞、保持機器人在套管中心的運行姿態(tài);上電磁推桿在控制電流作用下可作軸向伸縮運動的電磁裝置,其作用是提供上支撐腳脹緊在套管壁上所需要的鎖緊力;上支撐腳為連桿結(jié)構(gòu),可在上電磁推桿的控制作用下膨脹鎖緊于套管壁上和松開鎖緊;蠕動彈簧用于控制機器人每一步的蠕動距離和蠕動速度;下電磁推桿是在控制電流作用下可作軸向伸縮運動的電磁裝置,其作用是提供下支撐腳脹緊在套管壁上所需要的鎖緊力;下支撐腳為連桿結(jié)構(gòu),可在下電磁推桿的控制作用下膨脹鎖緊在套管壁上和松開鎖緊。

該機器人蠕動進給裝置向下蠕動進給的工作原理是:先由地面絞車通過纜繩把機器人送入到井下要求的部位,然后給下電磁推桿通電使下支撐腳膨脹鎖緊在套管壁上,此時上電磁推桿不通電,上支撐腳處于收縮狀態(tài),蠕動彈簧上部的機器人本體部分在重力的作用下,壓縮蠕動彈簧向下運動,當運動到重力與彈簧的彈力相等的位置后,機器人上部分的本體停止運動;此后給上電磁推桿通電使下支撐腳膨脹鎖緊在套管壁上,再給下電磁推桿斷電,使下支撐腳在彈簧力的作用下收縮脫離井壁,此時機器人下部本體在重力和蠕動彈簧彈力的作用下向下運動,當運動到蠕動彈簧的拉力與機器人下部本體的重力相等時停止運動,如此便完成了機器人的一步蠕動;重復上述動作便可實現(xiàn)機器人的蠕動進給。

圖1 機器人蠕動進給裝置的結(jié)構(gòu)

2 連接桿的熱應力分析與計算

連接桿是用于連接和固定機器人零部件的一個關(guān)鍵零件,為了節(jié)省空間,將連接桿設(shè)計成細長桿,連接桿在力和溫度共同作用下易發(fā)生變形,為保證其連接的可靠性和結(jié)構(gòu)合理性,對連接桿在熱力耦合作用下的應力、應變特性進行了研究。

將PRO/E模型導入到ANSYS中并進行網(wǎng)格劃分,得到連接桿的有限元模型如圖2。圖中連接桿材料為45鋼,密度為7 850 kg/m3,線膨脹系數(shù)為1.232×10-5,泊松比為0.3。連接桿長度150 mm。不同溫度下45鋼的性能參數(shù)如表1。

圖2 連接桿網(wǎng)格自由劃分

表1 不同溫度下45鋼的性能參數(shù)

設(shè)機器人井下作業(yè)深度為2 000 m,下放過程中溫度逐漸升高,取溫度范圍為20～200℃,設(shè)解堵過程中溫度保持200℃不變。

圖3為常溫下連接桿z方向變形云圖和等效應力云圖,可以看出,連接桿在z方向變形最大值出現(xiàn)在連接桿的兩端,常溫時在拉力作用下連接桿的變形很小,x、y、z三個方向的變形分別為2.93×10-2、1.8×10-5、2.02×10-2mm;最大等效應力發(fā)生在螺釘連接處,x方向為主變形,變形是由拉力產(chǎn)生的,應力值為71.3 MPa,遠小于45鋼的屈服強度355 MPa。

圖3 常溫下連接桿z方向變形云圖和等效應力云圖

圖4為常溫下連接桿z方向變形量變化與等效應力最大值變化曲線,可以看出,變形和等效應力先是隨著寬度的增加而快速降低,當連接桿寬度大于一定數(shù)值后開始緩慢降低,當連接桿的寬度為2 mm時的變形量為0.1096 mm、應力值為109.5 MPa,當連接桿的寬度為 5 mm時的變形量為0.00467 mm、應力值為58.7 MPa。

圖4 常溫下連接桿z方向變形量變化與等效應力最大值變化曲線

圖5為考慮溫度時連接桿z方向變形云圖和等效應力分布云圖,可以看出,該種情況下z方向最大變形發(fā)生在螺釘聯(lián)接部分,為0.388 mm,而x、y方向的最大變形均比z方向少1個數(shù)量級,最大變形量分別為0.048 3 mm和0.019 6 mm,所以z方向變形為主變形。這是因為z方向受力最大,而且受熱變形時連接桿兩端用螺釘聯(lián)接約束x和y方向變形受到限制,變形量不大。由圖5b可以看出,在連接處產(chǎn)生了應力集中,最大應力為66.1 MPa,小于屈服強度355 MPa,滿足工作要求。

圖6為考慮溫度變化時z方向變形和等效應力變化曲線,可以看出,變形和等效應力先是隨著寬度的增加而快速降低,當連接桿寬度大于5 mm后開始緩慢降低。溫度對變形的影響較大,在滿足強度要求的情況下,應避免構(gòu)件尺寸過大而使整體的質(zhì)量增加、靈活性降低,因此,本文連接桿寬度尺寸選為5 mm。

圖5 溫度變化時連接桿z方向變形和等效應力分布

圖6 溫度變化時z方向變形和等效應力變化曲線

3 結(jié)論

1) 根據(jù)井下電火花解堵的要求設(shè)計出了井下作業(yè)蠕動式機器人機械結(jié)構(gòu),并制造出了相應的樣機。該蠕動機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點。

2) 考慮溫度變化會對機械結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響,用ANSYS進行仿真分析,得到連接桿的變形和應力分布情況,可以為整體機構(gòu)的準確移動控制提供理論依據(jù)。

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Design and Analysis of Plug Removal Creeping Robot for Oil Well

XU Yu-long,LIU Yong-hong,ZHANG Hai-feng,WU Cheng-jie,LIN Qiang,ZHANG Yan-zhen
(College of Mechanical and Electronic Engineering,China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

TE935

A

1001-3482(2010)02-0005-04

2009-08-17

國家自然科學基金資助項目(50674099)

徐玉龍(1985-),男,山東菏澤人,碩士研究生,主要從事工業(yè)機器人的技術(shù)研究工作,E-mail:xuyulong-01@163.com。