楊月明，常玉連，高勝，龐伶伶，王晶，王偉

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

在油田生產(chǎn)作業(yè)過程中，修井作業(yè)是一項(xiàng)十分重要的環(huán)節(jié)。隨著我國(guó)油田開采年限的增長(zhǎng)，大部分油田已進(jìn)入開采的中后期，采油的難度較以前更難，油田修井作業(yè)也越來越頻繁［1］。目前，國(guó)內(nèi)絕大部分油田的修井作業(yè)仍采用傳統(tǒng)的方式，通過修井機(jī)、通井機(jī)和人工一起下油管，并配合其他特種車輛來達(dá)到修井施工的目的。石油修井中的主要工序是油管的起下作業(yè)和上卸扣操作，起下油管作業(yè)操作過程簡(jiǎn)單、單調(diào)、頻繁，且易發(fā)生油管崩扣、高空落物等事故；上卸扣操作通常主要是由現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人靠人力推動(dòng)重達(dá)幾百公斤的液壓大鉗（液壓大鉗通常采用吊裝的安裝方式）進(jìn)行上卸扣作業(yè)，同時(shí)還要頻繁地倒換吊卡，因此勞動(dòng)強(qiáng)度十分大。此外，野外修井作業(yè)環(huán)境惡劣，尤其在冬天井場(chǎng)作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)打滑、操作不靈活等問題［2］?；诖朔N現(xiàn)狀，為了更好地實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化與無人化操作，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和數(shù)量的目的，東北石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)了井口起下油管作業(yè)自動(dòng)化裝置（以下簡(jiǎn)稱“起下油管自動(dòng)化裝置”）。該裝置是能夠?qū)崿F(xiàn)井口管柱的扶正、起、卸的一整套井口機(jī)械化系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。該方案實(shí)施后，可以改變現(xiàn)有修井作業(yè)工藝，從而使修井井口作業(yè)達(dá)到較高的機(jī)械化與自動(dòng)化水平，使工人遠(yuǎn)離井口，通過遙控方式實(shí)現(xiàn)管柱的上卸扣等操作［3－4］。

1 工作原理及作業(yè)工藝流程

1.1 工作原理

起下油管自動(dòng)化裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由扶正機(jī)械手、移動(dòng)作業(yè)工、動(dòng)力卡瓦、緩沖定位裝置、井口定位裝置和液壓系統(tǒng)等組成。

圖1 起下油管自動(dòng)化裝置

該裝置通過液壓缸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)作業(yè)工具實(shí)現(xiàn)液壓鉗的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，代替工人將液壓鉗退出或移到井口。通過液壓鉗實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋和自動(dòng)對(duì)缺口功能，利用遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)液壓鉗的高、低速換擋。在上卸扣完畢時(shí)控制對(duì)缺口液壓回路，實(shí)現(xiàn)主鉗自動(dòng)對(duì)齊缺口，以便管柱順利從鉗口中移出和下一次上卸扣順利進(jìn)行。在上卸扣操作中，利用扶正機(jī)械手將管柱扶正，保證扶正的管柱中心與井口中管柱中心對(duì)中。采用動(dòng)力卡瓦，通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)夾緊和松開管柱的功能。扶正機(jī)械手固定到移動(dòng)作業(yè)工具上蓋上，移動(dòng)作業(yè)工具在其底座上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。作業(yè)工具底座在豎直方向可調(diào)，用以在豎直方向上定位作業(yè)工具。作業(yè)工具底座內(nèi)部安裝有動(dòng)力卡瓦，卡瓦與井口法蘭相連。該裝置通過動(dòng)力卡瓦確定作業(yè)工具底座的安裝位置。通過底座確定作業(yè)工具的位置，進(jìn)而確定液壓鉗的位置，工作時(shí)通過緩沖定位擋塊保證井口、卡瓦、液壓鉗、扶正機(jī)械手4者中心對(duì)中，從而完成管柱的夾持、扶正、旋扣的功能。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 作業(yè)工藝流程

起下油管自動(dòng)化裝置的主要工藝流程如圖2所示。

圖2 作業(yè)工藝流程

2 液壓系統(tǒng)

根據(jù)起下油管自動(dòng)化裝置的功能要求，同時(shí)考慮到開式系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于維護(hù)、油液可在油箱中很好地冷卻和沉淀雜質(zhì)、散熱良好等優(yōu)點(diǎn)，該裝置采用了泵、開式、并聯(lián)的液壓系統(tǒng)，分別驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、液壓鉗、移動(dòng)作業(yè)工具和動(dòng)力卡瓦。起下油管自動(dòng)化裝置配有液壓控制臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 起下油管自動(dòng)化裝置的液壓系統(tǒng)原理

3 液壓控制系統(tǒng)AMESim 建模與仿真分析

起下油管自動(dòng)化裝置的整體液壓控制系統(tǒng)建模工作量較大，限于篇幅，本文僅以扶正機(jī)械手液壓控制為例進(jìn)行建模和仿真分析。扶正機(jī)械手代替井口操作工人進(jìn)行抓取和扶正管柱的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)井口在無人條件下將管柱自動(dòng)扶正到預(yù)定位置，是起下油管自動(dòng)化裝置的關(guān)鍵部件。本文在充分理解扶正機(jī)械手液壓控制回路的基礎(chǔ)上，利用AMESim 軟件建立了液壓系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析了液壓系統(tǒng)性能，確認(rèn)了系統(tǒng)的可行性。

在AMESim 環(huán)境下，在草圖模式（Sketch Mode）中，從Hydraulic模塊庫(kù)、Planar mechanical模塊庫(kù)和Mechanical模塊庫(kù)中分別添加各自模型［5］，形成扶正機(jī)械手的AMESim 模型，如圖4所示。

進(jìn)入AMESim 中的參數(shù)設(shè)置模式（Parameter），對(duì)系統(tǒng)主要元件的初始參數(shù)設(shè)定如下：泵排量2.5×10－4m3／s；泵轉(zhuǎn)速1000r／min；溢流閥壓力10 MPa；活塞直徑0.05m；活塞桿直徑0.028m；活塞行程0.65 m。設(shè)定好各個(gè)元件的參數(shù)后進(jìn)入AMESim 中的Run模式就可以對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析。仿真結(jié)果如圖5～8所示。

圖4 扶正機(jī)械手的AMESim 模型

圖5 三位四通換向閥控制信號(hào)曲線

圖6 泵輸出壓力

圖7 左（右）側(cè)液壓缸活塞桿速度

圖8 兩扶正機(jī)械手爪轉(zhuǎn)動(dòng)角度

圖5為三位四通換向閥的輸入信號(hào)控制曲線，來模擬實(shí)現(xiàn)扶正機(jī)械手的張開和閉合運(yùn)動(dòng)。由圖6可知，泵輸出壓力變化為0～10MPa。圖7可知：在開始階段0～0.12s內(nèi)，左（右）側(cè)液壓缸活塞桿速度曲線變化較大，液壓系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性；在0.12～0.51s、1.3～1.6s、12.7～13.3s內(nèi)，手爪在運(yùn)動(dòng)過程中由于具有變化的加速度，加上2個(gè)運(yùn)動(dòng)件在相互接觸時(shí)存在碰撞，所以在一定時(shí)間內(nèi)速度曲線出現(xiàn)振動(dòng)，在扶正機(jī)械手爪完全張開或完全閉合時(shí)速度變化逐漸趨近于0。由圖8可知，兩扶正機(jī)械手爪轉(zhuǎn)動(dòng)較為平穩(wěn)。

4 廠內(nèi)試驗(yàn)與油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

起下油管自動(dòng)化裝置在出廠前進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)，包括：

1）下放管柱，驗(yàn)證動(dòng)力卡瓦能否夾緊、松開管柱。

2）扶正機(jī)械手能否實(shí)現(xiàn)張開和閉合動(dòng)作，能否起到扶正管柱的作用。

3）液壓鉗能否正常實(shí)現(xiàn)夾緊管柱、旋扣、自動(dòng)換擋、緊扣、自動(dòng)對(duì)缺口、松開管柱的操作。

4）移動(dòng)作業(yè)工能否順利達(dá)到預(yù)定的工作位置和后退到閑置位置等。

通過廠內(nèi)試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示裝置運(yùn)行均達(dá)到上述的設(shè)計(jì)要求，廠內(nèi)試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 廠內(nèi)試驗(yàn)

井口起下油管作業(yè)自動(dòng)化裝置樣機(jī)在大慶油田采油六廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該裝置總體方案可行，能順利實(shí)現(xiàn)扶正、換擋、對(duì)缺口、懸持管柱等功能，其機(jī)械、液壓系統(tǒng)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；可以實(shí)現(xiàn)井口無人化作業(yè)，機(jī)械化程度較高；可以滿足安全修井作業(yè)的基本要求。由于其控制方便、性能可靠、功能多樣及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到用戶的認(rèn)可。

5 結(jié)論

1）油管起下自動(dòng)化裝置具有結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、操作方便等特點(diǎn)。應(yīng)用后可以實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)井口操作的機(jī)械化與自動(dòng)化；可以改變現(xiàn)有修井作業(yè)工藝，從而使修井井口作業(yè)達(dá)到較高的機(jī)械化與自動(dòng)化水平，使工人遠(yuǎn)離井口，通過遙控方式實(shí)現(xiàn)管柱的上卸扣等操作。該產(chǎn)品減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，可提高修井安全性，應(yīng)用前景廣闊。

2）運(yùn)用AMESim 軟件對(duì)扶正機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。通過仿真曲線直觀地描述液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與沖擊，對(duì)后續(xù)改進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、提高工程機(jī)械的性能與可靠性具有指導(dǎo)意義。

3）廠內(nèi)試驗(yàn)和油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，該裝置的液壓系統(tǒng)具有較好的平穩(wěn)性，滿足實(shí)際工況要求。

［1］常玉連，肖易平，高勝，等.修井井口機(jī)械自動(dòng)化裝置的研究進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（5）：62－67.

［2］張躍林，章啟成.石油修井作業(yè)事故類別及預(yù)防對(duì)策［J］.工業(yè)安全與防塵，1996（2）：34－35.

［3］彭金申.井小修作業(yè)設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.石油機(jī)械，1999，27（3）：53－54.

［4］孫明光，彭軍生.國(guó)內(nèi)外石油鉆井裝備的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36（6）：86－91.

［5］付永領(lǐng)，祁曉野.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)［K］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.