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)工人的勞動強度，減少人工操作安全風險，根據(jù)我國油田修井機小修作業(yè)起下油管運動軌跡特點，研制了一種液動多功能機械手。該機械手主要由四爪機械手、自動定位機械臂和三維位移調(diào)節(jié)支座等組成，安裝在修井機尾部的井架下面，可遠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)運吊卡等功能，實現(xiàn)了井口無人起下油管作業(yè)?，F(xiàn)場應用表明，該機械手結(jié)構(gòu)新穎，安裝維護簡單，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；多功能機械手；起下油管；遠程控制

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)常年在野外進行，流動性大，工作條件臟苦累險，存在較多安全風險。為了降低工人勞動強度，提高安全操作水平，近年來遠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動到其被游車大鉤吊起后在井口上方的豎直運動的變化中，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)運移。這2項技術(shù)可對起下油管單根進行抓放、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[8-10]，但未見到實際應用和推廣的報道；常玉連等[11]提出了機械臂式油管處理系統(tǒng)方案，由機械臂上的兩只機械手同步旋轉(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)中因要求設備輕型化、易搬運則受到制約。

中國石油華北油田公司的技術(shù)人員針對我國油田現(xiàn)有修井機小修作業(yè)時起下油管單根的運動軌跡特點，設計了一種新型電控液動多功能機械手[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)運吊卡等功能。機械手安裝在修井機尾部，可進行空間三維位移調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了遠程控制起下油管作業(yè)。

2 結(jié)構(gòu)組成

多功能機械手由前端的四爪機械手、中部的自動定位機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 多功能機械手

2.1 四爪扶正機械手

機械手設計成四爪形狀[14]，是基于所要完成的2項任務：

1) 抓放扶正油管就位。利用機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，然后機械手放開油管，回縮待命。在下油管時，機械手伸出，把修井機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，機械手放開油管回位，讓出空間，為液壓油管鉗上扣做好準備。

2) 抓放扶正吊環(huán)轉(zhuǎn)運吊卡。利用機械手外側(cè)的兩爪扶正、推拉吊環(huán)帶著吊卡到達指定位置，完成吊卡對油管接箍端管體的抓與放。即在起油管時，當油管接箍端快要放到油管枕上時，機械手伸出，向外推送吊環(huán)帶著吊卡到達距離井口中心500～800 mm的位置，當油管接箍端放至油管枕上后，遠程液控打開吊卡[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；當管體進入吊卡月牙內(nèi)時，遠程液控關(guān)閉吊卡，機械手回位讓出空間，準備起管。在下油管時，機械手伸出，推送吊環(huán)帶著吊卡到達距離井口中心500～800 mm的位置，吊卡月牙向下扣住油管接箍以下管體后，遠程液控關(guān)閉吊卡，機械手回縮離開吊環(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 自動定位機械臂

為使機械手伸縮自如，準確完成上述各項功能，設計了如圖2所示的自動定位機械臂[15]，主要由機械臂外殼、磁環(huán)、位移傳感器、伺服缸、機械臂本體、連接板及控制部分等組成。機械臂設計長度為2 m，伺服缸伸縮長度為1.6 m，安裝在修井機尾部井架下面，最大伸長超過井口1.2 m，保證使機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，因此對機械臂的推拉力要求不大，經(jīng)測試300～500 N即可。

1—機械臂外殼；2—位移傳感器；3—磁環(huán)；4—伺服缸；5—機械臂本體；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。

機械臂自動定位功能是針對油管對中要求而設計?，F(xiàn)場下油管時發(fā)現(xiàn)，機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)場風速的影響，難以一次性使上、下兩根油管準確對中，經(jīng)常需要機械手進行數(shù)次進退調(diào)節(jié)才能達到對中要求，直接影響了施工效率。對此，在機械臂尾部安裝位移傳感器和磁環(huán)，利用電磁感應原理解決了機械手的自動定位問題。

工作原理：機械臂就位后，首先通過雙油路控制閥改變伺服缸供油方向，調(diào)節(jié)機械手的位置到達對中點后，按下定位開關(guān)盒的鎖定按鈕，完成機械手位置鎖定，可編程邏輯控制器(PLC)記住這一預設位置。此后，機械手在機械臂的推拉下伸縮，位移傳感器不斷檢測到機械臂伺服缸當前的位置，生成機械手的當前位置信號并發(fā)給PLC，PLC將機械手的當前位置與設定的對中位置進行比較。當機械手行進到設定的對中點時，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，機械臂帶動機械手繼續(xù)向前或向后移動。

當需要重新設定自動對中位置時，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)機械手的位置，當滿足對中要求后，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。機械臂自動定位功能不但消除了操車手怕不對中的心里負擔，而且大幅提高了施工效率。

2.3 三維調(diào)節(jié)支座

為了將機械臂安裝到井口上方合適的工作位置，實現(xiàn)上述機械手的各項功能，設計了如圖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、鉗形鎖緊機構(gòu)、鎖緊液壓缸等組成。

1—鎖緊液壓缸；2—鉗形鎖緊機構(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；15—變速齒輪；16—液壓管線。

內(nèi)支撐筒頂端與機械臂下面的連接板固定在一起，當松開內(nèi)支撐筒與外支撐筒的鉗形鎖緊機構(gòu)時，可在機械臂軸線所在水平面上橫向(z向)擺動，左右調(diào)節(jié)機械手的位置，使機械臂—機械手的軸心線與井口油管對中點的垂線相交，保證機械手在進退過程中恰好經(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)機械臂的高低，使機械臂前端的機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)運吊卡等功能。

為保證機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—絲杠—燕尾槽機構(gòu)來實現(xiàn)。該機構(gòu)主要包括燕尾導軌、燕尾槽滑動板、位移絲杠、變速齒輪和液壓馬達等部件。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軌作前后移動。

多功能機械手的三維位移調(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軌上前后移動，位于支座上面的支撐筒和機械臂隨之移動，直到把機械手調(diào)節(jié)到所需位置。這時，將第1操作柄置于中位，液壓馬達停止轉(zhuǎn)動，機械手的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，使機械臂作上下調(diào)節(jié)，達到要求后，第2操作柄置于中位，液壓缸停止伸縮，機械手在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構(gòu)，以內(nèi)支撐筒軸心為原點，機械手隨機械臂可左右擺動，實現(xiàn)機械手的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。

多功能機械手的三維位移調(diào)節(jié)，是在修井機就位后根據(jù)井口高低、游車大鉤與井口的對中情況進行的，因此是對機械手空間位置的微調(diào)。這項工作完成后，還要進行機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，導致游車大鉤與井口的對中產(chǎn)生偏差，原來設定的機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)工作并非反復進行，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)。

多功能機械手的支座用螺栓固定在修井機尾部井架下面的平臺上，為增強穩(wěn)定性，往往在其下面增加橫梁支撐。支座液壓馬達、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，機械臂帶動機械手回縮，搬家時隨車運輸，所有部件不必拆裝。

3 工作流程

以下油管為例，多功能機械手輔助下油管過程如圖4所示。

1) 修井機游車大鉤下行，當液動吊卡低于機械手高度時，伸出的機械手外側(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?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)。此后遠程控制關(guān)閉吊卡，機械手回縮，準備拉起油管。

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

3) 遠程控制液壓鉗就位，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，當油管接箍到達液壓鉗上扣高度時，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)進行，即可下入下1根油管。循環(huán)往復，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 機械手推拉吊環(huán)轉(zhuǎn)運吊卡

b 機械手伸出抓住油管

c 機械手回縮，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)場應用

多功能機械手作為2014年度中國石油集團公司自主創(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)中應用50余井次，應用情況表明：①機械手抓放、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，最快達到60根/h，與人工操作水平相當；②遠程控制機械手代替人工操作，減輕了工人勞動強度，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機械手可維護性好，只要定期保養(yǎng)、更換易損件，即可保持機械手正常工作；④搬家時機械臂回縮，機械手、機械臂、支座及液壓管線隨修井機運走，不必拆裝，也無需增加搬家車輛；⑤工作時，多功能機械手的液壓、電源依托修井機上的液壓站和直流發(fā)電機提供，不需額外增加新設備投資，也不增加作業(yè)成本。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)有修井機起下油管的運動軌跡特點研制的多功能機械手，在遠程控制下實現(xiàn)了起下油管單根在井口與滑道之間移運時的抓放、扶正、移送、對中，以及通過移動吊環(huán)轉(zhuǎn)運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度，又提高了修井作業(yè)的安全性。

2) 該機械手結(jié)構(gòu)設計新穎，安裝、使用、維護簡便，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