邢大偉，邢廣亮，李韜，石文明，劉延明，張欣宇

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000；3.川慶鉆探工程有限公司，成都610051；4.渤海鉆探第三鉆井公司，天津300280）

0 引 言

在鉆井作業(yè)過程中需要進行大量的管柱立根排放作業(yè)，特別是起下鉆過程中需要多次重復管柱立根排放作業(yè)[1]。在深井/鉆井作業(yè)過程中，管柱作業(yè)占用時間長、勞動強度大、危險系數(shù)高，成為提高鉆井作業(yè)效率的主要難題。據(jù)2005年國際鉆井承包商協(xié)會統(tǒng)計，30%～52%的傷亡事故發(fā)生在起下鉆過程中，并因此耽誤了大量的鉆井時間[2]。

液壓驅(qū)動存在控制精度較低、在液壓回路較長時動作響應較慢、污染環(huán)境、設(shè)備運行時易受外界溫度影響等問題。

2017年，寶雞石油機械有限責任公司研制了電動二層臺排管手，能完全替代人工實現(xiàn)管柱立根的排放作業(yè)，實現(xiàn)管柱立根的自動化排放，解決了油田現(xiàn)場排放管柱立根時費時、費力、安全性差，以及液壓驅(qū)動響應滯后、精度低、污染環(huán)境等問題。

1 總體方案及主要結(jié)構(gòu)

1.1 總體方案

二層臺排管手主要由行走裝置、扶持臂總成、電控系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)裝置組成[3]，如圖1所示。行走裝置主要由軌道、滑車、行走驅(qū)動裝置等組成，控制機械手扶持管柱的X方向平移運動，并作為安裝固定基礎(chǔ)；扶持臂總成主要由回轉(zhuǎn)座、主臂、副臂、電缸、扶持鉗組成，其控制機械手扶持管柱的Y方向平移運動?；剞D(zhuǎn)裝置主要由回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)支撐組成，控制機械手扶持管柱的回轉(zhuǎn)動作。

1.2 行走裝置

二層臺排管手通過軌道與井架連接，軌道前端通過安裝梁與井架連接，后端通過連接架與井架連接；軌道承受設(shè)備自身的重力和管柱立根的附加力，通過鋼材焊接成異形截面后再機加工的方法，保證其強度和剛度，確?；囋谛凶邥r的直線度，減少誤差。

圖1 二層臺排管手結(jié)構(gòu)示意圖

扶持管柱的X方向的平移運動由行走裝置實現(xiàn)?；囂籽b在軌道內(nèi)部，滑車兩側(cè)有行走滾輪，行走裝置和回轉(zhuǎn)裝置安裝于滑車上面板；行走機構(gòu)由安裝在滑車上的伺服防爆電動機和行星減速機驅(qū)動行走齒輪轉(zhuǎn)動，行走齒輪與軌道上固定的齒條嚙合，使管柱立根在通道內(nèi)行走。

1.3 扶持臂總成

管柱的Y方向水平移動是由扶持臂總成實現(xiàn)的。扶持臂總成通過回轉(zhuǎn)座與回轉(zhuǎn)裝置中的回轉(zhuǎn)支撐相連。扶持臂總成在設(shè)計時運用平行四邊形對邊始終平行原理，通過主臂、副臂、伺服電動缸保證相連的扶持鉗始終保持水平運動，扶持臂的最大傾斜角度及臂長決定了設(shè)備的最大作業(yè)半徑。伺服電動缸由伺服防爆電動機驅(qū)動，扶持鉗的初始位置及極限位置均通過程序控制伺服電動機的加速、減速、停車實現(xiàn)，保證設(shè)備平穩(wěn)、準確、可靠運行。

1.4 回轉(zhuǎn)裝置

回轉(zhuǎn)運動是由回轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)的，采用伺服防爆電動機和行星減速機的方式驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸下端通過螺栓與回轉(zhuǎn)支撐連接，回轉(zhuǎn)支撐傳遞載荷可靠、安裝維護方便。通過伺服電動機編碼器傳遞的信號，計算回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)的角度，最終得出管柱立根回轉(zhuǎn)的角度。

1.5 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)硬件采用西門子生產(chǎn)的PLC、工控機，保證與鉆機控制系統(tǒng)完全兼容，無縫對接，不需要額外增加轉(zhuǎn)換接口，節(jié)約成本。通過程序控制實現(xiàn)設(shè)備各個動作的自動化控制，在司鉆房的一體化司鉆座椅及司鉆前側(cè)的電控顯示屏實現(xiàn)遠程控制，二層臺排管手有測試、遠程手動應急操作、遠程自動控制3種控制模式。

電控系統(tǒng)通過采集位接近開關(guān)等傳感器的信號、伺服電動機的電流值、電壓值，通過電控程序的補償功能算法實現(xiàn)設(shè)備的運行軌跡控制，結(jié)合安全邏輯互鎖的設(shè)定，實現(xiàn)二層臺排管手能夠按程序指定的軌跡運動，安全高效地實現(xiàn)管柱立根的排放作業(yè)。

2 技術(shù)參數(shù)

適用范圍為2-7/8～8 in；行走距離為2.7 m；最大作業(yè)半徑為2.9 m；回轉(zhuǎn)角度為±90°；需求功率為7 kW。

3 結(jié)構(gòu)特點

1）二層臺排管手以推扶的方式實現(xiàn)管柱立根的排放，設(shè)備安裝在井架上段，位于二層臺上方，不占用常規(guī)人工排放管柱操作空間，可滿足應急人工作業(yè)需求。

2）二層臺排管手的主要動作均采用防爆伺服電動機驅(qū)動，具有運行平穩(wěn)、動作精準、響應快等優(yōu)點，解決了液壓驅(qū)動響應速度慢、漏油污染環(huán)境的問題。

3）二層臺排管手實現(xiàn)了遠程操作，通過程序控制實現(xiàn)“一鍵式”操作，并增加邏輯互鎖程序、斷電保護等自鎖設(shè)置，確保設(shè)備運行的安全。

4）二層臺排管手具有適應管柱規(guī)格范圍廣、排放管柱能力強等優(yōu)點，能滿足各陸地鉆機（特別是深井和超深井鉆機）管柱立根的自動化排放作業(yè)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 扶持總成設(shè)計技術(shù)

扶持臂總成是機械手的關(guān)鍵部件，對于能否準確、平穩(wěn)地推扶管柱立根，扶持臂的強度和剛度起決定性作用。扶持臂整體為細長桿，所以采用鋼板焊接成箱型結(jié)構(gòu)，減少變形；并對主臂進行有限元分析，根據(jù)手工計算結(jié)果對主臂施加約束和載荷（如圖2），經(jīng)有限元計算得到位移云圖如圖3所示,根據(jù)計算結(jié)果最大位移處在主臂與扶持鉗連接點，位移為8.96 mm，符合使用要求。

圖2 主臂施加約束和載荷圖

圖3 主臂位移云圖

4.2 程序控制技術(shù)

運動位置的精度和運行平穩(wěn)程度，決定管柱能否準確排放到指定位置、能否實現(xiàn)一鍵操作的關(guān)鍵，因此控制程序基于CoDeSys、PROTAL雙平臺開發(fā)設(shè)計。

CoDeSys平臺程序的開發(fā)主要是實現(xiàn)伺服電動機的程序自動控制，包括各個電動機的正/反轉(zhuǎn)、最大速度運行時間、位置、加減速運行時間、運行距離、中斷等；PROTAL平臺程序的開發(fā)主要是實現(xiàn)設(shè)備自檢自查、發(fā)送操作指令、接收和處理伺服電動機反饋的信息（速度、位置、加速度、加加速度、剎車等），并對伺服電動機反饋數(shù)據(jù)進行實時處理，與目標點的位置信息反復比對，最終給出伺服電動機運行的正確指令，流程如圖4所示。

PROFINET通訊協(xié)議的擬定主要是實現(xiàn)PROTAL與CoDeSys平臺之間數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r、穩(wěn)定地傳輸，并提高抗干擾能力。

5 型式實驗

5.1 廠內(nèi)試驗情況

5.1.1 空載試驗

空載試驗的目的是為了驗證機械手各個執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，空載試驗結(jié)果表明，設(shè)備的行走裝置、扶持臂總成、回轉(zhuǎn)裝置等可完成相應動作，運行期間無卡阻現(xiàn)象。

圖4 程序流程圖

5.1.2 功能試驗

功能試驗的目的是為了檢驗機械手管柱立根的排放功能，采用測試模式和手動操作模式，驗證設(shè)備各個機構(gòu)的運動能否滿足設(shè)計要求，試驗結(jié)果表明，設(shè)備各個機構(gòu)能完成設(shè)計要求的運動，滿足設(shè)計要求。

5.1.3 載荷試驗

載荷試驗是為驗證機械手的排放能力，在國家油氣工程實驗中心進行了5 in鉆桿三立根和8 in鉆鋌三立根的載荷試驗，模擬油田現(xiàn)場起/下鉆工況時的立根排放與移運作業(yè)。扶持鉗將管柱立根從井口吊卡中交接，并按指定路徑排放到指定位置，再反向?qū)⒘⒏偷骄诘蹩ㄖ?，整個試驗過程中運行平穩(wěn)，動作準確，滿足設(shè)計要求。

根據(jù)實驗記錄數(shù)據(jù)，立根排放位置精度達到±2 mm；響應時間小于1 s；扶持臂總成變形為8.2 mm，與扶持臂有限元計算結(jié)果相符；排放5 in鉆桿立根最遠位置周期為51 s，平均運行周期小于43 s。

5.1.4 安全試驗

該試驗的目的是驗證機械手在實際排放管柱立根作業(yè)遇到突然斷電時，能否保持斷電時的狀態(tài)，扶持鉗是否存在在斷電時被動打開，發(fā)生管柱脫落的情況。安全試驗表明，在實驗過程中切斷動力源，設(shè)備立即停止所有動作運行，并能保持動力源被切斷時的狀態(tài)，不會因為意外斷電造成扶持鉗被動打開導致管柱脫落事故，安全性高。

5.2 油田工業(yè)性試驗情況

2019年1—12月，該二層臺排管手安裝應用于四川珙縣寧216H39-3井；2020年元月服役于第二口井。據(jù)初步統(tǒng)計分析，累計作業(yè)超過2 萬m。據(jù)現(xiàn)場作業(yè)人員反映，該設(shè)備穩(wěn)定可靠，并減少作業(yè)人員1名，提高了作業(yè)安全。

6 結(jié) 論

1）二層臺排管手在油田的應用，實現(xiàn)了鉆井作業(yè)過程中管柱立根的自動化排放，減少作業(yè)人員1名，提高作業(yè)效率12.8%。

2）本文描述了二層臺排管手的總體結(jié)構(gòu)、各機構(gòu)特點、控制特點和關(guān)鍵技術(shù)，可為后續(xù)設(shè)計起到指導作用。

3）試驗結(jié)果表明，二層臺排管手結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、效率高、安全可靠，解決了液壓驅(qū)動響應速度慢、漏油污染環(huán)境等問題，適用于油田作業(yè)工況，達到推廣使用條件。