張鵬宇 郭登明 涂學(xué)洋 符仁杰 郭建東 梁晨 鄧康

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2. 南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司3. 中國(guó)石油新疆油田分公司 4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠)

0 引 言

傳統(tǒng)的油田修井作業(yè)一般需要手動(dòng)完成一系列修井工作，如切換和搬運(yùn)吊卡、卸吊環(huán)和拉排油管。這些手動(dòng)工作存在安全隱患，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度比較高，而且工作環(huán)境也相對(duì)惡劣[1-6]。進(jìn)入21世紀(jì)，鉆井和修井設(shè)備的自動(dòng)化已經(jīng)成為石油設(shè)備未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[7]。

針對(duì)修井作業(yè)的工藝特點(diǎn)和使用要求，本文研發(fā)了一套與直井修井機(jī)配合使用、可實(shí)現(xiàn)油管從地面到井口自動(dòng)運(yùn)輸?shù)恼郫B式油管移送裝置。采用該裝置無(wú)需人工拖拽油管即可實(shí)現(xiàn)油管在井口與井場(chǎng)之間的運(yùn)移[8]。本文首先闡述了油管移送裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，再對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)建立力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。該裝置的成功研發(fā)可為相關(guān)領(lǐng)域的使用人員、設(shè)計(jì)人員及管理者提供參考。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1為折疊式油管移送裝置在直井修井機(jī)系統(tǒng)中的安裝位置。圖2為油管移送裝置三維結(jié)構(gòu)。

1—承載車(chē)體系統(tǒng)；2—桅桿支架；3—電氣控制系統(tǒng)；4—油箱；5—油泵及液壓閥系統(tǒng)；6—井架主支撐；7—井架副支撐；8—靜桅桿系統(tǒng)；9—?jiǎng)游U系統(tǒng)；10—小車(chē)鋼繩；11—游動(dòng)小車(chē)和吊卡；12—井口系統(tǒng)；13—油管移送裝置；14—管排架。

1—后活動(dòng)梁；2—移動(dòng)滑車(chē)；3—側(cè)鉤；4—中間主梁；5—側(cè)鉤上料液壓缸；6—前活動(dòng)梁；7—舉升油缸；8—底架總成；9—液壓馬達(dá)。

折疊式油管移送裝置主要由后活動(dòng)梁、中間主梁、前活動(dòng)梁、側(cè)鉤、側(cè)鉤上料液壓缸、舉升油缸、液壓馬達(dá)、移動(dòng)滑車(chē)以及底架總成等裝置組成。主梁包括中間主梁、前活動(dòng)梁以及后活動(dòng)梁，各梁內(nèi)都焊接有導(dǎo)軌，并與底架之間連接有舉升液壓缸，可提供動(dòng)力將主梁舉升一定的角度進(jìn)行接送管作業(yè)。液壓馬達(dá)通過(guò)滾筒控制鋼絲繩拉拽移動(dòng)滑車(chē)，與液壓卡瓦配合完成管柱的輸送。底架兩端都焊接有側(cè)鉤，側(cè)鉤通過(guò)上料油缸的舉升進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將排管架上的管柱送入移動(dòng)滑車(chē)。為配合現(xiàn)場(chǎng)排管架的高度完成油管運(yùn)移及擺放工作，裝置水平高度設(shè)計(jì)為850 mm。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

最大擺動(dòng)角度：10°±2°；

裝置水平高度：850 mm；

裝置最大舉升高度：1 900 mm；

舉升液壓缸底座安裝中心距底架右側(cè)：820 mm；

適應(yīng)油管重力：0.9～1.5 kN。

1.3 工作原理

起管作業(yè)時(shí)，首先翻轉(zhuǎn)折疊式油管移送裝置的前活動(dòng)梁和后活動(dòng)梁，使其與中間梁位于同一水平線(xiàn)上，使前活動(dòng)梁對(duì)準(zhǔn)鉆臺(tái)位置，隨后液壓馬達(dá)控制移動(dòng)滑車(chē)移動(dòng)至前活動(dòng)梁前端，同時(shí)令側(cè)鉤稍低于管排架。隨后主梁通過(guò)舉升液壓缸由水平位置舉升至工作位置，等待液壓鉗通過(guò)沖扣和卸扣等操作，將井口油管與井下油管柱脫扣，吊卡將油管抓起并豎直向下移動(dòng)送至前活動(dòng)梁前端滾輪處。通過(guò)滾輪滑入移動(dòng)滑車(chē)，此時(shí)控制移動(dòng)滑車(chē)的液壓馬達(dá)啟動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩拖拽移動(dòng)滑車(chē)沿導(dǎo)軌向末端移動(dòng)，吊卡也向下豎直移動(dòng)。移動(dòng)滑車(chē)到達(dá)末端后，將油管置于梁槽內(nèi)，吊卡松開(kāi)油管。此時(shí)舉升液壓缸運(yùn)轉(zhuǎn)，總梁下放至水平位置。此時(shí)啟動(dòng)前后梁凹槽內(nèi)頂管液壓缸，使前后頂管導(dǎo)向板(有一定傾斜角度)頂出油管，油管沿傾斜角度方向滾落到管排架上。

下管作業(yè)時(shí)，首先將移動(dòng)滑車(chē)移動(dòng)至梁末端，然后側(cè)鉤液壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)鉤從排管架上勾起油管，將油管勾起滾入主梁內(nèi)，油管的外螺紋端落入移動(dòng)滑車(chē)上[9]。舉升液壓缸將主梁舉起，液壓馬達(dá)啟動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩拉拽移動(dòng)滑車(chē)將油管輸送到預(yù)定位置。待吊卡抓住油管，吊起油管時(shí)，移動(dòng)滑車(chē)由后活動(dòng)梁向前活動(dòng)梁移動(dòng)，同時(shí)吊卡向上移動(dòng)，移動(dòng)滑車(chē)與吊卡以一定的速度關(guān)系一起運(yùn)動(dòng)，直到油管脫離移動(dòng)滑車(chē)。待油管接近豎直狀態(tài)，游動(dòng)吊卡將油管下移對(duì)中后由閉口液壓鉗上扣并擰緊。移動(dòng)滑車(chē)至末端，總梁下放回至水平位置。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 舉升液壓缸選取

油管移送裝置主梁采用Q345號(hào)鋼，可計(jì)算其質(zhì)量，據(jù)其質(zhì)量查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取HSG型液壓缸直徑63 mm，根據(jù)送管機(jī)水平高度及起升高度要求，設(shè)計(jì)最大行程530 mm。

2.2 移動(dòng)滑車(chē)設(shè)計(jì)

移動(dòng)滑車(chē)是折疊式油管移送裝置完成接送管工作的重要部件。在起、下油管過(guò)程中，為了防止油管螺紋磨損，必須將油管的外螺紋端徹底放在移動(dòng)滑車(chē)上才能繼續(xù)下管或起管的后續(xù)工作。在接送管過(guò)程中，若移動(dòng)滑車(chē)導(dǎo)軌發(fā)生一定頻率的顫動(dòng)，則移動(dòng)滑車(chē)和油管隨時(shí)都有掉落的可能[9]。因此，解決此問(wèn)題對(duì)保護(hù)油管、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度及消除安全隱患都具有重大意義[4,9]。為此設(shè)計(jì)了由液壓馬達(dá)控制鋼絲繩拖拽移動(dòng)滑車(chē)的結(jié)構(gòu)。

移動(dòng)滑車(chē)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由車(chē)輪、滑車(chē)車(chē)體、滑車(chē)?yán)趾突?chē)棘輪等組成。

1—滑車(chē)車(chē)體；2—車(chē)輪；3—滑車(chē)?yán)郑?—滑車(chē)棘輪。

接管工作開(kāi)始之前，先通過(guò)液壓馬達(dá)控制移動(dòng)滑車(chē)移動(dòng)至前活動(dòng)梁前端，方便接管。在舉升油缸舉起主梁后，吊卡抓起油管并豎直向下移送至前活動(dòng)梁前端滾輪處。吊卡將油管外螺紋端送至油管移送裝置前端，通過(guò)滾輪滑入移動(dòng)滑車(chē)，此時(shí)液壓馬達(dá)啟動(dòng)，控制鋼絲繩拖拽滑車(chē)沿導(dǎo)軌向末端移動(dòng)，同時(shí)吊卡抓住油管向下移動(dòng)。到達(dá)末端后，頂管液壓缸將油管頂出完成后續(xù)排管工作，此時(shí)移動(dòng)滑車(chē)由后活動(dòng)梁末端回到前活動(dòng)梁前端。

2.3 側(cè)鉤設(shè)計(jì)

取放管機(jī)構(gòu)三維示意圖如圖4所示。側(cè)鉤機(jī)構(gòu)包括側(cè)鉤、側(cè)鉤上料液壓缸、頂管斜面導(dǎo)向板、頂管液壓缸、側(cè)鉤連接座和側(cè)鉤支撐座等。頂管斜面導(dǎo)向板可取出翻轉(zhuǎn) 180°再次插入，以滿(mǎn)足在起管作業(yè)時(shí)修井現(xiàn)場(chǎng)讓油管向另外一側(cè)排管的需求。

1、6—側(cè)鉤；2—側(cè)鉤上料液壓缸；3—頂管斜面導(dǎo)向板；4—頂管液壓缸；5—側(cè)鉤連接座；7—側(cè)鉤支撐座。

下管作業(yè)時(shí)，側(cè)鉤上料液壓缸工作，側(cè)鉤勾起管排架上的油管并舉起滾入導(dǎo)軌中的移動(dòng)滑車(chē)中，后續(xù)送管工作由移動(dòng)滑車(chē)完成。起管作業(yè)時(shí)，油管被完全放置到梁槽內(nèi)后，頂管液壓缸工作，使前、后頂管斜面導(dǎo)向板頂出油管，油管沿導(dǎo)向板傾斜角度方向滾落到管排架上。

2.4 液壓管線(xiàn)的選取

液壓管線(xiàn)是截面形狀為圓形的空心管線(xiàn)，通用外徑有6.350、3.175及12.700 mm。修井作業(yè)過(guò)程中有時(shí)會(huì)有振動(dòng)現(xiàn)象導(dǎo)致連接件出現(xiàn)松動(dòng)，嚴(yán)重的可能會(huì)使管路破裂，液壓儀器元件損壞，因此液壓系統(tǒng)中要特別注意儀表管線(xiàn)的選取及連接方式。主要連接方式有低壓儀表管線(xiàn)連接和中高壓儀表管線(xiàn)連接。低壓儀表管線(xiàn)連接又分儀表管線(xiàn)單卡套連接、儀表管線(xiàn)雙卡套連接和圓錐管螺紋連接[10]。

與折疊式油管移送裝置配合使用的直井修井機(jī)屬于低壓系統(tǒng)，一般采用卡套連接方式。該種連接方式安裝便捷，密封性能好，抗振動(dòng)性能也較強(qiáng)。根據(jù)作業(yè)實(shí)際情況采用?12.7 mm的管線(xiàn)。與單卡套連接相比，雙卡套連接能夠進(jìn)一步承壓，并且密封性能也有很大提高，后卡套結(jié)構(gòu)具有出色的抗振動(dòng)疲勞性能，故采用雙卡套連接。

3 油管移送裝置運(yùn)動(dòng)分析

3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

為了對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，首先要建立系統(tǒng)力學(xué)模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，且所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)建在一個(gè)平面，因此該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為雙滑塊橢圓規(guī)機(jī)構(gòu)，如圖5所示。在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)計(jì)算該裝置吊卡夾持油管下落速度與滑車(chē)在導(dǎo)軌運(yùn)行速度的關(guān)系，即圖5中va與vb的關(guān)系。以B點(diǎn)為基點(diǎn)建立x-y坐標(biāo)系，A點(diǎn)為油管在小車(chē)上的支點(diǎn)；B點(diǎn)為油管在游動(dòng)吊卡上的支點(diǎn)；L為油管長(zhǎng)度，mm；L1為A、B兩點(diǎn)的水平距離，mm；va為游動(dòng)吊卡的速度，m/s；va′為小車(chē)豎直方向速度(va′與va大小相等，方向相同)；vb為小車(chē)沿支撐平臺(tái)方向的速度，m/s；θ為油管與y方向的夾角，rad；?為小車(chē)支撐平臺(tái)與y方向的夾角，rad；μ為支撐平臺(tái)與x方向的夾角，rad；λ為vba反方向矢量與x方向的夾角，rad；β為vba反方向矢量與支撐平臺(tái)夾角，rad；β′為vb與vba夾角，rad；α為vb與y反方向夾角，rad；η為vba反方向矢量與va夾角，rad。

油管移送裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 舉升運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型

由余弦定理可知：

(1)

由幾何關(guān)系可知：

(2)

λ=β

(3)

則有：

(4)

于是有：

λ=π-?-η

(5)

由上述公式可得 ：

(6)

油管做平面運(yùn)動(dòng)，可將小滑車(chē)速度vb分解為垂直于油管向上的分量vba和豎直向下的速度分量va′，以B為基點(diǎn)，則滑車(chē)A點(diǎn)的速度為：

vb=va′+vba

(7)

即：

vb=va+vba

(8)

已知va的大小和方向、vb的方向及vba的方向垂直于油管，可作出速度平行四邊形，如圖5所示。

由圖5中幾何關(guān)系可得：

(9)

則有：

β′=β

(10)

在速度合成三角形中由正弦定理可得：

(11)

將式(6)、式(9)和式(10)代入式(11)可得：

(12)

進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

(13)

將式(2)代入式(13)得：

(14)

3.2 移動(dòng)滑車(chē)速度調(diào)節(jié)

移動(dòng)滑車(chē)在運(yùn)送油管過(guò)程做變速運(yùn)動(dòng)，因此提出了采用液壓馬達(dá)控制移動(dòng)滑車(chē)速度的方案。

理論轉(zhuǎn)矩為：

T=Fr

(15)

理論流量為：

(16)

式中：q0為液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)排出液體的體積，m3/r；F為移動(dòng)滑車(chē)與油管重力，N；r為滾筒半徑，mm。

馬達(dá)輸出軸上輸出的機(jī)械功率為：

P0=pQη

(17)

(18)

由式(13)和式(14)得：

(19)

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；η為總效率；p為工作壓力，Pa；Q為實(shí)際流量，m3/s。

液壓馬達(dá)軸輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩為：

(20)

ηv=Q0/Q

(21)

η=ηvηm

(22)

則實(shí)際流量為：

(23)

將式(19)、式(21)、式(22)代入(23)可得：

(24)

式中：T0為液壓馬達(dá)軸輸出的轉(zhuǎn)矩，N·m；ηv為液壓馬達(dá)容積效率；ηm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率；Q0為理論流量，m3/s。

當(dāng)?shù)蹩▽⒂凸芴崞鸱湃胍苿?dòng)滑車(chē)后，操作液壓馬達(dá)手動(dòng)換向閥即可調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的液壓油排量，進(jìn)而調(diào)節(jié)移動(dòng)滑車(chē)速度[11]，使其與吊卡移動(dòng)速度相匹配，控制鋼絲繩拖拽移動(dòng)滑車(chē)，從而完成接送管工作。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

折疊式油管輸送裝置于2019年研發(fā)成功，至今已生產(chǎn)20多套，申請(qǐng)專(zhuān)利達(dá)6項(xiàng)。在大港油田、勝利油田、中原油田和江漢油田均有批量應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明:折疊式油管輸送裝置操作便捷，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，接送管對(duì)位精準(zhǔn)。配合液壓吊卡平均接卸管柱速度為45根/h，最高接卸管柱速度為50根/h，完全滿(mǎn)足修井作業(yè)起下油管需求。該裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖6所示。

圖6 折疊式油管輸送裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

5 結(jié) 論

(1)折疊式油管輸送裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了油管的自動(dòng)移送，省去了工作人員手動(dòng)排放油管的工序，滿(mǎn)足操作人員控制起下油管的速度需求，大幅提高了油管移運(yùn)的可靠性，同時(shí)提升了修井機(jī)起下油管的效率。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明:折疊式油管輸送裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝操作方便，接送管對(duì)位準(zhǔn)確，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，運(yùn)行安全可靠。