修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高 勝，劉麗雪，張飄石，，王善強(qiáng)

（1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318；2.遼河石油勘探局 曙光工程技術(shù)處，遼寧 盤錦124010）①

我國(guó)油田每年進(jìn)行的各類修井作業(yè)中，85%以上為小修作業(yè)。其中，起下作業(yè)在小修作業(yè)過程中工作頻率最高，所耗費(fèi)的時(shí)間一般要占據(jù)修井總用時(shí)的70%以上［1－2］。目前，國(guó)內(nèi)大部分油田修井作業(yè)一直采用吊卡與慣性小滑車互相配合對(duì)管柱進(jìn)行起吊與下甩，4人協(xié)同、輪流交換的作業(yè)方式［3－4］，其具體工作過程如下：

1） 上管柱 首先由2名工人利用撬杠將管柱從管排架抬到慣性小滑車上，管柱一端由小滑車固定，另一端搭在坡道上，卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)小滑車運(yùn)動(dòng)，管柱沿著坡道滑動(dòng)上升至修井平臺(tái)上，再用吊卡卡住管柱，卸掉小滑車，利用吊卡將管柱拉起，使管柱另一端至井口處與井內(nèi)管柱進(jìn)行對(duì)扣。

2） 下管柱 首先利用吊卡將1根管柱從井內(nèi)拉出并卸扣，由工人將管柱末端推至坡道，吊卡隨游車下行，管柱沿著坡道下滑至慣性小滑車上，管柱隨小滑車運(yùn)動(dòng)到水平位置，然后由2名工人將管柱推至管排架上［5］。

顯然上述操作方式需要多人共同完成，并且其工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)危險(xiǎn)性高。遼河油田主產(chǎn)稠油，稠油易凝固，更不利于管柱的輸送，增加了管柱拉送和排放的難度。為了解決這一技術(shù)難題，本文提出一種修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置，實(shí)現(xiàn)了送管、甩管等多種功能的自動(dòng)化操作。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作流程

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置主要由底座、上下管機(jī)構(gòu)、造斜滑道、動(dòng)力伸出臂組成，總體上可按照固定底座、上下管機(jī)構(gòu)、造斜滑道起落機(jī)構(gòu)、動(dòng)力臂進(jìn)退機(jī)構(gòu)4大模塊劃分，裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。造斜滑道起落機(jī)構(gòu)主要采用1個(gè)主液壓缸、2個(gè)輔助液壓缸的支撐結(jié)構(gòu)。滑道作為動(dòng)力伸出臂的載體，一端與固定底座鉸接，另一端與液壓缸相連。造斜主液缸行程為480mm，最大傾斜角為15°。動(dòng)力臂進(jìn)退主要是由液壓缸控制，實(shí)現(xiàn)管槽前進(jìn)與后退，伸出行程可達(dá)2m，將管柱準(zhǔn)確送至井口。

圖1 修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置總體結(jié)構(gòu)

1.1.1 底座

底座是由普通型材焊接而成，底座的兩端分別與4個(gè)上下管機(jī)構(gòu)相連，上部承載造斜滑道和動(dòng)力伸出臂送管機(jī)構(gòu)，中間放置液壓站和電控柜，方便液壓管線、電線的排放。底座與上下管機(jī)構(gòu)之間由穩(wěn)定架斜拉桿固定，穩(wěn)定架斜拉桿起到支撐和穩(wěn)定上下管機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作的作用；底座上有斜拉桿掛耳，穩(wěn)定架斜拉桿取下可放置于掛耳上，使得上下管機(jī)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)90°，收放自如，運(yùn)輸安全穩(wěn)定；底座上焊接液壓缸銷座，連接3個(gè)造斜起升液壓缸，穩(wěn)定地支撐起造斜機(jī)構(gòu)。底座設(shè)計(jì)強(qiáng)度高，具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

1.1.2 滑道

滑道包括主滑道和輔助滑道，長(zhǎng)6 000mm。滑道中間采用80mm液壓缸推動(dòng)動(dòng)力伸出臂，伸出行程可達(dá)2m。主滑道前端和動(dòng)力伸出臂后端均有導(dǎo)輪，使動(dòng)力臂在伸出時(shí)減少摩擦；輔助滑道成V形，在工作時(shí)也可起到防護(hù)板的作用，避免油水污染設(shè)備。

1.1.3 動(dòng)力伸出臂

動(dòng)力伸出臂由滑道和斜撐承載，動(dòng)力伸出臂的下端有液壓缸活塞桿，與滑道上端的液壓缸相配合，滿足作業(yè)時(shí)運(yùn)載管柱前伸至井口的需要。動(dòng)力伸出臂上端的V形槽兩端有擋銷，防止上管撥叉撥管柱時(shí)管柱滑出管槽，V形槽兩側(cè)均可安裝，根據(jù)工作需要選擇安裝位置。由于管柱表面沾有大量稠油，稠油易凝固，增大了管柱與V形管槽之間的摩擦力，容易卡住管柱，不利于管柱下放，動(dòng)力伸出臂上端的V形槽中間有鏈條，兩端的馬達(dá)和鏈輪帶動(dòng)鏈條工作可順利移運(yùn)管柱。

1.1.4 上下管機(jī)構(gòu)

上下管機(jī)構(gòu)主要由上管撥叉、下管撥叉、2個(gè)63mm上下管撥叉液壓缸和1個(gè)100mm支腿液壓缸組成。上管時(shí)，在上管液壓缸的控制下，上管撥叉將管排架上的管柱撥到動(dòng)力伸出臂的鏈條上，鏈條不動(dòng)，動(dòng)力臂伸出帶動(dòng)管柱至井口。下管時(shí)，管柱由鏈條帶動(dòng)回到原位，動(dòng)力臂縮回，造斜機(jī)構(gòu)回落，下管撥叉由液壓缸控制，將管柱撥到管排架上。由于現(xiàn)場(chǎng)地面工作環(huán)境惡劣，通過支腿液壓缸對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行調(diào)平，使該裝置在工作時(shí)穩(wěn)定可靠，同時(shí)支腿液壓缸可根據(jù)作業(yè)要求調(diào)整該裝置的高度，如圖2所示。

圖2 上下管機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

1.2 工作流程

以管柱由管排架送至井口為例，該裝置的主要作業(yè)過程分為以下3個(gè)步驟：

1） 撥起管柱 首先調(diào)試該裝置，使之處于工作狀態(tài)，然后啟動(dòng)上管機(jī)構(gòu)液壓缸工作，該機(jī)構(gòu)中的上管撥叉自動(dòng)將管排架上的1個(gè)管柱撥起，在擋銷的限制作用下，使管柱安全地停在動(dòng)力伸出臂V形槽上方的鏈條上。

2） 斜起管柱 管柱被撥到動(dòng)力伸出臂上后，在造斜主副液壓缸的控制下斜撐機(jī)構(gòu)開始工作，使得管柱傾斜一定角度，以便前送管柱，實(shí)現(xiàn)送管作業(yè)。

3） 推送管柱 動(dòng)力伸出臂沿滑道前進(jìn)，使得管柱和工作臺(tái)面有一個(gè)相同的定位基準(zhǔn)，保證管柱對(duì)中移送到指定的位置，完成接送管柱任務(wù)。然后逆向運(yùn)動(dòng)，退回到初始位置，準(zhǔn)備操作下根管柱。

回送管柱則是1個(gè)逆過程，管柱隨吊卡上行到一定高度，由工人將管柱一端推到V形槽內(nèi)，吊卡隨游車下行，同時(shí)V形槽中間的鏈條在兩端的馬達(dá)和鏈輪帶動(dòng)下工作，移運(yùn)管柱，當(dāng)管柱完全進(jìn)入到V形槽后，然后動(dòng)力臂后退，斜撐機(jī)構(gòu)回落，下管撥叉將管柱撥到管排架上，完成回送管柱作業(yè)。該裝置的整個(gè)工作過程如圖3所示。

圖3 管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置的管柱處理流程

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓站采用泵埋入式結(jié)構(gòu)，使用型號(hào)、排量相同的雙聯(lián)高壓齒輪泵，保證流量相同，該泵直接植入液壓油箱，由11kW電機(jī)直聯(lián)帶動(dòng)，系統(tǒng)潤(rùn)滑性好，噪聲小；泵站出口配置了安全閥、壓力表等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。控制閥采用專用4路雙向4WE6E－6／CG24Z4型液壓電磁閥，集成了電磁溢流閥、調(diào)速閥等液壓控制閥，確保設(shè)備在各種狀況下的正常運(yùn)行。液壓缸包括1支100mm造斜起升主液壓缸，2支63造斜起升副液壓缸，1支80mm前伸液壓缸和8支63 mm上下管機(jī)構(gòu)液壓缸，4支100mm支腿液壓缸。全部采用國(guó)產(chǎn)出口級(jí)液壓缸，進(jìn)口密封件，確保每天500次以上頻次使用5a。

液壓系統(tǒng)如圖4所示，該液壓系統(tǒng)有3條進(jìn)油路，1條回油路。以前送管柱為例說明整個(gè)工作過程：首先，由泵（32）提供動(dòng)力，通過三位四通手動(dòng)換向閥（21～24）分別調(diào)節(jié)支腿液壓缸，使該設(shè)備平穩(wěn)后，關(guān)閉換向閥；然后，選擇左側(cè)上管機(jī)構(gòu)工作，由泵（31，32）提供動(dòng)力，通過三位四通電磁換向閥（13，17）控制左前起和左后起液壓缸，完成上管操作；其次，由泵（31）提供動(dòng)力，通過三位四通電磁換向閥（11）控制造斜液壓缸，完成造斜操作；最后，由泵（31，32）共同提供動(dòng)力，通過三位四通電磁換向閥（12）控制前伸液壓缸，動(dòng)力臂伸出，將管柱送至井口，完成送管作業(yè)。

回送管柱時(shí)該裝置的執(zhí)行動(dòng)作為反向，由于稠油易凝固，容易卡住管柱，不利于管柱下放，則由泵（31）提供動(dòng)力，通過二位四通電磁換向閥（2）控制液壓馬達(dá)工作，鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，管柱隨鏈條運(yùn)動(dòng)，管柱回到原位，之后動(dòng)力臂退回、造斜機(jī)構(gòu)下落、上下管機(jī)構(gòu)下管，完成回送管柱作業(yè)。各液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間如表1所示。

表1 各液壓缸運(yùn)行時(shí)間 s

3 控制系統(tǒng)組成及原理

控制系統(tǒng)主要包括控制柜、主控制盒、副控制盒和遙控系統(tǒng)。

3.1 控制柜

控制柜是電控系統(tǒng)的核心，包括PLC控制器、變壓器、電源開關(guān)、接線端子、線夾、警鈴、遙控接收器等。該裝置的控制系統(tǒng)采用PLC程序完全控制，它依據(jù)預(yù)先編寫的邏輯程序，將操作指令和限位開關(guān)反饋信號(hào)進(jìn)行處理，然后對(duì)被控對(duì)象發(fā)出通斷命令。

3.2 主控制盒

主控制盒1個(gè)，采用集中式設(shè)計(jì)，安裝在上下?lián)芄軝C(jī)構(gòu)的中間。操作面板全部為操作按鈕，實(shí)現(xiàn)了控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、手動(dòng)自動(dòng)切換、左右位選擇、自動(dòng)學(xué)習(xí)、電源啟停、油泵啟停等操作，并且有急停按鈕，確保整個(gè)工作過程的安全。

3.3 副控制盒

副控制盒4個(gè)，采用分布式設(shè)計(jì)，方便工作人員控制該裝置工作，分別安裝在上下?lián)芄軝C(jī)構(gòu)的上部。若右側(cè)上下管機(jī)構(gòu)工作時(shí)，應(yīng)在左側(cè)上下管機(jī)構(gòu)上的副控制盒上進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試；反之，左側(cè)上下?lián)芄軝C(jī)構(gòu)工作時(shí)，應(yīng)在右側(cè)上下管機(jī)構(gòu)上的副控制盒上進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試。副控制盒主要實(shí)現(xiàn)了控制該裝置的每個(gè)動(dòng)作，完成上下管機(jī)構(gòu)上下?lián)芄堋⒃煨睓C(jī)構(gòu)起落、動(dòng)力伸出臂進(jìn)退的操作。

圖4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

3.4 遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)主要由遙控發(fā)射器與遙控接收器組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該管柱移運(yùn)裝置所有動(dòng)作的控制。遙控系統(tǒng)采用400MHz工業(yè)通訊頻段，有效距離為100m，可遠(yuǎn)程操控該裝置執(zhí)行動(dòng)作，完成起下管柱作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工人可在距井口一定距離的安全區(qū)域控制裝置動(dòng)作。

該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)多種模式控制。手動(dòng)模式操作時(shí)，首先將主控制盒上“手動(dòng)自動(dòng)切換”按鈕切換到手動(dòng)位置，然后通過主副控制盒上的相應(yīng)動(dòng)作的操作按鈕完成；半自動(dòng)模式可通過手動(dòng)操作與遠(yuǎn)程操控共同完成該裝置整個(gè)工作過程的動(dòng)作；全自動(dòng)模式通過主控制盒上的“手動(dòng)自動(dòng)切換”按鈕將手動(dòng)狀態(tài)切換到自動(dòng)狀態(tài)，在主控制盒上按下“自動(dòng)學(xué)習(xí)”按鈕進(jìn)行操作動(dòng)作的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程結(jié)束后，按下“手動(dòng)自動(dòng)切換”按鈕，將裝置轉(zhuǎn)換到自動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，可通過遙控器或者副控制盒上的“一鍵式上管”、“一鍵式下管”、“一鍵式前送”、“一鍵式回退”、“鏈傳動(dòng)起”、“鏈傳動(dòng)停”等按鈕完成自動(dòng)上管和自動(dòng)下管的全過程。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2012－12，所研制的管柱移運(yùn)機(jī)械化裝置在遼河油田已經(jīng)完成特油超稠油作業(yè)井和淺海作業(yè)井的6井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。總體來講，該裝置能夠通過手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)3種模式實(shí)現(xiàn)管柱在管排架與井口之間的自動(dòng)移運(yùn)與排放，效果良好，該裝置達(dá)到了輸送速度1～2根／min的設(shè)計(jì)要求；通過試驗(yàn)，舉升力≥4kN；舉升高度都能達(dá)到小修作業(yè)井口高度；具有性能穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、消除安全隱患等優(yōu)點(diǎn)。井口管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置工作現(xiàn)場(chǎng)如圖5。

圖5 井口管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置工作現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

1） 該修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置屬自主研發(fā)，構(gòu)思新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)可行，并能夠與現(xiàn)有的修井設(shè)備配合使用，實(shí)現(xiàn)了管柱移運(yùn)與排放的自動(dòng)化操作。

2） 該裝置舉升力、舉升高度和運(yùn)移速度經(jīng)過試驗(yàn)，均安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并且實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)多種模式控制，機(jī)械自動(dòng)化程度較高，對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率和安全性都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也為進(jìn)一步提升修井作業(yè)相關(guān)裝備的技術(shù)水平提供了可借鑒的思路。

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