斜直井修井機抓管裝置設計與分析

郭建東，郭登明，王斌虎，關文韜

(1.長江大學，湖北 荊州 434023； 2.新疆油田公司 物資管理部，新疆 克拉瑪依 834000；3.長慶油田分公司 第九采油廠，銀川 750001)

在我國各油田每年進行的 10萬多次各類修井作業中，小修作業占60%以上，直井作業占絕大多數，也有一部分為淺層斜直井作業，例如河南油田、新疆油田的淺層稠油開采等。針對目前國內斜直井修井機技術發展相對落后，且不能滿足現場作業要求的現狀，筆者研發了一種用于淺層斜直井作業的新型全液壓斜直井修井機。其主體結構為撬裝結構，主要由動力系統、井架及驅動系統、底座、對中系統、上卸扣系統、油管移運系統、液壓控制系統、電控及操作系統組成。該斜直井修井機的主要特點是：結構緊湊，安全可靠、作業效率高，可一個人進行作業操作。油管移運系統是斜直井修井機重要構件之一，油管移運系統是否能正常高效的工作，關乎到整個斜直井修井機的作業效率。抓管機是油管移運系統的核心部件，大幅提高了機械化水平，并使作業的可靠性更高，過程更加精確與快速。本文介紹了抓管機的基本結構以及工作原理，建立了抓管機的動力系統力學模型和運動方程，并對液壓抓管鉗進行設計與分析。

1 抓管裝置結構及原理

1.1 結構

斜直井修井機抓管機主要由主臂、副臂、液壓抓管鉗、擺臂、連接桿、微調裝置、拍管裝置、固定裝置及液壓缸等組成，如圖1所示。其中，抓管臂分為主臂和副臂，主臂上的固定裝置連接副臂，構成了四連桿機構。利用微調裝置進行微調，彌補抓管過程中的工作誤差。主臂由舉升液壓缸提供動力，將整個抓管裝置舉升起來，進行抓管作業。副臂上裝有拍管裝置、定位裝置、擺臂及擺動液壓缸。液壓抓管鉗安裝在箱體內，箱體通過軸與擺臂連接，可隨重力作用而轉動。

1—抓管主臂；2—抓管副臂；3—拍管裝置;4—定位裝置；5—擺臂；6—連接桿；7—箱體；8—油管；9—液壓抓管鉗；10—擺動液壓缸；11—微調裝置；12—固定裝置；13—拍管液壓缸；14—舉升液壓缸。

1.2 工作原理

抓管裝置安裝在斜直井修井機底座的后端，與支架共用1個旋轉軸。在起管作業時，主臂通過舉升液壓缸驅動，由水平位置旋轉45～60°至工作位置。在主臂旋轉舉升的過程中，擺臂也同時由擺動液壓缸驅動旋轉至垂直于副臂的位置。在液壓抓管鉗接觸并支撐油管后，首先由閉口液壓鉗通過沖扣、卸扣等一系列操作，將井口的油管與井下的油管柱脫扣；然后，液壓抓管鉗夾緊井口油管，游吊卡上移并脫離井口油管；最后，主臂通過舉升液壓缸驅動回到水平位置，同時擺臂也由垂直位置旋轉至傾斜位置(以降低油管的高度)。在整個抓管機的工作過程中，通過舉升液壓缸與擺動液壓缸的配合作用，使2個液壓抓管鉗的中心線始終與副臂保持平行狀態，以保證油管在抓取和輸送過程中不會發生與副臂的碰撞。在下油管作業時，油管首先通過管架系統的輸送機構移至液壓抓管鉗上；其次，由拍管裝置(由拍管液壓缸驅動)拍動油管，使油管調整至適當位置，以保證油管輸送至預定位置時，既不與上端的游吊卡相撞，也不與下端的閉口液壓鉗相撞；然后拍管裝置復位，液壓抓管鉗夾緊油管，由抓管機將油管輸送到預定位置；最后游吊卡下移一套入油管并夾緊，液壓抓管鉗松開，油管下移對中后由閉口液壓鉗上扣并擰緊，抓管機下放至水平位置。在整個起管和下管作業過程中，全部采用液控驅動，大幅提高了油管移運的可靠性和效率。

1.3 主要技術參數

抓管裝置最大轉動角度

60°±2°

擺臂最大旋轉角度

66.65°

擺臂最大擺動距離

1 350 mm

兩擺臂間的安裝距離

4 000 mm

油管中心距副臂的最大高度

1 484 mm

適應油管外徑

?60.5、?73.0、?88.9 mm

抓管鉗夾緊力

6 kN

抓管鉗適應油管質量

90～150 kg

2 抓管裝置運動分析

2.1 主臂運動分析

為了對主臂進行運動分析，首先要建立系統數學模型，對整個系統進行簡化，且運動機構所有構件群在一個平面，所以該系統可以簡化為以機械臂鉸鏈為中心的平面系統。A點為舉升液壓缸在作業平臺上的支點；B點為抓管裝置在平臺上后支座的支點；C點為舉升液壓缸的液壓桿與主臂的連接點；C1點為舉升液壓缸將主臂舉升至工作位置時液壓桿與主臂的連接點。L1是A點到B點的垂直距離；L2是A點到C點的水平距離；L3是BC之間的距離。φ1為舉升液壓缸活塞桿的旋轉角度；φ2為主臂的旋轉角度;θ為AB與BC的夾角。如圖2所示。

圖2 主臂運動系統的力學模型

根據斜直井修井機設計技術要求，起下管柱速度不小于30 根/h，結合修井機作業流程推算主臂從水平位置舉升至工作位置的時間t1不超過10 s。假定舉升液壓缸活塞桿的速度為v1。將活塞桿的運動矢量向x軸、y軸分別投影，可得矢量方程解析式。

(1)

將式(1)中對時間求一次導數，可得到一階運動微分方程，即主臂與舉升液壓缸速度分析的關系式為：

(2)

(3)

將式(3)中對時間求一次導數，可得到一階運動微分方程，即主臂與舉升液壓缸的速度分析關系式為：

(4)

式中：s1為舉升液壓缸活塞桿的伸出距離，m；w1為舉升液壓缸的角速度，s-1；w2為主臂的角速度，s-1。

此時舉升液壓缸缸筒沒有活塞桿的一端進油時，即無桿腔進油，有活塞桿的一端回油，活塞桿從缸筒內伸出，以保證舉升過程中推力足夠。

舉升液壓缸活塞桿伸出時推力為：

(5)

進入舉升液壓缸的液體流量為：

(6)

2.2 擺臂運動分析

在擺臂進行運動分析時，對單個擺臂(前臂)進行簡化，建立系統數學模型。E點為液壓缸在抓管副臂上的支點；F點為擺臂在抓管副臂上的支點；G點為擺臂處于傾斜位置時液壓桿在擺臂上的支點；G1點為擺臂垂直位置時液壓桿在擺臂上的支點；D點為擺臂處于傾斜位置時的頂點；D1為擺臂處于垂直位置時的頂點。當抓管裝置開始工作時，擺臂處于傾斜位置，依靠在斜撐上，L5是E點到F點的水平距離；L6是F點到G點的距離；L7是E點到G點的垂直距離。φ3為擺動液壓缸活塞桿的旋轉角度；φ4為擺臂的旋轉角度；α為EG與x軸之間的夾角；β為FD與x軸之間的夾角。擺臂運動系統的分析模型如圖3所示。

圖3 擺臂運動系統的分析模型

2根擺臂通過連接桿連接與主臂組成平行四邊形機構，油管與副臂上平面須始終保持平行狀態，油管在運移作業中不發生碰撞。在主臂舉升的過程中，擺臂同時擺動。假定擺動液壓缸活塞桿的速度為v2，與主臂運動系統同理分析，可得擺臂與擺動液壓缸的速度關系式為：

(7)

式中：s2為擺動液壓缸活塞桿的縮進距離，m；w3為擺動液壓缸的角速度，1/s；w4為擺臂的角速度，1/s。

此時擺動液壓缸缸筒由活塞桿一端進油，即有桿腔進油，無活塞桿一端回油，活塞桿會向缸筒內縮回。擺動液壓缸活塞桿縮回時的拉力為：

(8)

進入擺動液壓缸的液體流量為：

(9)

抓管裝置在抓取油管的過程中，擺臂由傾斜位置拉回至垂直位置時，擺動液壓缸需要通過雙向液壓鎖控制。雙向液壓鎖由2個液控單向閥組成，液壓鎖進油及控制油泄壓時，2個液控單向閥迅速關閉，可實現對擺動液壓缸的雙向鎖緊，使得擺臂在抓管機作業過程中不發生晃動，保證修井作業順利完成。在油管鉗抓緊油管后，4支微型液壓缸需要通過同步閥雙向液壓鎖來控制。液壓油通過同步閥雙向液壓鎖實現對4個油缸均分。采用同步閥能夠比較精確地實現油缸的同步，使得2個液壓油管鉗的4個牙板可以同步夾緊油管，并在油管移運過程中不松動。

3 液壓抓管鉗

3.1 結構

修井機的油管移送作業需要管鉗抓取油管來配合。液壓抓管鉗三維模型如圖4所示。液壓抓管鉗上設計安裝有3塊牙板，以保證油管在抓取過程中不會滑動。其中2塊牙板安裝在兩側的抓手板上，還有1塊牙板安裝在固定座上。抓手板的運動由液壓缸驅動。

圖4 液壓抓管鉗三維模型

3.2 抓管鉗的夾緊力計算

液壓抓管鉗抓手板的夾緊力，需要克服管柱自身重力以及管柱運動狀態變化時產生的慣性力，從而保持可靠的夾緊狀態。

機械手手指的夾緊力為：

FN≥K1K2K3G

(10)

式中：K1為安全系數，通常取1.2～2.0；K2為工況系數，主要考慮慣性力的影響；K3為方位系數，根據抓手板與油管的位置不同進行選擇；G為抓取油管的重力，N。

3.3 液壓抓管鉗的應力分析

當抓管裝置將油管舉升至傾斜角度為60°的工作位置抓取油管時，液壓抓管鉗受到的重力及沖擊最大，利用ANSYS對此位置進行靜力學分析，如圖5所示。

a 應力云圖

由圖5中可知，抓管鉗應力最大處為抓手板與牙板連接處，因此在實際制造中應將連接處加固焊牢。基于抓管鉗靜力分析結果，得出應力小于許用應力且安全系數為15，因此該液壓抓管鉗設計合理，可以安全使用。

4 結論

1) 根據斜直井修井的工況，研制了可用于傾斜角度為45～60°的修井機抓管裝置。分析了抓管裝置的工作原理。作業全程采用液控驅動，大幅提高了油管移運的可靠性和效率。

2) 建立了抓管機裝置的主臂和擺臂的力學模型，進行運動和動力學分析；對液壓缸的推力及流量進行計算，以及作業時平衡閥和液壓鎖的控制流程做出了說明。

3) 建立了液壓抓管鉗模型。計算了抓管鉗的夾緊力，并對抓管鉗結構進行靜力學分析，得出應力和安全系數均符合設計要求。