修井作業(yè)新型背鉗的研制與應用

呂文杰,劉燕燕,張 滿,李 緯

(1.江蘇如通石油機械股份有限公司，江蘇 如東226400；2.中國石油長慶油田分公司 第五采油廠，陜西 西安 710200；3.中國石油華北油田分公司 第二采油廠，河北 霸州 065709)

0 前言

油井小修作業(yè)的工作包括：沖砂、清蠟、檢泵、更換井下工具、簡單的打撈、注灰等。需要利用修井機提升設(shè)備頻繁的起下井內(nèi)油管和抽油桿作業(yè)，從而完成對油管、抽油桿等管桿的清洗、修復作業(yè)。小修作業(yè)的大部分工作通過人工完成，勞動強度高，作業(yè)環(huán)境也十分惡劣。為降低工人的勞動強度和改善工作環(huán)境，提高修井工人工作的安全性。目前修井井口作業(yè)實現(xiàn)了無人化操作。雖然小修自動化裝置大部分可以實現(xiàn)井口無人化，但是效率不及人工。在現(xiàn)場使用過程中，偶爾碰到扣特別緊的油管，在使用爬坡結(jié)構(gòu)的油管鉗時，會出現(xiàn)背鉗卡死以及上卸扣模式反復切換等情況，導致運行裝置自動中斷，影響作業(yè)效率。因此，本文設(shè)計了一套新型背鉗。通過配套新型背鉗，修井自動化裝置可以有效避免背鉗卡死，而不需要根據(jù)起下管作業(yè)切換上卸扣模式。

1 新型背鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

新型背鉗夾緊機構(gòu)卡緊方式的選擇是比較關(guān)鍵的。國內(nèi)外背鉗的夾緊機構(gòu)主要有內(nèi)曲線滾子爬坡夾緊機構(gòu)、液壓缸對夾機構(gòu)、杠桿式夾緊機構(gòu)和行星爪式夾緊機構(gòu)。爬坡卡緊機構(gòu)的油管規(guī)格變化時必須更換顎板，上卸扣過程中，扣特別緊的時候容易卡死。液缸對夾機構(gòu)采用液缸直接推牙板，對接箍的夾緊力無法準確控制，所有油管接箍都是一種夾緊力，而油管規(guī)格不同所承受的夾緊力也不同。杠桿式夾緊機構(gòu)，通過力臂的轉(zhuǎn)換，可提供較大的夾緊力，根據(jù)油管規(guī)格的變化需要更換鄂板。行星爪式卡緊機構(gòu)，各行星爪圍繞心軸轉(zhuǎn)動，使外曲牙板接觸油管,實現(xiàn)正、反向卡緊任意管徑管柱而不更換零件，但是該機構(gòu)的夾緊力無法隨油管扭矩的變化而變化。

通過分析各種夾緊機構(gòu)，設(shè)計了一種內(nèi)曲線滾子爬坡卡緊機構(gòu)，將坡板改為移動式。當管徑變化時無需更換鄂板，并且可以避免背鉗卡死的現(xiàn)象，同時內(nèi)曲線滾子爬坡卡緊機構(gòu)可以確保夾緊力隨扭矩的變化而變化。

如圖1所示，新型背鉗由殼體、坡板、鄂板、轉(zhuǎn)動架、推桿和液壓缸等組成，在修井自動化裝置中起到夾緊油管接箍的作用，上卸扣切換跟傳統(tǒng)爬坡背鉗不一樣，無需切換，可配合主鉗完成油管的上卸扣作業(yè)，還可以協(xié)助對中裝置完成油管公扣和母扣的對齊。

圖1 液壓鉗模型和新型背鉗模型

該作業(yè)鉗設(shè)計參數(shù):

背鉗適應范圍 73.0～114.3 mm

系統(tǒng)壓力 11 MPa

最大扭矩 6 000 N·m

新型背鉗采用楔形塊結(jié)構(gòu)，通過楔形推桿推動坡板向夾緊或松開油管接箍的方向運動，并可將液壓缸的推力轉(zhuǎn)化為夾緊油管的預緊力。

新型背鉗采用移動坡板結(jié)構(gòu)，一方面使背鉗夾緊力隨扭矩的增加而增大，起到保護接箍的作用，另一方面在油管規(guī)格變化時，不需要更換鄂板。

傳統(tǒng)背鉗根據(jù)起下管模式需要切換上卸扣模式，而新型背鉗只有夾緊和松開油管兩個動作，不需要根據(jù)起下管切換上卸扣模式。因此新型背鉗的動作更簡單。

夾緊油管的原理：液壓缸在液壓油的推動下伸出，帶動楔形推桿前移，從而推動坡板和鄂板向夾緊油管的方向移動，使油管接箍被鄂板預夾緊，在上卸扣過程中，當扭矩增大至一定值時，鄂板開始爬坡，直到扣被上緊或卸開停止。

松開油管的原理：液壓缸在液壓油的推動下縮回，帶動楔形推桿后移，從而推動坡板和鄂板向松開油管的方向移動，使鄂板松開油管接箍。

2 夾緊機構(gòu)受力分析

在內(nèi)曲線滾子爬坡卡緊機構(gòu)的設(shè)計中，坡板的形狀曲線很重要，要使其切徑比滿足合理的范圍。傳統(tǒng)背鉗的左右爬坡板是單獨安裝在齒圈內(nèi)，左右坡板間存在凹槽，用以增加鄂板的退讓空間。如圖2所示，新型背鉗坡板的形狀曲線由l1、l2以及l(fā)3組成，其中，圓弧l1的半徑為R1，圓弧l2和l3是對稱布置，且半徑均為R2,圓弧l2和l3分別與圓弧l1相切過渡，當鄂板在圓弧l1上時，鄂板不爬坡，當鄂板在圓弧l2或l3上時，鄂板會爬坡，夾緊力隨上卸扣扭矩的增加而增加。在上卸扣過程中，為縮短進入爬坡狀態(tài)的時間，圓弧l1段要盡量短。

圖2 坡板曲線示意圖

新型背鉗在進入上卸扣狀態(tài)前，先必須夾緊油管接箍，由液壓缸推動推桿，再由推桿推動鄂板夾緊油管接箍，此過程鄂板會給油管一個預緊力。如圖3所示，液壓缸的推力為

(1)

其中,P為液壓系統(tǒng)額定壓力，MPa；d為液壓缸缸筒直徑，mm。

因鄂板爬坡的夾緊力不大，各接觸面之間潤滑良好，鋼與鋼間的摩擦因數(shù)在0.04～0.05之間，在計算對油管的預緊力時，不考慮推桿與殼體、推桿與坡板以及坡板與殼體間的摩檫力。如圖3所示，鄂板對油管接箍的預緊力為

其中，θ為推桿斜坡的角度。

圖3 預緊力示意圖

新型背鉗的坡板是移動的，需要將切徑比控制在一定范圍，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，切徑比范圍0.3～0.6內(nèi)，而對于油管鉗，切徑比選取0.45～0.5比較合適。本設(shè)計中，根據(jù)卡持管徑的變化，坡板的距離也會隨之發(fā)生變化，因此，選取切徑比為一個范圍值0.46～0.48。

新型背鉗坡板的爬坡曲線計算引用參考文獻[1]的方法，從文獻中可以得知，摩擦圓對曲線的計算影響不大，本文取摩擦系數(shù)為0.15，可以簡化參考文獻[1]中的α2的求解過程。

在參考文獻[1]中，根據(jù)設(shè)定的已知量，結(jié)合繪圖軟件和Excel的計算功能，通過迭代參數(shù)，計算出切徑比在0.46～0.48的曲線。

該設(shè)計計算的關(guān)鍵點是在油管扣特別緊的時候，當鄂板出現(xiàn)爬坡時，鄂板通過坡板傳遞給推桿的反作用力，是否會推動推桿朝松開油管接箍的方向移動。

如圖4所示，坐標原點選取背鉗夾緊油管的圓心，坐標的x軸正方向向右，坐標的y軸正方向向上。當主鉗開始卸扣時，通過油管將動力傳遞背鉗鄂板，背鉗的坡板通過與鄂板滾輪的接觸點f產(chǎn)生一個對滾輪的法向力Q，由于滾輪與坡板、滾輪軸之間存在摩擦，法向力Q不通過滾輪的中心，會偏離角度。此處的法向力Q與參考文獻[1]的力Q為同一個力。從圖4中可以看出，當鄂板爬坡時，會產(chǎn)生將推桿沿x正方向移動的力，因兩鄂板為對稱布置，此處只對一個鄂板進行受力分析。角度β為法向力Q與y軸正方向的夾角，也就是鄂板的爬坡角度。

圖4 爬坡受力示意圖

法向力Q沿x、y方向的分力為

Q1=Q·sinβQ2=Q·cosβ

(2)

分力Q1會使坡板偏向殼體的一邊，產(chǎn)生摩檫力，因各機構(gòu)間的潤滑良好，推薦μ取值范圍為0.04～0.05，本研究選取摩擦系數(shù)為μ=0.045。

坡板與殼體間的摩擦力為

f1=μ·Q1=μ·Q·sinβ

(3)

對于推桿則有

F32=Q2-f1

(4)

(5)

則F3在沿x方向的分力為

F31=F32·tanθ

(6)

力F3使坡板與推桿間產(chǎn)生了摩檫力，其大小為

f2=μ·F3

(7)

摩檫力f2沿x、y方向的分力為

f21=f2·cosθ

(8)

f22=f2·sinθ

(9)

分力F32會使推桿與殼體間產(chǎn)生摩檫力，其大小為

f3=μ·(F32+f22)

(10)

推桿沿x正方向的合力為

F′=F31-f21-f3

(11)

聯(lián)立方程(1)～(10)的

F′=Q·(cosβ-μsinβ)·(tanθ-2μ-μ2·tanθ)

(12)

在式(12)中，摩擦系數(shù)μ為已知，而鄂板對坡板的反作用力Q以及β角通過參考文獻[1]中的公式求得。

從式(12)前半部分Q·(cosβ-μsinβ)可知，同樣的夾緊力，當β角度越小時，前半部分的值越大，因此在根據(jù)切徑比計算爬坡曲線時，β角度不宜過小。當β角度越小時，同樣大小的Q會產(chǎn)生更大的力F′。從式(12)后半部分(tanθ-2μ-μ2tanθ)可知，F(xiàn)′的值隨推桿的斜坡角度θ增加而增大，一般斜坡機構(gòu)的角度θ<45°。

在選取斜坡角度θ時，需要將式(12)計算的F′與式(1)計算的F值進行比較，并且確保F′

3 夾緊機構(gòu)的仿真分析

圖5 約束和載荷設(shè)置

實驗管柱和結(jié)構(gòu)位置已確定，此處采用Static equilibrium分析即可，圖6中Force軸顯示，坡板與推桿的合力大小為2.003 5×105N，圖7中Force軸顯示，坡板與推桿在x方向的分力大小為69 981 N。

圖6 坡板與推桿的合力

圖7 坡板與推桿在x方向的分力

通過仿真分析，可以為液壓缸的選型提供依據(jù)，為切徑比計算和結(jié)構(gòu)的靜力學分析提供數(shù)據(jù)支持。

4 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應用

4.1 室內(nèi)試驗

圖8 新型背鉗廠內(nèi)試驗

4.2 現(xiàn)場應用

新型背鉗完成室內(nèi)試驗后，配套在江蘇如通石油機械股份有限公司自主研發(fā)的修井自動化裝置上，于2018年8月開始在油田井下試用，試用了三口井，每口井起下油管兩次，平均240根/次，在設(shè)備運行過程中，新型背鉗使用效果良好，上卸扣過程中沒出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，為修井自動化裝置的順利作業(yè)提供了有利條件。圖9為新型背鉗的現(xiàn)場使用。

圖9 新型背鉗現(xiàn)場試驗

5 結(jié)論

(1)新型背鉗采用楔形塊結(jié)構(gòu)和移動坡板結(jié)構(gòu)，在保留爬坡原理的同時，避免了背鉗卡死的現(xiàn)象，不同規(guī)格油管也不需要更換鄂板，也無需切換上卸扣模式。

(2)通過Adams仿真分析，為液壓缸的選型提供了依據(jù)，為切徑比計算和結(jié)構(gòu)的靜力學分析提供了數(shù)據(jù)支持。

(3)通過廠內(nèi)試驗和現(xiàn)場試用，證明新型背鉗可以滿足小修自動化裝置的使用要求，提高了小修自動化裝置的作業(yè)效率。