新型修井自動液壓鉗的研制與應用

孫寶京，王 賀，尹 銳，沈君芳

（1.勝利油田油氣井下作業中心，山東東營 257000；2.勝利油田勝機石油裝備有限公司，山東東營 257000）

0 引言

起下作業是油田修井作業過程中工作頻率最高的作業形式，耗費時間一般占修井總用時的70%以上，而起下作業最主要的部分就是管柱的上卸扣作業[1]。傳統的修井作業由2 名井口工手動操作油管鉗實現管柱的上卸扣，作業強度大、環境惡劣、存在較大的安全隱患。

管柱自動化處理系統可提升作業效率和安全性能，大幅降低勞動強度，減少井場用工[2]。國際上能生產整套管柱自動化處理系統的只有NOV、MH 和HYDRALIFT 3 家公司[3]，隨著油田鉆修井管柱上卸扣技術的不斷升級，發展出了液壓鉗和鐵鉆工兩大類上卸扣裝備。針對液壓鉗，國內研究人員已開展相關研究，設計了多種適用于油田鉆修井作業的自動化液壓鉗[1，4-7]。趙俊利等設計了一種用于小修作業的液壓鉗[8]，并對該液壓鉗進行了運動學仿真分析，結果顯示該液壓鉗的運動平穩性較好。針對鐵鉆工，研究熱點主要集中于旋扣鉗的設計[9-13]和鉗牙的優化設計方面[14-15]。

目前，勝利油田約90%的修井上卸扣作業采用吊式液壓油管鉗，只有少數較大的修井作業平臺采用國外引進的大型鐵鉆工。雖然鐵鉆工明顯降低了修井工人的勞動強度，提高了修井作業的工作效率，但是其成本高、對管柱的對中性要求較高、且不便運輸，使其不適用于絕大多數油田的修井作業。基于現有的研究基礎，本文研發了一種適用于油田修井作業的自動液壓鉗，該裝備現已成功應用于生產實踐，有效提高了油田修井作業的自動化程度。

1 修井自動液壓鉗總體設計

油田大修作業主要包括復雜打撈、取換套管、套管補貼、套管整形修復等作業內容，需要頻繁起下管柱。液壓鉗的主要功能是實現管柱接卸作業，主要由立柱總成、臂架滑車總成、懸掛機構總成、鉗頭總成組成（圖1）。

圖1 液壓鉗主要結構

1.1 工作原理

液壓驅動鉗頭總成通過主鉗與背鉗實現管柱接卸作業，懸掛機構總成可保證鉗頭總成的穩定性；臂架滑車總成由兩套平行四邊形機構組成，在液壓缸的驅動下可實現鉗頭總成和懸掛機構的往復直線運動；在液壓驅動下，臂架滑車總成可帶動懸掛機構和鉗頭沿立柱上下運動；回轉支撐驅動立柱、臂架滑車總成、懸掛機構和鉗頭總成實現液壓鉗的回轉運動。回轉運動、上下運動及水平往復直線運動相結合，確保鉗頭能夠到達指定位置完成接卸管柱功能。

1.2 技術特點

液壓鉗的主要技術特點有：①采用程序控制和液壓驅動的形式實現管柱的接卸作業；②液壓鉗工作時，鉗頭在臂架滑車總成的作用下始終與鉆臺面保持平行；③通過改變主液缸的伸縮量以調整作業半徑，來滿足不同位置管柱接卸的需求；④鉗頭適應性強，可以滿足多種類型管柱接卸的作業要求。

1.3 技術參數

液壓鉗接卸管柱尺寸范圍為Φ60～140 mm；最高工作壓力為16 MPa；鉗頭最大輸出扭矩為25 000 N·m；回轉角度為±180°；工作半徑為2300 mm。

2 修井自動液壓鉗的有限元分析

2.1 有限元模型

對液壓鉗模型進行初步處理，檢查干涉，簡化部分零件螺栓孔、倒角等特征，將鉗頭總成和液壓箱體分別簡化為質量點。基于ANSYS 對模型進行網格劃分，整體網格尺寸控制為8 mm，單元類型為SOLID185 八節點六面體單元，整體單元劃分數為789 231，節點數為589 210，劃分網格平均質量為0.866 34，偏斜度、翹曲度、雅克比數均符合單元計算要求（圖2）。為保證強度分析結果的準確性和可靠性，液缸與立柱、滑車與立柱、液缸與滑車、滑車與臂架、液缸與臂架、臂架與懸掛機構等連接均需要設置運動副（圖3）。

圖2 液壓鉗有限元模型

圖3 轉動副設置有限元模型

液壓鉗處于極限工況時，升降液壓缸伸出滿行程800 mm將滑車升至最高位，伸縮缸伸出滿行程200 mm 將鉗頭總成送至最遠處時，該工況為鉗頭距離回轉立柱最遠位置狀態，此時液壓鉗的傾覆力矩最大。極限工況下的載荷及邊界條件施加如圖4所示，圖中A、B 分別為鉗頭總成和液壓箱體設備重；C 為重力加速度；D 為立柱回轉支撐固定約束；E 為主鉗載荷。

圖4 極限工況邊界條件及載荷

自動液壓鉗鉗頭在井口工作時，當背鉗未夾緊管柱，液壓鉗鉗尾會與焊接在鉗頭總成安裝架上的限位塊發生碰撞，產生作用于限位塊上的瞬態沖擊力，該工況為液壓鉗事故工況。事故工況的載荷及邊界條件施加如圖5 所示：A 為重力加速度；B 為立柱回轉支撐固定約束；C、D 分別為鉗頭總成和液壓箱體的重量；E 為沖擊載荷。

圖5 事故工況邊界條件及載荷

2.2 有限元計算分析

極限工況為液壓鉗的主要工況，需對結構的剛度、強度進行校核。液壓鉗的總體剛度取決于臂架的變形量，所以對臂架進行剛度校核。由圖6 可知，臂架Y 向最大位移為6.40 mm，臂架可視為懸臂梁，則其懸臂端撓度為6.4 mm，懸臂端撓度小于L/250=6.46 mm，液壓鉗的臂架結構滿足變形要求。由圖7 所示，該工況結構最大Mises 應力為226.32 MPa，出現在氣缸與浮動套筒連接的銷軸部位；根據結構設計方案可知，最大應力位置為線面接觸的應力奇異點，對該部位予以忽略。臂架屈服強度為235 MPa，許用應力為235/1.8=130.56 MPa，除了應力奇異點之外，其他部分應力均小于130.56 MPa，表明工況一條件下液壓鉗的結構強度符合工作要求。

圖6 臂架位移云圖

圖7 整體Mises 應力云圖

液壓鉗處于事故工況時，主要關心受沖擊結構的強度，該工況屬于危險工況，設計方案需保證結構的可靠性。由圖8a）可知，該工況結構最大Mises 應力為665.04 MPa，與極限工況一致，出現在氣缸與浮動套筒連接的銷軸部位——該部位為應力奇異點。計算結果表明，絕大部分結構應力均小于材料屈服強度235 MPa，表明在事故工況下，結構仍能夠承受撞擊力，可避免結構屈服失效。該工況下，由圖8b）可知，立柱導軌有兩個高應力區域：第一個區域是導軌與導軌托板的焊縫，需提高焊縫質量；第二個區域是兩導軌連接板，由于導軌受扭，連接板受力較大，連接板與導軌的連接螺栓可能產生剪切失效，需加強設計。

圖8 危險工況應力云圖

3 修井自動液壓鉗多體動力學分析

應用Solidworks 對液壓鉗模型進行初步處理，導入Workbench 合并相關部件，導入ADMAS 建立液壓鉗的虛擬樣機。根據運動學特性，一共設置有25 組運動副，其中立柱與地面連接、液壓箱體與升降滑車連接采用Fixed Joint；升降滑車與導軌連接、浮動立柱與浮動套筒采用Translational Joint；3 組液壓缸缸筒與液壓缸缸桿采用Cylindrical Joint。

液壓鉗初始設計方案中，鉗頭與安裝架之間僅設置了限位裝置。針對此方案初步研究了其液壓缸的推力變化規律，圖9 中的計算結果顯示，液壓缸的最大推力達1.6×106N，影響液壓缸的工作壽命。為改善液壓鉗的工作性能，提出在鉗頭與安裝架之間增加拉簧，以降低沖擊載荷的強度和次數，確保鉗頭運動的平穩性。增加拉簧后的虛擬樣機如圖10 所示，液壓執行元件參數見表1。根據液壓缸速度行程參數設置Joint Motions。

表1 液壓執行元件參數

圖9 伸縮液壓缸壓力變化曲線

圖10 ADMAS 虛擬樣機模型（增加拉簧）

由于滑車上升—鉗頭外伸和鉗頭收回—滑車下降是一個逆過程（液缸速度相同），所以只分析上升—外伸過程即可。設置分析時長為15 s、分析步數為5000，開展液壓鉗多體動力學仿真。拉簧參數：剛度200 N/mm、阻尼0.87（N·s）/mm、預拉力500 N。

增加拉簧后，液壓鉗伸縮液壓缸的壓力變化曲線如圖11所示。對比分析可知，增加拉簧后液壓缸的壓力極值降低了一個數量級，且極值數量也得到了控制。分析伸縮液壓缸的壓力變化曲線可知，液壓缸啟動時是其最危險的工況。據此，可適當增加液壓缸的啟動時間，以進一步降低液壓缸的沖擊載荷。由圖12 中升降液壓缸的壓力變化曲線可知，升降液壓缸的最危險工況為液壓鉗處于極限位置時。鉗頭的位移時程曲線如圖13 所示，由計算結果可知，加拉簧后鉗頭的運動平穩性得到了較大改善。圖14為鉗頭的速度時程曲線，計算結果顯示：伸縮液壓缸工作時鉗頭的速度變化趨勢平滑，伸縮液壓缸到達極限位置停止時鉗頭的響應特性較好，說明拉簧參數選取較為合理。如需進一步改善液壓鉗的使用性能，可通過調整啟停參數和拉簧參數來實現。

圖11 伸縮液壓缸壓力變化曲線

圖12 升降液壓缸壓力變化曲線

圖13 鉗頭位移時程曲線

圖14 鉗頭速度時程曲線

4 現場應用

實際應用時，考慮鉗頭的結構特點，為便于拉簧的安裝與拆卸，采用在鉗頭的兩側安裝拉簧的方式來控制鉗頭的運動（圖15）。2021 年2 月，該自動液壓鉗開始在生產作業現場使用，已完成20 口生產井的管柱上卸扣作業，設備運行平穩、安全、高效、可靠。根據現場測試，其功能性、時效性優勢顯著，主要體現在以下兩個方面：①既能滿足鉆桿螺紋的上扣及大扭矩卸扣，也能滿足油管螺紋的快速上卸扣，解決了鐵鉆工對油管螺紋上卸效率低的問題；②自動液壓鉗接卸單根管柱平均用時約24 s，鐵鉆工接卸油管用時約30 s，采用修井液壓鉗處理管柱相比鐵鉆工作業效率提高了約20%。

圖15 液壓鉗應用現場

5 結束語

基于油田修井作業需求和裝備應用現狀，本文提出了一種新型修井自動液壓鉗，給出了設計方案。通過有限元分析對方案進行了定量研究，結果表明：該型液壓鉗的高應力區主要分布于立柱總成上，自動液壓鉗的剛度和強度滿足作業要求。應用ADAMS 對液壓鉗的運動學和動力學特性開展仿真研究，對比分析了加拉簧和不加拉簧時伸縮液缸的工作性能，結果表明：在鉗頭與安裝架之間增加拉簧，可有效降低液壓缸所受的沖擊載荷和沖擊次數。增加拉簧后，鉗頭的位移和速度曲線變化平緩，滿足液壓鉗工作連續性和平穩性的基本要求，進一步驗證了液壓鉗設計與設備選型的合理性，為產品技術升級奠定基礎，也為技術人員開展同類結構設計和設備選型提供依據。