故障石油井探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)

摘 要：介紹一種事故石油生產(chǎn)井井下探測機(jī)器人本體裝置，該裝置是采用活塞式支撐錨支撐，通過電信號的傳輸來控制支撐錨裝置的支緊、收回以及中間的蠕動(dòng)裝置的蠕動(dòng)來達(dá)到沿井壁行走的目的。該檢測裝置工作穩(wěn)定可靠、運(yùn)行靈活、測量誤差小，可安全地沿井壁行走，并把探測裝置送到指定位置，為修井生產(chǎn)方案的準(zhǔn)確制定提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：油井井底探測 管道機(jī)器人 蠕動(dòng)機(jī)構(gòu) 液壓驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-109-03

石油是重要的戰(zhàn)略物資，是支持國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防現(xiàn)代化的基本能源，保證原油生產(chǎn)穩(wěn)定已成為保障國家能源安全的重大課題。對于依靠水驅(qū)采油為主的我國陸上油田，向地下注水的壓力和注水量日益升高，地質(zhì)狀況愈加復(fù)雜，在役油井故障帶來的后果愈加嚴(yán)重，使得修井作業(yè)在油田生產(chǎn)中的作用與地位日益突出。如何判別故障類型并對故障點(diǎn)狀況進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測是石油井修井作業(yè)需要解決的關(guān)鍵問題。

本文將要設(shè)計(jì)一種最新的具有擴(kuò)展能力的井下探測儀器稱為“故障石油井探測機(jī)器人”，其目標(biāo)是以主動(dòng)工作方式將探測儀器送進(jìn)至井下預(yù)定位置，從而實(shí)現(xiàn)井下故障類型和狀況的準(zhǔn)確診斷。

1 方案設(shè)計(jì)

所研制的探測機(jī)器人設(shè)計(jì)方案如圖1所示，它主要由電氣組件、液壓組件；上（下）支撐行走組件及探測組件組成。作為支撐行走組件的驅(qū)動(dòng)與控制單元，液壓組件與支撐行走組件相接，它與支撐行走組件構(gòu)成一個(gè)閉式液壓系統(tǒng)。該閉式液壓系統(tǒng)中的壓力補(bǔ)償油箱設(shè)計(jì)為變幅增壓工作方式，隨著機(jī)器人下井深度的增加，井液壓力逐漸增大，相應(yīng)地，油箱內(nèi)的壓力也逐漸升高，液壓系統(tǒng)的工作壓力處于一種變壓工作狀態(tài)。電氣組件位于機(jī)器人的尾部，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電氣控制組件、通信組件等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)井下機(jī)器人與地面控制裝置的信號傳遞、電力傳輸、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力提供與控制等功能。

位于探測機(jī)器人前端的探測組件既可選用常規(guī)超聲成像等探測儀器，也可裝備先進(jìn)的井下視像探測儀器。與探測組件相連的是支撐行走組件，它是機(jī)器人移動(dòng)載體的執(zhí)行部分，采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，其功能原理模型屬于卡瓦—活塞式，通過上、下支撐行走組件交替漲緊與松開、伸出和收縮，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在井下的主動(dòng)行進(jìn)。上、下支撐行走組件采用萬向鉸接聯(lián)軸器相聯(lián)，可以方便機(jī)器人通過定向井和水平井的彎曲井段。為表述清晰，圖2給出了上、下支撐行走組件工作過程的原理性示意圖。參照圖2各子圖排列序號，探測機(jī)器人的工作過程如下：（a）上、下支撐行走組件處于收縮狀態(tài)，通過地面提升裝置可將機(jī)器人下放至垂直井故障點(diǎn)附近或是定向井和水平井的大斜度井段上端；（b）驅(qū)動(dòng)上支撐腳動(dòng)作，使之與井壁撐緊；（c）以上支撐腳為支撐，按順序分別驅(qū)動(dòng)上、下行走油缸動(dòng)作，下支撐行走組件伸出至極限位置；（d）驅(qū)動(dòng)下支撐腳動(dòng)作，使之與井壁撐緊；（e）驅(qū)動(dòng)上支撐腳動(dòng)作，使之與井壁脫開；（f）以下支撐腳為支撐，按順序分別驅(qū)動(dòng)下、上行走油缸動(dòng)作，上支撐行走組件收縮至極限位置；（g）驅(qū)動(dòng)上支撐腳動(dòng)作，使之與井壁撐緊；（h）驅(qū)動(dòng)下支撐腳動(dòng)作，使之與井壁脫開，此時(shí)機(jī)器人狀態(tài)恢復(fù)至狀態(tài)（b）。重復(fù)（b）圖至（h）圖的動(dòng)作過程，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在井下的主動(dòng)行進(jìn)。

2 液壓系統(tǒng)的計(jì)算

2.1 支撐部件的計(jì)算

已知條件：外負(fù)載F=5000N，機(jī)械體與井壁之間的摩擦系數(shù) =0.4，每個(gè)支撐缸上有三卡瓦，可求出卡瓦上的壓力如下

式中：N-每個(gè)支撐體所要承受的壓力；F-外加的負(fù)載； -摩擦系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的井徑要求和機(jī)器本身的需要，初選兩個(gè)支撐連桿的長度分別為56mm和40mm，由于最小井口直徑為100mm，所以初步估計(jì)長支撐連桿支起角度為30€埃С趴ㄍ叩氖芰蟯跡繽？所示。

對連桿單獨(dú)進(jìn)行受力分析，如圖4所示：

并將P進(jìn)行分解有：

計(jì)算可知支撐缸活塞需要產(chǎn)生的推力：

選取系統(tǒng)工作壓力為13MPa，回油腔壓力為0MPa，計(jì)算支撐缸的內(nèi)徑：

（4）

由于支撐缸活塞桿受力主要為拉力，所以初選活塞桿的牙徑d與支撐缸內(nèi)徑的關(guān)系為d=0.5D，可知D≥43.69mm，d≥21.84mm，所以取D=44mm，d=22mm。

由于井下環(huán)境惡劣，腐蝕性強(qiáng)，而且液壓系統(tǒng)通過補(bǔ)償油箱平衡系統(tǒng)和環(huán)境的壓力，取環(huán)境最大壓力為19.6MPa，通過壓力和應(yīng)力計(jì)算可知支撐缸體的外徑至少是63.8mm，同時(shí)考慮到缸體外側(cè)還要布置液壓油管路，支撐卡瓦以及電線和電纜，而且機(jī)器的外形還受到井徑的限制，所以選用液壓管接頭有很大困難，因此本文采用加厚支撐缸壁厚到外徑為90mm，在其上開三個(gè)卡瓦槽，在沒有卡瓦槽的位置布置內(nèi)置管路，這樣可以大大減小機(jī)器的外徑。

2.2 行走部件的計(jì)算

由于行走缸是用于拖拉機(jī)械體向前行進(jìn)的，因此它的負(fù)載僅為F=500N。取d=0.5D，依據(jù)公式：

可得：D≥38.2mm，d≥19.1mm。為了有較好的油路布置空間，以及方便管路的加工，這里設(shè)計(jì)使機(jī)械體前后的尺寸相一致，現(xiàn)取行走缸的內(nèi)徑尺寸D=40mm，活塞桿的外徑尺寸為d=20mm，而外壁直徑仍然為90mm。

2.3 強(qiáng)度的校核

按強(qiáng)度條件驗(yàn)算支撐部件活塞桿直徑：

（5）

由于我們計(jì)算所得的支撐部件活塞桿外徑為d=12mm，因此可以明顯的看出支撐部件活塞桿的強(qiáng)度已經(jīng)足夠了。由此，強(qiáng)度滿足。

按縱向彎曲極限力校核強(qiáng)度：

由于此機(jī)械系統(tǒng)主要由液壓元件組成，而縱向彎曲極限力校核強(qiáng)度時(shí)主要就是依據(jù)液壓缸的行程，此處支撐部件的行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支撐部件內(nèi)徑的10倍，即：S<10D，因此此部分不需要進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性計(jì)算。

同理，行走部件活塞桿及連桿等的強(qiáng)度校核應(yīng)用相應(yīng)的力學(xué)原理均滿足強(qiáng)度要求。

3 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)的工作原理圖如圖5所示，其運(yùn)動(dòng)順序如表1。

送進(jìn)過程2YA4YA6YA8YA支撐缸1卡瓦支起卡瓦收回伸出2卡瓦支起收回回步，直到發(fā)現(xiàn)故障或完成送進(jìn)目的為止2YA4YA6YA8YA行走缸油換向支起收回伸長1支起收回收回面各步直到退回要求位置4 機(jī)器人整體電子電路設(shè)計(jì)

如圖6所示：首先將開關(guān)Q打到上方的觸點(diǎn)上，將開關(guān)SB2按下，這時(shí)KM（接觸器）得電，這時(shí)電機(jī)開始工作，電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵工作；同時(shí)KM完成自鎖，電機(jī)一直工作，直到按下SB1為止，其中FU（熔斷器）起到過流保護(hù)作用，KR（熱繼電器）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的長期過載保護(hù)。在SB2按下同時(shí)，S7—200型可編程序繼電器開始按照事先編好的程序開始工作，保證機(jī)器按照預(yù)想的步驟開始運(yùn)行。即（如第三章電磁閥的動(dòng)作順序）首先1YA得電，支撐缸1的卡瓦支起，直到應(yīng)變片式壓力繼電器1達(dá)到預(yù)定的設(shè)定變形量，繼電器S應(yīng)1動(dòng)作，1YA斷電，然后7YA得電，直到行程開關(guān)ST2動(dòng)作，7YA斷電，保證支撐缸2的卡瓦完全收回，接下來3YA、6YA得電，行走缸桿伸出，直到時(shí)間繼電器按事先設(shè)定的值動(dòng)作，3YA、6YA斷電，通過這一系列動(dòng)作使機(jī)器的后一部分與井壁相對固定，機(jī)器前一部分向前運(yùn)行；然后8YA得電，使支撐缸2的卡瓦支起，直到應(yīng)變片式壓力繼電器S應(yīng)2動(dòng)作，8YA斷電，同時(shí)2YA得電，直到行程開關(guān)ST1動(dòng)作，保證支撐缸1的卡瓦完全收回，之后4YA、5YA得電，使行走缸桿收回，直到時(shí)間繼電器按照預(yù)先設(shè)定的值動(dòng)作，然后開始從第一步循環(huán)，如此蠕動(dòng)式的前進(jìn)，帶動(dòng)勘測設(shè)備到達(dá)預(yù)定位置，到達(dá)預(yù)定位置后，9YA得電，使進(jìn)入和流出行走缸的油流改變方向，然后實(shí)施2YA得電，支撐缸1的卡瓦收回，8YA得電，使支撐缸2的卡瓦支起，接下來4YA、5YA得電，行走缸桿伸出，完成支撐缸2與井壁相對固定，支撐缸1后退的動(dòng)作；之后，1YA得電，支撐缸1的卡瓦支起，7YA得電，支撐缸2的收回，同時(shí)3YA、6YA得電，行走缸桿收回，這幾步的行程限位與前進(jìn)時(shí)相同，完成支撐缸1與井壁相對固定，支撐缸2后退的過程，如此循環(huán)，直到退回為止。上述各步操作均由S7—200型可編程序控制器（PLC）完成，外部需輸入的感應(yīng)信號主要是與SB2同步的電源，以及應(yīng)變片式壓力繼電器S應(yīng)1、S應(yīng)2，行程開關(guān)ST1、ST2的給定反應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）解決了過去探測儀器只是在自重的作用下，依靠地面提升裝置進(jìn)行簡單上升和下降操作，難以到達(dá)定向井與水平井的大斜度井段和水平井段、難以準(zhǔn)確接近故障點(diǎn)、難以獲得故障狀況可靠信息等問題。

（2）本設(shè)計(jì)改變井下檢測儀器的被動(dòng)工作模式為主動(dòng)工作模式，即將它提升為一種可在不同井段中穩(wěn)定行走、可準(zhǔn)確接近故障點(diǎn)、能夠獲得故障狀況可靠信息的探測機(jī)器人系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] J.L.Cordell.in_line Inspection，What Technology is Best？[J].Pipeline and in dustry，1991（7）：47-48.

[2] 楊敬源，等.石油鉆采機(jī)械[M].北京：北京石油機(jī)械出版社，1994.

[3] 魏洪興，王立權(quán)，袁鵬，等.基于蠕動(dòng)原理拱泥機(jī)器人的海洋土力學(xué)模型研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（04）.

[4] 張利平.液壓傳動(dòng)與控制[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[5] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1991.

[6] 秦曾黃.電工技術(shù)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[7] 王華祥.傳感器原理與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，1993.