XJ600YZ型全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

古仁龍，王運(yùn)安，劉　睿，劉　東，李　濤，張金鵬，劉凱泉

(山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東 東營(yíng) 257100)

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XJ600YZ型全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

古仁龍，王運(yùn)安，劉睿，劉東，李濤，張金鵬，劉凱泉

(山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東 東營(yíng) 257100)

以往油田在進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，需要人工完成倒換和搬運(yùn)吊卡、摘掛吊環(huán)、拉排油管等工作，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等問題，還存在安全隱患。設(shè)計(jì)了XJ600YZ型全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)，與全自動(dòng)智能液壓修井機(jī)配套使用。該系統(tǒng)主要由單根翻管裝置、單根排管裝置和單根擺管裝置等組成，改變了傳統(tǒng)依靠人工拉排油管的修井工藝，實(shí)現(xiàn)了油管由井口至地面的全自動(dòng)排放，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。操作人員遠(yuǎn)離油管，改善了作業(yè)環(huán)境、提高了作業(yè)安全性。整套系統(tǒng)安裝在底盤車上，隨修井作業(yè)車運(yùn)移，減少了裝拆時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。

修井作業(yè)；油管；排列；自動(dòng)化

我國(guó)每年需要進(jìn)行10萬多次修井作業(yè)，其中的85%屬于小修作業(yè)[1]。目前的修井作業(yè)大多需要人工來完成，自動(dòng)化水平低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且容易發(fā)生安全事故。研制了XJ600YZ型全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)，該系統(tǒng)是多功能全自動(dòng)智能液壓修井機(jī)的組成部分，安裝在修井作業(yè)車上，可隨車運(yùn)移，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了修井作業(yè)效率和安全性。本文介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方式和作業(yè)流程等。

1　修井作業(yè)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)修井起下作業(yè)的機(jī)械化比過去有了很大的進(jìn)步。例如，拆裝搬運(yùn)已實(shí)現(xiàn)了吊、裝、運(yùn)的一體化。在起下作業(yè)方面也有了我國(guó)自己設(shè)計(jì)的液壓油管鉗、油管扶正器和自動(dòng)吊卡等。這些機(jī)械化配套設(shè)備和裝置的出現(xiàn)，對(duì)提高油管起下作業(yè)效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度起到了較好的作用。

但是，在起下油管作業(yè)中，油管的排放大部分仍然停留在人力排放的施工模式上，作業(yè)方式較落后，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工人作業(yè)效率低[2]。因此，要想從根本上、高起點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)修井起下作業(yè)的自動(dòng)化，必須完善修井作業(yè)裝置的排管系統(tǒng)。

1.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)修井機(jī)的機(jī)械化作業(yè)裝置的研究較早，在20世紀(jì)50年代就推廣應(yīng)用各種機(jī)械化修井裝置，目前已經(jīng)具備了一定的規(guī)模[3]。國(guó)外修井機(jī)研發(fā)注重提高油管的起下速度和設(shè)備移運(yùn)、安裝速度，提高自動(dòng)化水平。其中，液壓修井機(jī)可顯著減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高自動(dòng)化水平，意大利Soilmec公司的液壓修井機(jī)每班用工2～3人。加拿大Kremco公司的液壓排管機(jī)械可顯著提高排管的效率。另外，動(dòng)力水龍頭、動(dòng)力油管鉗、動(dòng)力卡盤、液壓轉(zhuǎn)盤的使用也越來越普遍[4]。

2　修井作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排管的難點(diǎn)

要實(shí)現(xiàn)油管的自動(dòng)化排放，主要存在以下難點(diǎn)[1]：

1)油管排放動(dòng)作復(fù)雜。排管動(dòng)作越復(fù)雜，需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。對(duì)于地面臥式排放，首先需要將油管從井口豎直位置轉(zhuǎn)換為水平位置，然后在水平方向上將油管輸送到指定位置，并且要求該動(dòng)作可逆，以便于在修井工作完成后進(jìn)行下油管作業(yè)。對(duì)于立式排放，雖然省去了從豎直位置到水平位置的轉(zhuǎn)換動(dòng)作，簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)軌跡，但是將油管從井口運(yùn)移到指梁的指定位置需要精確控制。

2)油管長(zhǎng)度規(guī)格不定。油管的長(zhǎng)度尺寸不同，這就要求設(shè)備適應(yīng)油管每一次循環(huán)動(dòng)作定位與復(fù)位的隨機(jī)性。

3)作業(yè)環(huán)境惡劣。野外作業(yè)環(huán)境惡劣，而且絕大多數(shù)井場(chǎng)的地勢(shì)和路況都不盡相同，很難做到所研制的設(shè)備既能完成規(guī)定的排管動(dòng)作，又能夠適應(yīng)不同井場(chǎng)環(huán)境的苛刻要求。

4)成本太高。自動(dòng)化控制必然要增加設(shè)備成本，尤其是選購(gòu)國(guó)外液壓、電控元器件。

3　全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文在全面分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有修井排管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)安裝在底盤車上，與主車配套使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油管的自動(dòng)夾持、旋轉(zhuǎn)和平移，并可實(shí)現(xiàn)油管在井口和地面油管橋之間的移運(yùn)、定位、排放、儲(chǔ)運(yùn)等功能。

3.1總體結(jié)構(gòu)和功能

全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)主要由單根翻管裝置，單根排管裝置和管柱擺放裝置組成，如圖1所示。整套系統(tǒng)安裝在底盤車上，與主車配套使用。其中，單根翻管裝置主要功能是完成井口與水平地面之間油管的夾持和排放，單根排管裝置的主要功能是將油管排放到油管橋上，管柱擺放裝置配合單根排管裝置將油管排放到指定位置。從運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)時(shí)，由單根排管系統(tǒng)將單根翻管系統(tǒng)吊到地面。從工作狀態(tài)到運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，單根排管系統(tǒng)將單根翻管系統(tǒng)吊到車上。整體隨車移動(dòng)，提高了修井機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，如圖2所示。

1—單根翻管裝置；2—單根排管裝置；3—管柱擺放裝置。

1—單根翻管裝置；2—單根排管裝置。

3.2單根翻管裝置及拔管裝置

單根翻管裝置主要由起升油缸、翻管機(jī)械臂底架、翻管機(jī)械臂、翻管機(jī)械手、底部萬向輪、勾手伸縮油缸、勾手、翻轉(zhuǎn)油缸、勾手支架、機(jī)械限位裝置等組成，如圖3所示。圖3中起升油缸、翻管機(jī)械臂底架、翻管機(jī)械臂、翻管機(jī)械手、底部萬向輪組成翻管裝置，主要負(fù)責(zé)將油管從井口翻轉(zhuǎn)到地面。翻管機(jī)械手的主要作用是抓取油管，起升油缸可完成機(jī)械臂豎直狀態(tài)與水平狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

1—翻管機(jī)械手；2—翻管機(jī)械臂；3—起升油缸；4—翻管機(jī)械臂底架；5—底部萬向輪。

圖4中勾手伸縮油缸、勾手、翻轉(zhuǎn)油缸、勾手支架、機(jī)械限位裝置組成撥管裝置。撥管裝置是翻管裝置與排管機(jī)構(gòu)之間的橋梁，完成油管在兩機(jī)構(gòu)之間的傳遞。撥管裝置中，機(jī)械臂底架與勾手支架鉸接，使兩套裝置固定在一起。勾手與勾手支架和翻轉(zhuǎn)油缸鉸接，以便完成油管在單根翻管裝置與單根排管裝置之間的位置轉(zhuǎn)換。勾手伸縮油缸與勾手可伸縮部分鉸接，作用是完成勾手的伸縮，給單根翻管系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)讓位。機(jī)械限位裝置起限位作用。其中，翻轉(zhuǎn)油缸可調(diào)節(jié)勾手完成取管或送管，勾手伸縮油缸的作用是當(dāng)油管送至翻管裝置時(shí)及時(shí)收回，以便讓出位置，使翻管裝置進(jìn)行下一步動(dòng)作。勾手支架和翻管機(jī)械臂底架可自由拆卸，方便運(yùn)輸。

1—翻管機(jī)械手；2—翻管機(jī)械臂；3—起升油缸；4—翻管機(jī)械臂底架；5—底部萬向輪；6—勾手支架；7—翻轉(zhuǎn)油缸；8—機(jī)械限位裝置；9—勾手伸縮油缸；10—勾手。

3.3單根排管裝置

單根排管裝置主要由導(dǎo)軌、立柱、排管機(jī)械臂、翻管機(jī)構(gòu)起吊油缸、機(jī)械手高度調(diào)整油缸、排管機(jī)械手、定滑輪、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置和液壓馬達(dá)等組成，如圖5所示。翻管機(jī)構(gòu)起吊油缸與排管機(jī)械臂鉸接，定滑輪焊接在排管機(jī)械臂上，兩機(jī)構(gòu)配合完成單根翻管系統(tǒng)的起吊?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)完成排管機(jī)械臂整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成排管機(jī)械臂運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。液壓馬達(dá)、齒輪、齒條組成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為小車在導(dǎo)軌內(nèi)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，可將油管準(zhǔn)確排放到指定位置。該系統(tǒng)固定在底盤車上，并可將單根翻管系統(tǒng)由主車上吊裝到地面或由地面吊裝到主車上。

1—液壓馬達(dá)；2—立柱；3—排管機(jī)械臂；4—翻管機(jī)構(gòu)起吊油缸；5—定滑輪；6—機(jī)械手高度調(diào)整油缸；7—排管機(jī)械手；8—齒條；9—導(dǎo)軌；10—回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。

3.4管柱擺放裝置

管柱擺放裝置主要由抽油桿擺放隔斷、油管擺放隔斷、常規(guī)油管橋和隔斷固定裝置等組成，如圖6所示。其中，常規(guī)油管橋平放在地面上，隔斷固定裝置與油管橋焊接在一起，油管/桿隔斷與隔斷固定裝置過盈連接。

1—抽油桿擺放隔斷；2—油管擺放隔斷；3—常規(guī)油管橋；4—隔斷固定裝置。

在修井作業(yè)之前需將車輛調(diào)平，而后將油管橋放平，放在指定位置，如圖7所示。

圖7　油管橋擺放位置示意

為了配合自動(dòng)化作業(yè)的需要，該系統(tǒng)采用以鋼板改造切割而成的隔斷來存儲(chǔ)油管和抽油桿，分別滿足73～87 mm的油管排放，以及16～25 mm抽油桿排放，并保證層與層之間不會(huì)因?yàn)椴劭谔珳\而導(dǎo)致油管滾動(dòng)。油管擺放隔斷如圖8所示。

圖8　油管擺放隔斷結(jié)構(gòu)

3.5電控系統(tǒng)

自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)依賴相關(guān)指令的自動(dòng)輸入，為此該系統(tǒng)安裝了行程開關(guān)、編碼器、位移傳感器等各類檢測(cè)裝置，控制器接收傳感器反饋信號(hào)，輸出開關(guān)信號(hào)控制邏輯插裝閥組的動(dòng)作順序。

采用EPEC2023型控制器，可以按照需求自定義各個(gè)端口。同時(shí)，還有耐高溫、防水、耐潮的特點(diǎn)，非常適合石油類作業(yè)環(huán)境，能夠在惡劣環(huán)境下正常使用。

采用國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的CAN總線技術(shù)，兼容性強(qiáng)，可以方便地將數(shù)據(jù)傳入總控制箱，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

該系統(tǒng)的所有動(dòng)作除了可在主控制臺(tái)上操作完成，還可實(shí)現(xiàn)離線操作。

4　主要技術(shù)參數(shù)

適用油管外徑

73～89 mm

適用抽油桿外徑

16～25 mm

適用井深

3 000 m

占地面積

8 m×12 m

排管機(jī)構(gòu)懸臂平移速度

0.5 m/s

擺放單根最長(zhǎng)時(shí)間

15 s

單根翻管裝置送管最長(zhǎng)時(shí)間

11.5 s

質(zhì)量

2 t

5　工作過程

以將油管從井口位置排放到油管橋上的作業(yè)過程為例。

5.1準(zhǔn)備工作

1)修井機(jī)到位。

2)修井機(jī)位置確定之后，支腿油缸伸出對(duì)車身進(jìn)行調(diào)平。

3)車身調(diào)平之后，井架開始起升；起升到位之后井架支腿下落至地面；井架上的小吊臂將井口設(shè)備從車體吊裝到井口上。

4)完成井口設(shè)備吊裝等各種修井作業(yè)準(zhǔn)備流程后，排管機(jī)械臂吊著單根翻管系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°，使排管機(jī)械臂與底盤車側(cè)面垂直。

5.2起油管工況

1)排管機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)到位后，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排管機(jī)械臂沿導(dǎo)軌從車頭方向移動(dòng)到車尾處。

2)排管機(jī)械臂移動(dòng)到車尾部到位后，排管機(jī)械臂起吊油缸伸出，使得翻管機(jī)械裝置慢慢下落至地面。

3)翻管機(jī)構(gòu)底部安裝有萬向輪，翻管機(jī)構(gòu)落至地面后，人工推動(dòng)其至井口位置。

4)單根翻管系統(tǒng)定位后，安裝撥管裝置；放置抽油桿橋以及油管橋。

5)油管橋調(diào)平之后，在油管橋上安裝 油管/桿擺放隔斷。

6)單根翻管機(jī)械臂開始起升。

7)單根翻管機(jī)械臂起升到位，機(jī)械手抓住井口的管柱，收到確認(rèn)信號(hào)后，單根翻管機(jī)械臂開始回落直至單根機(jī)械臂回落到位。

8)翻管機(jī)械臂回落到最低點(diǎn)以后，撥管裝置準(zhǔn)備動(dòng)作，撥管裝置一邊勾手伸出，勾手勾住油管后繼續(xù)上升直至水平位置高于翻管機(jī)械手。

9)油桿下落到撥管器另一端，勾手開始回收，排管機(jī)構(gòu)取走油管后翻轉(zhuǎn)油缸回收，返回初始位置。

10)排管機(jī)械臂由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)到靠近井口端，調(diào)整油缸控制排管機(jī)械手下放，抓取位于撥管裝置里的管柱。

11)機(jī)械手抓取油管后排管機(jī)械手伸縮油缸動(dòng)作使油管上提，排管機(jī)械臂準(zhǔn)備向車頭方向平移。

12)液壓馬達(dá)控制排管機(jī)械臂到達(dá)指定位置后，排管機(jī)械手伸縮油缸控制排管機(jī)械手下放。

13)機(jī)械手松開，將油管放到油管橋的凹槽里。

其作業(yè)流程如圖11所示。

圖11　起油管工作流程圖

逆過程操作上述步驟，即可實(shí)現(xiàn)將油管從油管橋上運(yùn)移到井口位置的作業(yè)過程。工作流程如圖12所示。

圖12　下油管工作流程圖

6　結(jié)論

1)研制的XJ600YZ型全自動(dòng)油管地面臥排系統(tǒng)安裝在底盤車上，運(yùn)移性能好，減少了拆裝時(shí)間，節(jié)約了作業(yè)成本，提高了作業(yè)效率。

2)整套排管系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了修井作業(yè)的安全性。

3)該套排管系統(tǒng)采用全液壓控制，節(jié)能，安全，環(huán)保，符合現(xiàn)代化修井作業(yè)要求。

[1]王巖.新型修井作業(yè)油管移運(yùn)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[D].東北石油大學(xué)，2011.

[2]崔旭明，何富軍，譚云，等.修井作業(yè)油管自動(dòng)拉排機(jī)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2002，30(9)：14-16.

[3]常玉連，肖易萍，高勝，等．修井井口機(jī)械化自動(dòng)化裝置的研究進(jìn)展[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(5)：62-67.

[4]張勇，劉欣． 國(guó)外石油修井機(jī)技術(shù)動(dòng)態(tài)[J].石油機(jī)械，2003，31(特刊)：160-164.

Design of Full-automatic Ground Tubing Handing System

GU Renlong，WANG Yunan，LIU Rui，LIU Dong，LI Tao，ZHANG Jinpeng，LIU Kaiquan

(Shandong Shengli Industrial Institute of Petroleum Equipment Technology，Dongying 257100，China)

In the current workover，the carrying and switching of elevator，the picking and hanging of rings，the pulling and discharging of tubing still require manual operation.However，these operations have many problems，including high labor intensity，poor working conditions and potential security hazard.The XJ600YZ full-automatic ground tubing handing system，as a supporting device of the automatic intelligent hydraulic workover rig，was designed.Composed of single tubing inversing device，racking device and locking device，this system not only transforms the conventional workover technology of pulling and discharging tubing relied on manpower，but also achieves automatic handing of tubing from wellhead to floor and consequently reduces the manual work intensity.Workers are far away from the tubing，and hence the working conditions and operating security are improved.Installed on the truck，this system can be transported following the workover rig，and therefore the installing time is saved and the production cost is reduced.

workover operation；tubing；handing；automation

1001-3482(2016)05-0053-05

2015-10-25

古仁龍(1985-)，男，山東日照人，2008年畢業(yè)于山東科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事石油礦場(chǎng)設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)工作，E-mail：gurl@keruigroup.com。

TE935.03

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.011