二層臺排管手的研制

邢大偉，邢廣亮，李韜，石文明，劉延明，張欣宇

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000；3.川慶鉆探工程有限公司，成都610051；4.渤海鉆探第三鉆井公司，天津300280）

0 引 言

在鉆井作業(yè)過程中需要進(jìn)行大量的管柱立根排放作業(yè)，特別是起下鉆過程中需要多次重復(fù)管柱立根排放作業(yè)[1]。在深井/鉆井作業(yè)過程中，管柱作業(yè)占用時間長、勞動強(qiáng)度大、危險系數(shù)高，成為提高鉆井作業(yè)效率的主要難題。據(jù)2005年國際鉆井承包商協(xié)會統(tǒng)計(jì)，30%～52%的傷亡事故發(fā)生在起下鉆過程中，并因此耽誤了大量的鉆井時間[2]。

液壓驅(qū)動存在控制精度較低、在液壓回路較長時動作響應(yīng)較慢、污染環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行時易受外界溫度影響等問題。

2017年，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制了電動二層臺排管手，能完全替代人工實(shí)現(xiàn)管柱立根的排放作業(yè)，實(shí)現(xiàn)管柱立根的自動化排放，解決了油田現(xiàn)場排放管柱立根時費(fèi)時、費(fèi)力、安全性差，以及液壓驅(qū)動響應(yīng)滯后、精度低、污染環(huán)境等問題。

1 總體方案及主要結(jié)構(gòu)

1.1 總體方案

二層臺排管手主要由行走裝置、扶持臂總成、電控系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)裝置組成[3]，如圖1所示。行走裝置主要由軌道、滑車、行走驅(qū)動裝置等組成，控制機(jī)械手扶持管柱的X方向平移運(yùn)動，并作為安裝固定基礎(chǔ)；扶持臂總成主要由回轉(zhuǎn)座、主臂、副臂、電缸、扶持鉗組成，其控制機(jī)械手扶持管柱的Y方向平移運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)裝置主要由回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)支撐組成，控制機(jī)械手扶持管柱的回轉(zhuǎn)動作。

1.2 行走裝置

二層臺排管手通過軌道與井架連接，軌道前端通過安裝梁與井架連接，后端通過連接架與井架連接；軌道承受設(shè)備自身的重力和管柱立根的附加力，通過鋼材焊接成異形截面后再機(jī)加工的方法，保證其強(qiáng)度和剛度，確?；囋谛凶邥r的直線度，減少誤差。

圖1 二層臺排管手結(jié)構(gòu)示意圖

扶持管柱的X方向的平移運(yùn)動由行走裝置實(shí)現(xiàn)?；囂籽b在軌道內(nèi)部，滑車兩側(cè)有行走滾輪，行走裝置和回轉(zhuǎn)裝置安裝于滑車上面板；行走機(jī)構(gòu)由安裝在滑車上的伺服防爆電動機(jī)和行星減速機(jī)驅(qū)動行走齒輪轉(zhuǎn)動，行走齒輪與軌道上固定的齒條嚙合，使管柱立根在通道內(nèi)行走。

1.3 扶持臂總成

管柱的Y方向水平移動是由扶持臂總成實(shí)現(xiàn)的。扶持臂總成通過回轉(zhuǎn)座與回轉(zhuǎn)裝置中的回轉(zhuǎn)支撐相連。扶持臂總成在設(shè)計(jì)時運(yùn)用平行四邊形對邊始終平行原理，通過主臂、副臂、伺服電動缸保證相連的扶持鉗始終保持水平運(yùn)動，扶持臂的最大傾斜角度及臂長決定了設(shè)備的最大作業(yè)半徑。伺服電動缸由伺服防爆電動機(jī)驅(qū)動，扶持鉗的初始位置及極限位置均通過程序控制伺服電動機(jī)的加速、減速、停車實(shí)現(xiàn)，保證設(shè)備平穩(wěn)、準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行。

1.4 回轉(zhuǎn)裝置

回轉(zhuǎn)運(yùn)動是由回轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)的，采用伺服防爆電動機(jī)和行星減速機(jī)的方式驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸下端通過螺栓與回轉(zhuǎn)支撐連接，回轉(zhuǎn)支撐傳遞載荷可靠、安裝維護(hù)方便。通過伺服電動機(jī)編碼器傳遞的信號，計(jì)算回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)的角度，最終得出管柱立根回轉(zhuǎn)的角度。

1.5 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)硬件采用西門子生產(chǎn)的PLC、工控機(jī)，保證與鉆機(jī)控制系統(tǒng)完全兼容，無縫對接，不需要額外增加轉(zhuǎn)換接口，節(jié)約成本。通過程序控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備各個動作的自動化控制，在司鉆房的一體化司鉆座椅及司鉆前側(cè)的電控顯示屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，二層臺排管手有測試、遠(yuǎn)程手動應(yīng)急操作、遠(yuǎn)程自動控制3種控制模式。

電控系統(tǒng)通過采集位接近開關(guān)等傳感器的信號、伺服電動機(jī)的電流值、電壓值，通過電控程序的補(bǔ)償功能算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行軌跡控制，結(jié)合安全邏輯互鎖的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)二層臺排管手能夠按程序指定的軌跡運(yùn)動，安全高效地實(shí)現(xiàn)管柱立根的排放作業(yè)。

2 技術(shù)參數(shù)

適用范圍為2-7/8～8 in；行走距離為2.7 m；最大作業(yè)半徑為2.9 m；回轉(zhuǎn)角度為±90°；需求功率為7 kW。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）二層臺排管手以推扶的方式實(shí)現(xiàn)管柱立根的排放，設(shè)備安裝在井架上段，位于二層臺上方，不占用常規(guī)人工排放管柱操作空間，可滿足應(yīng)急人工作業(yè)需求。

2）二層臺排管手的主要動作均采用防爆伺服電動機(jī)驅(qū)動，具有運(yùn)行平穩(wěn)、動作精準(zhǔn)、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，解決了液壓驅(qū)動響應(yīng)速度慢、漏油污染環(huán)境的問題。

3）二層臺排管手實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作，通過程序控制實(shí)現(xiàn)“一鍵式”操作，并增加邏輯互鎖程序、斷電保護(hù)等自鎖設(shè)置，確保設(shè)備運(yùn)行的安全。

4）二層臺排管手具有適應(yīng)管柱規(guī)格范圍廣、排放管柱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足各陸地鉆機(jī)（特別是深井和超深井鉆機(jī)）管柱立根的自動化排放作業(yè)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 扶持總成設(shè)計(jì)技術(shù)

扶持臂總成是機(jī)械手的關(guān)鍵部件，對于能否準(zhǔn)確、平穩(wěn)地推扶管柱立根，扶持臂的強(qiáng)度和剛度起決定性作用。扶持臂整體為細(xì)長桿，所以采用鋼板焊接成箱型結(jié)構(gòu)，減少變形；并對主臂進(jìn)行有限元分析，根據(jù)手工計(jì)算結(jié)果對主臂施加約束和載荷（如圖2），經(jīng)有限元計(jì)算得到位移云圖如圖3所示,根據(jù)計(jì)算結(jié)果最大位移處在主臂與扶持鉗連接點(diǎn)，位移為8.96 mm，符合使用要求。

圖2 主臂施加約束和載荷圖

圖3 主臂位移云圖

4.2 程序控制技術(shù)

運(yùn)動位置的精度和運(yùn)行平穩(wěn)程度，決定管柱能否準(zhǔn)確排放到指定位置、能否實(shí)現(xiàn)一鍵操作的關(guān)鍵，因此控制程序基于CoDeSys、PROTAL雙平臺開發(fā)設(shè)計(jì)。

CoDeSys平臺程序的開發(fā)主要是實(shí)現(xiàn)伺服電動機(jī)的程序自動控制，包括各個電動機(jī)的正/反轉(zhuǎn)、最大速度運(yùn)行時間、位置、加減速運(yùn)行時間、運(yùn)行距離、中斷等；PROTAL平臺程序的開發(fā)主要是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自檢自查、發(fā)送操作指令、接收和處理伺服電動機(jī)反饋的信息（速度、位置、加速度、加加速度、剎車等），并對伺服電動機(jī)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，與目標(biāo)點(diǎn)的位置信息反復(fù)比對，最終給出伺服電動機(jī)運(yùn)行的正確指令，流程如圖4所示。

PROFINET通訊協(xié)議的擬定主要是實(shí)現(xiàn)PROTAL與CoDeSys平臺之間數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r、穩(wěn)定地傳輸，并提高抗干擾能力。

5 型式實(shí)驗(yàn)

5.1 廠內(nèi)試驗(yàn)情況

5.1.1 空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證機(jī)械手各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，空載試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備的行走裝置、扶持臂總成、回轉(zhuǎn)裝置等可完成相應(yīng)動作，運(yùn)行期間無卡阻現(xiàn)象。

圖4 程序流程圖

5.1.2 功能試驗(yàn)

功能試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)機(jī)械手管柱立根的排放功能，采用測試模式和手動操作模式，驗(yàn)證設(shè)備各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動能否滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備各個機(jī)構(gòu)能完成設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1.3 載荷試驗(yàn)

載荷試驗(yàn)是為驗(yàn)證機(jī)械手的排放能力，在國家油氣工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了5 in鉆桿三立根和8 in鉆鋌三立根的載荷試驗(yàn)，模擬油田現(xiàn)場起/下鉆工況時的立根排放與移運(yùn)作業(yè)。扶持鉗將管柱立根從井口吊卡中交接，并按指定路徑排放到指定位置，再反向?qū)⒘⒏偷骄诘蹩ㄖ?，整個試驗(yàn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，動作準(zhǔn)確，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，立根排放位置精度達(dá)到±2 mm；響應(yīng)時間小于1 s；扶持臂總成變形為8.2 mm，與扶持臂有限元計(jì)算結(jié)果相符；排放5 in鉆桿立根最遠(yuǎn)位置周期為51 s，平均運(yùn)行周期小于43 s。

5.1.4 安全試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證機(jī)械手在實(shí)際排放管柱立根作業(yè)遇到突然斷電時，能否保持?jǐn)嚯姇r的狀態(tài)，扶持鉗是否存在在斷電時被動打開，發(fā)生管柱脫落的情況。安全試驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)過程中切斷動力源，設(shè)備立即停止所有動作運(yùn)行，并能保持動力源被切斷時的狀態(tài)，不會因?yàn)橐馔鈹嚯娫斐煞龀帚Q被動打開導(dǎo)致管柱脫落事故，安全性高。

5.2 油田工業(yè)性試驗(yàn)情況

2019年1—12月，該二層臺排管手安裝應(yīng)用于四川珙縣寧216H39-3井；2020年元月服役于第二口井。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)分析，累計(jì)作業(yè)超過2 萬m。據(jù)現(xiàn)場作業(yè)人員反映，該設(shè)備穩(wěn)定可靠，并減少作業(yè)人員1名，提高了作業(yè)安全。

6 結(jié) 論

1）二層臺排管手在油田的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鉆井作業(yè)過程中管柱立根的自動化排放，減少作業(yè)人員1名，提高作業(yè)效率12.8%。

2）本文描述了二層臺排管手的總體結(jié)構(gòu)、各機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、控制特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，可為后續(xù)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，二層臺排管手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、效率高、安全可靠，解決了液壓驅(qū)動響應(yīng)速度慢、漏油污染環(huán)境等問題，適用于油田作業(yè)工況，達(dá)到推廣使用條件。