套管扶正機(jī)械手研制

雷齊松，張映輝，賀彥亮，王建華，胡月霞，鄭　欣

(渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津300280)

套管扶正機(jī)械手研制

雷齊松，張映輝，賀彥亮，王建華，胡月霞，鄭欣

(渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津300280)

摘要：為提高下套管作業(yè)效率，減少套管上錯(cuò)扣現(xiàn)象，減輕施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和杜絕井下復(fù)雜情況發(fā)生，設(shè)計(jì)完成套管扶正機(jī)械手的技術(shù)方案并進(jìn)行了論證。該套管扶正機(jī)械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。控制系統(tǒng)是利用防爆電磁換向閥控制各油缸油路方向，各油缸分別控制底盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手臂擺動(dòng)；控制機(jī)械手臂抬起、伸縮和放置水平位置；控制機(jī)械抓手抱緊和松開套管，對套管扶正從而實(shí)現(xiàn)套管順利上扣。根據(jù)套管扶正機(jī)械手的工作特點(diǎn)、實(shí)際工況參數(shù)，對其進(jìn)行了應(yīng)力分析，結(jié)果表明提升油缸活塞桿前端銷軸連接處和裝置底座承受著較大的應(yīng)力載荷，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須保證其有足夠的強(qiáng)度。詳細(xì)介紹了該套裝置的操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，對現(xiàn)場應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：套管；控制油缸；底盤；機(jī)械抓手

Development of Casing Centralizer Manipulator

Lei Qisong, Zhang Yinghui, He Yanliang, Wang Jianhua, Hu Yuexia, Zheng Xin

(BohaiDrillingTechnologyServiceCompany,Tianjin300280，China)

Abstract:We completed technical schemes for casing centralizer manipulator to improve the efficiency of casing running operation, reduce wrong buckling of casing running operation, reduce the labor intensity of workers and prevent the occurrence of down-hole complicated conditions. The manipulator is mainly composed of two parts: the implementing system and the controlling system. With the explosion-proof magnetic exchange valve, the controlling system is to control the oil direction of cylinders that control chassis rotation to drive manipulator, to control lift, stretching and position horizontally, to control manipulator to hug and loose the casing and centralize casing to fulfill buckling of casing. We conducted stress analysis on the manipulator according to its work characteristics, actual work parameters and operating conditions. Results showed that lifting up the oil cylinder piston rod front-end pin shaft joint and the base sustained greater stress load, so we had to ensure that they had sufficient strength. We introduced the operational keys and cautions for use of the facility, which could be of guiding significance to field application.

Key words:casing;control of oil cylinder; chassis; manipulator

目前在下套管施工作業(yè)及套管鉆井和大尺寸套管下入的施工中，套管對扣很大程度上依賴偶然因素。例如套管出現(xiàn)傾斜時(shí)需要司鉆擺動(dòng)吊卡給套管一個(gè)外力，同時(shí)要求下套管施工人員能將套管對正扣，否則套管扣很難對正，而且在使用上卡盤時(shí)，如果套管的位置未與平臺(tái)垂直則很難進(jìn)入卡盤[1]。若遇大風(fēng)天氣，則下套管難以進(jìn)行。

鑒于以上原因，研發(fā)了套管扶正機(jī)械手裝置。該套管扶正裝置可以輔助套管對扣，提高對扣準(zhǔn)確度[2]，降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

1 技術(shù)分析

套管扶正機(jī)械手裝置是由電磁換向閥通電后，開啟電磁換向閥以分別控制底盤總成油缸、伸縮方管組合油缸和機(jī)械抓手油缸的供油(回油)油路方向，最終控制底盤總成、伸縮方管組合和機(jī)械抓手動(dòng)作，以扶正套管對扣方向[3]，從而降低上扣時(shí)錯(cuò)扣率和提高套管上扣速度。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

套管扶正機(jī)械手部件主要由底盤總成部分(底盤、轉(zhuǎn)盤控制油缸、電磁換向閥等)、擺臂部分(內(nèi)管組合、外管組合、擺臂)和機(jī)械抓手部分(機(jī)械抓手控制油缸、機(jī)械抓手等)構(gòu)成(圖1)。

圖1　套管扶正機(jī)械手主要部件圖Fig.1　Major parts of the manipulator

執(zhí)行系統(tǒng)是由底盤總成部分、伸縮方管組合和機(jī)械抓手部分組成。其中主體部分是機(jī)械抓手部分。底盤總成部分主要由底盤、底盤上蓋、底盤軸承、轉(zhuǎn)向耳、轉(zhuǎn)盤油缸等部件組成；伸縮方管組合主要由支座、吊環(huán)座、聯(lián)接板、內(nèi)管、擋塊、底部長銷、外管、壓板、墊板等部件組成；機(jī)械抓手部分主要由機(jī)械抓手架子、機(jī)械抓手底座、調(diào)節(jié)塊、頂塊、調(diào)節(jié)軸、外殼組件、內(nèi)殼組件、滾輪和銷軸等部件組成。

1.2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)最高工作壓力為16MPa，以實(shí)現(xiàn)底盤旋轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮和機(jī)械抓手張合的功能?？紤]到設(shè)計(jì)保壓要求，使壓力穩(wěn)定性好，設(shè)計(jì)中利用防爆電磁換向閥中位機(jī)能保壓[4](圖2)。底盤旋轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮和機(jī)械抓手張合的功能依靠液壓缸來實(shí)現(xiàn)，兩者工作原理相同。

如圖2所示，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，電磁鐵1DT通電，防爆電磁換向閥右位接入回路，液壓缸右腔成為壓力腔，在到達(dá)預(yù)定值時(shí)繼電器發(fā)出信號，使防爆電磁換向閥切換成中位，這時(shí)液壓泵卸荷，液壓缸由防爆電磁換向閥“O”形中位機(jī)能保壓?；爻虝r(shí)，電磁鐵2DT通電，防爆電磁換向閥左位接入回路，活塞向右退回。

圖2　液壓控制系統(tǒng)原理圖[5]Fig.2　Schematic diagram of hydraulic control system

每個(gè)防爆電磁換向閥都需要一個(gè)疊加式溢流閥，工作時(shí)處于并聯(lián)狀態(tài)，油缸中油路之間互不影響[6]，分別形成4個(gè)獨(dú)立的液壓回路。

當(dāng)套管扶正器未接液壓泵時(shí)，管路的液壓油會(huì)因自重而流出，需要用單向閥閉鎖，以免液壓油泄漏。

1.3 套管扶正機(jī)械手原理

根據(jù)不同型號井架加工相應(yīng)的安裝架，套管扶正機(jī)械手安裝到井架上，開啟防爆電磁換向閥，油缸提供動(dòng)力將伸縮臂機(jī)構(gòu)豎直，防止套管扶正機(jī)械手碰壞[7]。套管吊至井口開始對扣時(shí)，油缸提供動(dòng)力將伸縮臂機(jī)構(gòu)放置水平位置并調(diào)整至高于井口套管接箍位置，同時(shí)將機(jī)械抓手張開，將伸縮臂機(jī)構(gòu)的內(nèi)管組合伸出到應(yīng)扶正套管位置，這時(shí)，油缸提供動(dòng)力使機(jī)械抓手抓緊套管，油缸控制底盤和伸縮臂機(jī)構(gòu)前后或左右擺動(dòng)套管，以幫助套管對扣。套管對扣結(jié)束后，機(jī)械抓手松開套管，伸縮臂機(jī)構(gòu)的內(nèi)管組合縮回到外管組合內(nèi)，油缸提供動(dòng)力將伸縮臂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)回豎直位置。依次重復(fù)上述過程，完成套管扶正工作。

2 力學(xué)分析

由于套管扶正機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，建模時(shí)應(yīng)盡量對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡化與優(yōu)化，簡化后的模型應(yīng)具備真實(shí)結(jié)構(gòu)的主體特征[8]，如主體尺寸、安裝尺寸、各部件間的約束、質(zhì)量屬性等。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采用專業(yè)CAD軟件SolidWork進(jìn)行實(shí)體建模與模型簡化，然后將模型導(dǎo)入有限元分析軟件CosmosWorks中展開算例分析。

通過計(jì)算得出模型最大等值應(yīng)力、最大合位移、最大對等應(yīng)變及其所在位置(表1)[9]。

表1　模型相關(guān)最大參數(shù)表

圖3　加載后裝配體合位移云圖Fig.3　Assembly displacement nephogram after loading

加載后裝配體的整體變形如圖3所示，由圖可以看出，合位移最大值發(fā)生在機(jī)械抓手的最前端，其值為10.5mm，對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為7312 。

沿機(jī)械抓手臂上表面中心線等值應(yīng)力測試輸出結(jié)果可以看出，合位移沿機(jī)械抓手臂軸向呈近似線性分布，這與實(shí)際情況相吻合(圖4)。

圖4　合位移沿機(jī)械抓手臂軸向分布曲線圖Fig.4　Curves showing the axial distribution of resultant displacement along the manipulator

對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果顯示，提升油缸活塞桿前端銷軸連接處承受較大的應(yīng)力。此外，底座承受著整個(gè)裝置的載荷；因此，對其進(jìn)行應(yīng)力分析十分必要。底座作為焊件，在焊接處可能存在應(yīng)力集中，必須保證其足夠的強(qiáng)度。

3 主要技術(shù)參數(shù)

適用管柱管徑范圍：139.7～339.7mm。

虎口尺寸：433mm。

質(zhì)量： 600kg。

工作流量：120L/min。

最高工作壓力：16MPa。

外形尺寸(長×寬×高)：766mm×988mm×4517mm。

4 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

4.1 操作要點(diǎn)

(1)根據(jù)施工井所下套管尺寸選擇相應(yīng)套管扶正機(jī)械手，保證各自調(diào)節(jié)塊中心線的方向?qū)?zhǔn)圓心，正、反兩方向同時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)械抓手部分的4個(gè)支撐點(diǎn)的調(diào)節(jié)塊的長度，即可夾緊不同管徑的套管。

(2)根據(jù)不同井架結(jié)構(gòu)、形狀、安裝橫梁的強(qiáng)度及位置等技術(shù)參數(shù)[10]，加工相應(yīng)套管扶正機(jī)械手的安裝平臺(tái)。

(3)連接好液壓控制管線，調(diào)整壓力為12MPa。

(4)套管扶正機(jī)械手底盤轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為左右轉(zhuǎn)動(dòng)15°，使套管扶正機(jī)械手的高度與下套管時(shí)接頭的平均高度相同[11]。

(5) 要隨時(shí)檢查套管扶正機(jī)械手上的銷子保護(hù)繩的安全可靠性。

4.2 注意事項(xiàng)

(1) 套管扶正機(jī)械手是井口工具，嚴(yán)禁用火燒的辦法清除表面油污。

(2)套管扶正完畢后，應(yīng)立即收回伸縮臂，并遠(yuǎn)離井口，嚴(yán)禁磕碰、砸壞或壓彎伸縮臂，影響正常使用。

(3)機(jī)械抓手滾輪磨損后要及時(shí)更換，防止機(jī)械手打滑造成套管上錯(cuò)扣。

(4)扶正單根套管時(shí)，必須精力集中，平穩(wěn)操作，密切觀察套管偏移井口、天車和游車位置，掌握扶正距離，準(zhǔn)確操縱防爆電磁換向閥控制套管扶正機(jī)械手動(dòng)作[12]。

(5)要隨時(shí)檢查套管扶正機(jī)械手上的銷子保護(hù)繩的安全性、可靠性。

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)用液壓系統(tǒng)控制油缸進(jìn)油和回油油路方向，最終控制套管扶正機(jī)械手主要部件工作，實(shí)現(xiàn)對套管扶正，替代人工扶正或牽引繩等落后方式。

(2)實(shí)現(xiàn)了套管扶正機(jī)械手動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制，減輕了井口工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于安全生產(chǎn)。

(3)套管扶正機(jī)械手的伸縮臂采用內(nèi)、外管組合形式，以提高其抗彎曲強(qiáng)度。

(4)機(jī)械抓手設(shè)計(jì)為大系列和小系列兩種方式結(jié)構(gòu)，大系列針對9～13in套管使用；小系列結(jié)構(gòu)針對5～7in套管使用，套管扶正機(jī)械手主體不需要更換。

(5)設(shè)計(jì)機(jī)械抓手的4個(gè)支撐點(diǎn)分別固定在一個(gè)圓周的45°、135°、225°、315°方向上，只要保證各自調(diào)節(jié)塊中心線的方向?qū)?zhǔn)圓心，正反兩方向同時(shí)調(diào)節(jié)4個(gè)調(diào)節(jié)塊的長度，即可抓緊不同管徑的套管。

6 結(jié)束語

(1)套管扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì)適用于不同井架的安裝要求。

(3)套管扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì)具有抬升、擺動(dòng)、伸縮、鉗口張合等8個(gè)自由度的功能。同時(shí)應(yīng)具結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、易于安裝、拆卸等特點(diǎn) 。

(4)套管扶正機(jī)械手結(jié)構(gòu)合理、功能完善、使用方便、安全性好，可以減輕施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高套管對扣速度，降低錯(cuò)扣率及井下事故發(fā)生率，有利于實(shí)現(xiàn)鉆井井口操作的自動(dòng)化，應(yīng)用前景良好。

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作者簡介：第一雷齊松 (1967年生)，男，下套管中心專家，從事鉆井、完井方面研究工作。郵箱：leiqisong14@163.com。

中圖分類號：TE927

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