折疊式油管移送裝置設(shè)計與分析*

張鵬宇 郭登明 涂學(xué)洋 符仁杰 郭建東 梁晨 鄧康

(1. 長江大學(xué)機械工程學(xué)院 2. 南陽二機石油裝備集團股份有限公司3. 中國石油新疆油田分公司 4.中國石油長慶油田分公司第十采油廠)

0 引 言

傳統(tǒng)的油田修井作業(yè)一般需要手動完成一系列修井工作，如切換和搬運吊卡、卸吊環(huán)和拉排油管。這些手動工作存在安全隱患，不僅工人勞動強度比較高，而且工作環(huán)境也相對惡劣[1-6]。進入21世紀，鉆井和修井設(shè)備的自動化已經(jīng)成為石油設(shè)備未來發(fā)展的必然趨勢[7]。

針對修井作業(yè)的工藝特點和使用要求，本文研發(fā)了一套與直井修井機配合使用、可實現(xiàn)油管從地面到井口自動運輸?shù)恼郫B式油管移送裝置。采用該裝置無需人工拖拽油管即可實現(xiàn)油管在井口與井場之間的運移[8]。本文首先闡述了油管移送裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，再對其動力系統(tǒng)建立力學(xué)模型和運動方程，進行機構(gòu)運動分析。該裝置的成功研發(fā)可為相關(guān)領(lǐng)域的使用人員、設(shè)計人員及管理者提供參考。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1為折疊式油管移送裝置在直井修井機系統(tǒng)中的安裝位置。圖2為油管移送裝置三維結(jié)構(gòu)。

1—承載車體系統(tǒng)；2—桅桿支架；3—電氣控制系統(tǒng)；4—油箱；5—油泵及液壓閥系統(tǒng)；6—井架主支撐；7—井架副支撐；8—靜桅桿系統(tǒng)；9—動桅桿系統(tǒng)；10—小車鋼繩；11—游動小車和吊卡；12—井口系統(tǒng)；13—油管移送裝置；14—管排架。

1—后活動梁；2—移動滑車；3—側(cè)鉤；4—中間主梁；5—側(cè)鉤上料液壓缸；6—前活動梁；7—舉升油缸；8—底架總成；9—液壓馬達。

折疊式油管移送裝置主要由后活動梁、中間主梁、前活動梁、側(cè)鉤、側(cè)鉤上料液壓缸、舉升油缸、液壓馬達、移動滑車以及底架總成等裝置組成。主梁包括中間主梁、前活動梁以及后活動梁，各梁內(nèi)都焊接有導(dǎo)軌，并與底架之間連接有舉升液壓缸，可提供動力將主梁舉升一定的角度進行接送管作業(yè)。液壓馬達通過滾筒控制鋼絲繩拉拽移動滑車，與液壓卡瓦配合完成管柱的輸送。底架兩端都焊接有側(cè)鉤，側(cè)鉤通過上料油缸的舉升進行旋轉(zhuǎn)運動，將排管架上的管柱送入移動滑車。為配合現(xiàn)場排管架的高度完成油管運移及擺放工作，裝置水平高度設(shè)計為850 mm。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

最大擺動角度：10°±2°；

裝置水平高度：850 mm；

裝置最大舉升高度：1 900 mm；

舉升液壓缸底座安裝中心距底架右側(cè)：820 mm；

適應(yīng)油管重力：0.9～1.5 kN。

1.3 工作原理

起管作業(yè)時，首先翻轉(zhuǎn)折疊式油管移送裝置的前活動梁和后活動梁，使其與中間梁位于同一水平線上，使前活動梁對準鉆臺位置，隨后液壓馬達控制移動滑車移動至前活動梁前端，同時令側(cè)鉤稍低于管排架。隨后主梁通過舉升液壓缸由水平位置舉升至工作位置，等待液壓鉗通過沖扣和卸扣等操作，將井口油管與井下油管柱脫扣，吊卡將油管抓起并豎直向下移動送至前活動梁前端滾輪處。通過滾輪滑入移動滑車，此時控制移動滑車的液壓馬達啟動，通過鋼絲繩拖拽移動滑車沿導(dǎo)軌向末端移動，吊卡也向下豎直移動。移動滑車到達末端后，將油管置于梁槽內(nèi)，吊卡松開油管。此時舉升液壓缸運轉(zhuǎn)，總梁下放至水平位置。此時啟動前后梁凹槽內(nèi)頂管液壓缸，使前后頂管導(dǎo)向板(有一定傾斜角度)頂出油管，油管沿傾斜角度方向滾落到管排架上。

下管作業(yè)時，首先將移動滑車移動至梁末端，然后側(cè)鉤液壓缸驅(qū)動側(cè)鉤從排管架上勾起油管，將油管勾起滾入主梁內(nèi)，油管的外螺紋端落入移動滑車上[9]。舉升液壓缸將主梁舉起，液壓馬達啟動，通過鋼絲繩拉拽移動滑車將油管輸送到預(yù)定位置。待吊卡抓住油管，吊起油管時，移動滑車由后活動梁向前活動梁移動，同時吊卡向上移動，移動滑車與吊卡以一定的速度關(guān)系一起運動，直到油管脫離移動滑車。待油管接近豎直狀態(tài)，游動吊卡將油管下移對中后由閉口液壓鉗上扣并擰緊。移動滑車至末端，總梁下放回至水平位置。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 舉升液壓缸選取

油管移送裝置主梁采用Q345號鋼，可計算其質(zhì)量，據(jù)其質(zhì)量查機械設(shè)計手冊，選取HSG型液壓缸直徑63 mm，根據(jù)送管機水平高度及起升高度要求，設(shè)計最大行程530 mm。

2.2 移動滑車設(shè)計

移動滑車是折疊式油管移送裝置完成接送管工作的重要部件。在起、下油管過程中，為了防止油管螺紋磨損，必須將油管的外螺紋端徹底放在移動滑車上才能繼續(xù)下管或起管的后續(xù)工作。在接送管過程中，若移動滑車導(dǎo)軌發(fā)生一定頻率的顫動，則移動滑車和油管隨時都有掉落的可能[9]。因此，解決此問題對保護油管、降低工人勞動強度及消除安全隱患都具有重大意義[4,9]。為此設(shè)計了由液壓馬達控制鋼絲繩拖拽移動滑車的結(jié)構(gòu)。

移動滑車結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由車輪、滑車車體、滑車拉手和滑車棘輪等組成。

1—滑車車體；2—車輪；3—滑車拉手；4—滑車棘輪。

接管工作開始之前，先通過液壓馬達控制移動滑車移動至前活動梁前端，方便接管。在舉升油缸舉起主梁后，吊卡抓起油管并豎直向下移送至前活動梁前端滾輪處。吊卡將油管外螺紋端送至油管移送裝置前端，通過滾輪滑入移動滑車，此時液壓馬達啟動，控制鋼絲繩拖拽滑車沿導(dǎo)軌向末端移動，同時吊卡抓住油管向下移動。到達末端后，頂管液壓缸將油管頂出完成后續(xù)排管工作，此時移動滑車由后活動梁末端回到前活動梁前端。

2.3 側(cè)鉤設(shè)計

取放管機構(gòu)三維示意圖如圖4所示。側(cè)鉤機構(gòu)包括側(cè)鉤、側(cè)鉤上料液壓缸、頂管斜面導(dǎo)向板、頂管液壓缸、側(cè)鉤連接座和側(cè)鉤支撐座等。頂管斜面導(dǎo)向板可取出翻轉(zhuǎn) 180°再次插入，以滿足在起管作業(yè)時修井現(xiàn)場讓油管向另外一側(cè)排管的需求。

1、6—側(cè)鉤；2—側(cè)鉤上料液壓缸；3—頂管斜面導(dǎo)向板；4—頂管液壓缸；5—側(cè)鉤連接座；7—側(cè)鉤支撐座。

下管作業(yè)時，側(cè)鉤上料液壓缸工作，側(cè)鉤勾起管排架上的油管并舉起滾入導(dǎo)軌中的移動滑車中，后續(xù)送管工作由移動滑車完成。起管作業(yè)時，油管被完全放置到梁槽內(nèi)后，頂管液壓缸工作，使前、后頂管斜面導(dǎo)向板頂出油管，油管沿導(dǎo)向板傾斜角度方向滾落到管排架上。

2.4 液壓管線的選取

液壓管線是截面形狀為圓形的空心管線，通用外徑有6.350、3.175及12.700 mm。修井作業(yè)過程中有時會有振動現(xiàn)象導(dǎo)致連接件出現(xiàn)松動，嚴重的可能會使管路破裂，液壓儀器元件損壞，因此液壓系統(tǒng)中要特別注意儀表管線的選取及連接方式。主要連接方式有低壓儀表管線連接和中高壓儀表管線連接。低壓儀表管線連接又分儀表管線單卡套連接、儀表管線雙卡套連接和圓錐管螺紋連接[10]。

與折疊式油管移送裝置配合使用的直井修井機屬于低壓系統(tǒng)，一般采用卡套連接方式。該種連接方式安裝便捷，密封性能好，抗振動性能也較強。根據(jù)作業(yè)實際情況采用?12.7 mm的管線。與單卡套連接相比，雙卡套連接能夠進一步承壓，并且密封性能也有很大提高，后卡套結(jié)構(gòu)具有出色的抗振動疲勞性能，故采用雙卡套連接。

3 油管移送裝置運動分析

3.1 機構(gòu)運動分析

為了對裝置進行運動分析，首先要建立系統(tǒng)力學(xué)模型，對整個系統(tǒng)進行簡化，且所有運動機構(gòu)構(gòu)建在一個平面，因此該系統(tǒng)可以簡化為雙滑塊橢圓規(guī)機構(gòu)，如圖5所示。在實際運用中應(yīng)計算該裝置吊卡夾持油管下落速度與滑車在導(dǎo)軌運行速度的關(guān)系，即圖5中va與vb的關(guān)系。以B點為基點建立x-y坐標系，A點為油管在小車上的支點；B點為油管在游動吊卡上的支點；L為油管長度，mm；L1為A、B兩點的水平距離，mm；va為游動吊卡的速度，m/s；va′為小車豎直方向速度(va′與va大小相等，方向相同)；vb為小車沿支撐平臺方向的速度，m/s；θ為油管與y方向的夾角，rad；?為小車支撐平臺與y方向的夾角，rad；μ為支撐平臺與x方向的夾角，rad；λ為vba反方向矢量與x方向的夾角，rad；β為vba反方向矢量與支撐平臺夾角，rad；β′為vb與vba夾角，rad；α為vb與y反方向夾角，rad；η為vba反方向矢量與va夾角，rad。

油管移送裝置機構(gòu)運動簡圖如圖5所示。

圖5 舉升運動系統(tǒng)的力學(xué)模型

由余弦定理可知：

(1)

由幾何關(guān)系可知：

(2)

λ=β

(3)

則有：

(4)

于是有：

λ=π-?-η

(5)

由上述公式可得 ：

(6)

油管做平面運動，可將小滑車速度vb分解為垂直于油管向上的分量vba和豎直向下的速度分量va′，以B為基點，則滑車A點的速度為：

vb=va′+vba

(7)

即：

vb=va+vba

(8)

已知va的大小和方向、vb的方向及vba的方向垂直于油管，可作出速度平行四邊形，如圖5所示。

由圖5中幾何關(guān)系可得：

(9)

則有：

β′=β

(10)

在速度合成三角形中由正弦定理可得：

(11)

將式(6)、式(9)和式(10)代入式(11)可得：

(12)

進一步推導(dǎo)可得：

(13)

將式(2)代入式(13)得：

(14)

3.2 移動滑車速度調(diào)節(jié)

移動滑車在運送油管過程做變速運動，因此提出了采用液壓馬達控制移動滑車速度的方案。

理論轉(zhuǎn)矩為：

T=Fr

(15)

理論流量為：

(16)

式中：q0為液壓馬達旋轉(zhuǎn)一圈時排出液體的體積，m3/r；F為移動滑車與油管重力，N；r為滾筒半徑，mm。

馬達輸出軸上輸出的機械功率為：

P0=pQη

(17)

(18)

由式(13)和式(14)得：

(19)

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；η為總效率；p為工作壓力，Pa；Q為實際流量，m3/s。

液壓馬達軸輸出的實際轉(zhuǎn)矩為：

(20)

ηv=Q0/Q

(21)

η=ηvηm

(22)

則實際流量為：

(23)

將式(19)、式(21)、式(22)代入(23)可得：

(24)

式中：T0為液壓馬達軸輸出的轉(zhuǎn)矩，N·m；ηv為液壓馬達容積效率；ηm為液壓馬達機械效率；Q0為理論流量，m3/s。

當?shù)蹩▽⒂凸芴崞鸱湃胍苿踊嚭?，操作液壓馬達手動換向閥即可調(diào)節(jié)液壓馬達的液壓油排量，進而調(diào)節(jié)移動滑車速度[11]，使其與吊卡移動速度相匹配，控制鋼絲繩拖拽移動滑車，從而完成接送管工作。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

折疊式油管輸送裝置于2019年研發(fā)成功，至今已生產(chǎn)20多套，申請專利達6項。在大港油田、勝利油田、中原油田和江漢油田均有批量應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明:折疊式油管輸送裝置操作便捷，動作平穩(wěn)可靠，接送管對位精準。配合液壓吊卡平均接卸管柱速度為45根/h，最高接卸管柱速度為50根/h，完全滿足修井作業(yè)起下油管需求。該裝置的現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖6所示。

圖6 折疊式油管輸送裝置現(xiàn)場應(yīng)用情況

5 結(jié) 論

(1)折疊式油管輸送裝置采用液壓驅(qū)動，實現(xiàn)了油管的自動移送，省去了工作人員手動排放油管的工序，滿足操作人員控制起下油管的速度需求，大幅提高了油管移運的可靠性，同時提升了修井機起下油管的效率。

(2)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明:折疊式油管輸送裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝操作方便，接送管對位準確，減輕了工人的勞動強度，運行安全可靠。