新型修井自動(dòng)液壓鉗的研制與應(yīng)用

孫寶京，王 賀，尹 銳，沈君芳

（1.勝利油田油氣井下作業(yè)中心，山東東營(yíng) 257000；2.勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

起下作業(yè)是油田修井作業(yè)過(guò)程中工作頻率最高的作業(yè)形式，耗費(fèi)時(shí)間一般占修井總用時(shí)的70%以上，而起下作業(yè)最主要的部分就是管柱的上卸扣作業(yè)[1]。傳統(tǒng)的修井作業(yè)由2 名井口工手動(dòng)操作油管鉗實(shí)現(xiàn)管柱的上卸扣，作業(yè)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、存在較大的安全隱患。

管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)可提升作業(yè)效率和安全性能，大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少井場(chǎng)用工[2]。國(guó)際上能生產(chǎn)整套管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的只有NOV、MH 和HYDRALIFT 3 家公司[3]，隨著油田鉆修井管柱上卸扣技術(shù)的不斷升級(jí)，發(fā)展出了液壓鉗和鐵鉆工兩大類上卸扣裝備。針對(duì)液壓鉗，國(guó)內(nèi)研究人員已開展相關(guān)研究，設(shè)計(jì)了多種適用于油田鉆修井作業(yè)的自動(dòng)化液壓鉗[1，4-7]。趙俊利等設(shè)計(jì)了一種用于小修作業(yè)的液壓鉗[8]，并對(duì)該液壓鉗進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，結(jié)果顯示該液壓鉗的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較好。針對(duì)鐵鉆工，研究熱點(diǎn)主要集中于旋扣鉗的設(shè)計(jì)[9-13]和鉗牙的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面[14-15]。

目前，勝利油田約90%的修井上卸扣作業(yè)采用吊式液壓油管鉗，只有少數(shù)較大的修井作業(yè)平臺(tái)采用國(guó)外引進(jìn)的大型鐵鉆工。雖然鐵鉆工明顯降低了修井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了修井作業(yè)的工作效率，但是其成本高、對(duì)管柱的對(duì)中性要求較高、且不便運(yùn)輸，使其不適用于絕大多數(shù)油田的修井作業(yè)?；诂F(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，本文研發(fā)了一種適用于油田修井作業(yè)的自動(dòng)液壓鉗，該裝備現(xiàn)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，有效提高了油田修井作業(yè)的自動(dòng)化程度。

1 修井自動(dòng)液壓鉗總體設(shè)計(jì)

油田大修作業(yè)主要包括復(fù)雜打撈、取換套管、套管補(bǔ)貼、套管整形修復(fù)等作業(yè)內(nèi)容，需要頻繁起下管柱。液壓鉗的主要功能是實(shí)現(xiàn)管柱接卸作業(yè)，主要由立柱總成、臂架滑車總成、懸掛機(jī)構(gòu)總成、鉗頭總成組成（圖1）。

圖1 液壓鉗主要結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

液壓驅(qū)動(dòng)鉗頭總成通過(guò)主鉗與背鉗實(shí)現(xiàn)管柱接卸作業(yè)，懸掛機(jī)構(gòu)總成可保證鉗頭總成的穩(wěn)定性；臂架滑車總成由兩套平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)鉗頭總成和懸掛機(jī)構(gòu)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；在液壓驅(qū)動(dòng)下，臂架滑車總成可帶動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)和鉗頭沿立柱上下運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動(dòng)立柱、臂架滑車總成、懸掛機(jī)構(gòu)和鉗頭總成實(shí)現(xiàn)液壓鉗的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)及水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，確保鉗頭能夠到達(dá)指定位置完成接卸管柱功能。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

液壓鉗的主要技術(shù)特點(diǎn)有：①采用程序控制和液壓驅(qū)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)管柱的接卸作業(yè)；②液壓鉗工作時(shí)，鉗頭在臂架滑車總成的作用下始終與鉆臺(tái)面保持平行；③通過(guò)改變主液缸的伸縮量以調(diào)整作業(yè)半徑，來(lái)滿足不同位置管柱接卸的需求；④鉗頭適應(yīng)性強(qiáng)，可以滿足多種類型管柱接卸的作業(yè)要求。

1.3 技術(shù)參數(shù)

液壓鉗接卸管柱尺寸范圍為Φ60～140 mm；最高工作壓力為16 MPa；鉗頭最大輸出扭矩為25 000 N·m；回轉(zhuǎn)角度為±180°；工作半徑為2300 mm。

2 修井自動(dòng)液壓鉗的有限元分析

2.1 有限元模型

對(duì)液壓鉗模型進(jìn)行初步處理，檢查干涉，簡(jiǎn)化部分零件螺栓孔、倒角等特征，將鉗頭總成和液壓箱體分別簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)。基于ANSYS 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格尺寸控制為8 mm，單元類型為SOLID185 八節(jié)點(diǎn)六面體單元，整體單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)為789 231，節(jié)點(diǎn)數(shù)為589 210，劃分網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.866 34，偏斜度、翹曲度、雅克比數(shù)均符合單元計(jì)算要求（圖2）。為保證強(qiáng)度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，液缸與立柱、滑車與立柱、液缸與滑車、滑車與臂架、液缸與臂架、臂架與懸掛機(jī)構(gòu)等連接均需要設(shè)置運(yùn)動(dòng)副（圖3）。

圖2 液壓鉗有限元模型

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置有限元模型

液壓鉗處于極限工況時(shí)，升降液壓缸伸出滿行程800 mm將滑車升至最高位，伸縮缸伸出滿行程200 mm 將鉗頭總成送至最遠(yuǎn)處時(shí)，該工況為鉗頭距離回轉(zhuǎn)立柱最遠(yuǎn)位置狀態(tài)，此時(shí)液壓鉗的傾覆力矩最大。極限工況下的載荷及邊界條件施加如圖4所示，圖中A、B 分別為鉗頭總成和液壓箱體設(shè)備重；C 為重力加速度；D 為立柱回轉(zhuǎn)支撐固定約束；E 為主鉗載荷。

圖4 極限工況邊界條件及載荷

自動(dòng)液壓鉗鉗頭在井口工作時(shí)，當(dāng)背鉗未夾緊管柱，液壓鉗鉗尾會(huì)與焊接在鉗頭總成安裝架上的限位塊發(fā)生碰撞，產(chǎn)生作用于限位塊上的瞬態(tài)沖擊力，該工況為液壓鉗事故工況。事故工況的載荷及邊界條件施加如圖5 所示：A 為重力加速度；B 為立柱回轉(zhuǎn)支撐固定約束；C、D 分別為鉗頭總成和液壓箱體的重量；E 為沖擊載荷。

圖5 事故工況邊界條件及載荷

2.2 有限元計(jì)算分析

極限工況為液壓鉗的主要工況，需對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行校核。液壓鉗的總體剛度取決于臂架的變形量，所以對(duì)臂架進(jìn)行剛度校核。由圖6 可知，臂架Y 向最大位移為6.40 mm，臂架可視為懸臂梁，則其懸臂端撓度為6.4 mm，懸臂端撓度小于L/250=6.46 mm，液壓鉗的臂架結(jié)構(gòu)滿足變形要求。由圖7 所示，該工況結(jié)構(gòu)最大Mises 應(yīng)力為226.32 MPa，出現(xiàn)在氣缸與浮動(dòng)套筒連接的銷軸部位；根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可知，最大應(yīng)力位置為線面接觸的應(yīng)力奇異點(diǎn)，對(duì)該部位予以忽略。臂架屈服強(qiáng)度為235 MPa，許用應(yīng)力為235/1.8=130.56 MPa，除了應(yīng)力奇異點(diǎn)之外，其他部分應(yīng)力均小于130.56 MPa，表明工況一條件下液壓鉗的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合工作要求。

圖6 臂架位移云圖

圖7 整體Mises 應(yīng)力云圖

液壓鉗處于事故工況時(shí)，主要關(guān)心受沖擊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，該工況屬于危險(xiǎn)工況，設(shè)計(jì)方案需保證結(jié)構(gòu)的可靠性。由圖8a）可知，該工況結(jié)構(gòu)最大Mises 應(yīng)力為665.04 MPa，與極限工況一致，出現(xiàn)在氣缸與浮動(dòng)套筒連接的銷軸部位——該部位為應(yīng)力奇異點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明，絕大部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度235 MPa，表明在事故工況下，結(jié)構(gòu)仍能夠承受撞擊力，可避免結(jié)構(gòu)屈服失效。該工況下，由圖8b）可知，立柱導(dǎo)軌有兩個(gè)高應(yīng)力區(qū)域：第一個(gè)區(qū)域是導(dǎo)軌與導(dǎo)軌托板的焊縫，需提高焊縫質(zhì)量；第二個(gè)區(qū)域是兩導(dǎo)軌連接板，由于導(dǎo)軌受扭，連接板受力較大，連接板與導(dǎo)軌的連接螺栓可能產(chǎn)生剪切失效，需加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

圖8 危險(xiǎn)工況應(yīng)力云圖

3 修井自動(dòng)液壓鉗多體動(dòng)力學(xué)分析

應(yīng)用Solidworks 對(duì)液壓鉗模型進(jìn)行初步處理，導(dǎo)入Workbench 合并相關(guān)部件，導(dǎo)入ADMAS 建立液壓鉗的虛擬樣機(jī)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，一共設(shè)置有25 組運(yùn)動(dòng)副，其中立柱與地面連接、液壓箱體與升降滑車連接采用Fixed Joint；升降滑車與導(dǎo)軌連接、浮動(dòng)立柱與浮動(dòng)套筒采用Translational Joint；3 組液壓缸缸筒與液壓缸缸桿采用Cylindrical Joint。

液壓鉗初始設(shè)計(jì)方案中，鉗頭與安裝架之間僅設(shè)置了限位裝置。針對(duì)此方案初步研究了其液壓缸的推力變化規(guī)律，圖9 中的計(jì)算結(jié)果顯示，液壓缸的最大推力達(dá)1.6×106N，影響液壓缸的工作壽命。為改善液壓鉗的工作性能，提出在鉗頭與安裝架之間增加拉簧，以降低沖擊載荷的強(qiáng)度和次數(shù)，確保鉗頭運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。增加拉簧后的虛擬樣機(jī)如圖10 所示，液壓執(zhí)行元件參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)液壓缸速度行程參數(shù)設(shè)置Joint Motions。

表1 液壓執(zhí)行元件參數(shù)

圖9 伸縮液壓缸壓力變化曲線

圖10 ADMAS 虛擬樣機(jī)模型（增加拉簧）

由于滑車上升—鉗頭外伸和鉗頭收回—滑車下降是一個(gè)逆過(guò)程（液缸速度相同），所以只分析上升—外伸過(guò)程即可。設(shè)置分析時(shí)長(zhǎng)為15 s、分析步數(shù)為5000，開展液壓鉗多體動(dòng)力學(xué)仿真。拉簧參數(shù)：剛度200 N/mm、阻尼0.87（N·s）/mm、預(yù)拉力500 N。

增加拉簧后，液壓鉗伸縮液壓缸的壓力變化曲線如圖11所示。對(duì)比分析可知，增加拉簧后液壓缸的壓力極值降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且極值數(shù)量也得到了控制。分析伸縮液壓缸的壓力變化曲線可知，液壓缸啟動(dòng)時(shí)是其最危險(xiǎn)的工況。據(jù)此，可適當(dāng)增加液壓缸的啟動(dòng)時(shí)間，以進(jìn)一步降低液壓缸的沖擊載荷。由圖12 中升降液壓缸的壓力變化曲線可知，升降液壓缸的最危險(xiǎn)工況為液壓鉗處于極限位置時(shí)。鉗頭的位移時(shí)程曲線如圖13 所示，由計(jì)算結(jié)果可知，加拉簧后鉗頭的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性得到了較大改善。圖14為鉗頭的速度時(shí)程曲線，計(jì)算結(jié)果顯示：伸縮液壓缸工作時(shí)鉗頭的速度變化趨勢(shì)平滑，伸縮液壓缸到達(dá)極限位置停止時(shí)鉗頭的響應(yīng)特性較好，說(shuō)明拉簧參數(shù)選取較為合理。如需進(jìn)一步改善液壓鉗的使用性能，可通過(guò)調(diào)整啟停參數(shù)和拉簧參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖11 伸縮液壓缸壓力變化曲線

圖12 升降液壓缸壓力變化曲線

圖13 鉗頭位移時(shí)程曲線

圖14 鉗頭速度時(shí)程曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮鉗頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為便于拉簧的安裝與拆卸，采用在鉗頭的兩側(cè)安裝拉簧的方式來(lái)控制鉗頭的運(yùn)動(dòng)（圖15）。2021 年2 月，該自動(dòng)液壓鉗開始在生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，已完成20 口生產(chǎn)井的管柱上卸扣作業(yè)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、安全、高效、可靠。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其功能性、時(shí)效性優(yōu)勢(shì)顯著，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①既能滿足鉆桿螺紋的上扣及大扭矩卸扣，也能滿足油管螺紋的快速上卸扣，解決了鐵鉆工對(duì)油管螺紋上卸效率低的問(wèn)題；②自動(dòng)液壓鉗接卸單根管柱平均用時(shí)約24 s，鐵鉆工接卸油管用時(shí)約30 s，采用修井液壓鉗處理管柱相比鐵鉆工作業(yè)效率提高了約20%。

圖15 液壓鉗應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于油田修井作業(yè)需求和裝備應(yīng)用現(xiàn)狀，本文提出了一種新型修井自動(dòng)液壓鉗，給出了設(shè)計(jì)方案。通過(guò)有限元分析對(duì)方案進(jìn)行了定量研究，結(jié)果表明：該型液壓鉗的高應(yīng)力區(qū)主要分布于立柱總成上，自動(dòng)液壓鉗的剛度和強(qiáng)度滿足作業(yè)要求。應(yīng)用ADAMS 對(duì)液壓鉗的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性開展仿真研究，對(duì)比分析了加拉簧和不加拉簧時(shí)伸縮液缸的工作性能，結(jié)果表明：在鉗頭與安裝架之間增加拉簧，可有效降低液壓缸所受的沖擊載荷和沖擊次數(shù)。增加拉簧后，鉗頭的位移和速度曲線變化平緩，滿足液壓鉗工作連續(xù)性和平穩(wěn)性的基本要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了液壓鉗設(shè)計(jì)與設(shè)備選型的合理性，為產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)奠定基礎(chǔ)，也為技術(shù)人員開展同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供依據(jù)。