井口起下油管作業自動化裝置試驗與液壓控制系統仿真

楊月明，常玉連，高勝，龐伶伶，王晶，王偉

（東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

在油田生產作業過程中，修井作業是一項十分重要的環節。隨著我國油田開采年限的增長，大部分油田已進入開采的中后期，采油的難度較以前更難，油田修井作業也越來越頻繁［1］。目前，國內絕大部分油田的修井作業仍采用傳統的方式，通過修井機、通井機和人工一起下油管，并配合其他特種車輛來達到修井施工的目的。石油修井中的主要工序是油管的起下作業和上卸扣操作，起下油管作業操作過程簡單、單調、頻繁，且易發生油管崩扣、高空落物等事故；上卸扣操作通常主要是由現場作業工人靠人力推動重達幾百公斤的液壓大鉗（液壓大鉗通常采用吊裝的安裝方式）進行上卸扣作業，同時還要頻繁地倒換吊卡，因此勞動強度十分大。此外，野外修井作業環境惡劣，尤其在冬天井場作業時容易出現打滑、操作不靈活等問題［2］。基于此種現狀，為了更好地實現修井作業的機械化、自動化與無人化操作，以及減輕工人的勞動強度和數量的目的，東北石油大學機械設計仿真實驗室成功開發了井口起下油管作業自動化裝置（以下簡稱“起下油管自動化裝置”）。該裝置是能夠實現井口管柱的扶正、起、卸的一整套井口機械化系統，并實現了遠程控制。該方案實施后，可以改變現有修井作業工藝，從而使修井井口作業達到較高的機械化與自動化水平，使工人遠離井口，通過遙控方式實現管柱的上卸扣等操作［3－4］。

1 工作原理及作業工藝流程

1.1 工作原理

起下油管自動化裝置的結構如圖1所示，主要由扶正機械手、移動作業工、動力卡瓦、緩沖定位裝置、井口定位裝置和液壓系統等組成。

圖1 起下油管自動化裝置

該裝置通過液壓缸驅動移動作業工具實現液壓鉗的往復運動，代替工人將液壓鉗退出或移到井口。通過液壓鉗實現自動換擋和自動對缺口功能，利用遠程控制實現液壓鉗的高、低速換擋。在上卸扣完畢時控制對缺口液壓回路，實現主鉗自動對齊缺口，以便管柱順利從鉗口中移出和下一次上卸扣順利進行。在上卸扣操作中，利用扶正機械手將管柱扶正，保證扶正的管柱中心與井口中管柱中心對中。采用動力卡瓦，通過遠程控制實現夾緊和松開管柱的功能。扶正機械手固定到移動作業工具上蓋上，移動作業工具在其底座上往復運動。作業工具底座在豎直方向可調，用以在豎直方向上定位作業工具。作業工具底座內部安裝有動力卡瓦，卡瓦與井口法蘭相連。該裝置通過動力卡瓦確定作業工具底座的安裝位置。通過底座確定作業工具的位置，進而確定液壓鉗的位置，工作時通過緩沖定位擋塊保證井口、卡瓦、液壓鉗、扶正機械手4者中心對中，從而完成管柱的夾持、扶正、旋扣的功能。

1.2 主要技術參數

1.3 作業工藝流程

起下油管自動化裝置的主要工藝流程如圖2所示。

圖2 作業工藝流程

2 液壓系統

根據起下油管自動化裝置的功能要求，同時考慮到開式系統具有結構簡單、價格低廉、便于維護、油液可在油箱中很好地冷卻和沉淀雜質、散熱良好等優點，該裝置采用了泵、開式、并聯的液壓系統，分別驅動機械手、液壓鉗、移動作業工具和動力卡瓦。起下油管自動化裝置配有液壓控制臺，以實現遠程控制，液壓系統原理如圖3所示。

圖3 起下油管自動化裝置的液壓系統原理

3 液壓控制系統AMESim 建模與仿真分析

起下油管自動化裝置的整體液壓控制系統建模工作量較大，限于篇幅，本文僅以扶正機械手液壓控制為例進行建模和仿真分析。扶正機械手代替井口操作工人進行抓取和扶正管柱的動作，實現井口在無人條件下將管柱自動扶正到預定位置，是起下油管自動化裝置的關鍵部件。本文在充分理解扶正機械手液壓控制回路的基礎上，利用AMESim 軟件建立了液壓系統仿真模型，對比分析了液壓系統性能，確認了系統的可行性。

在AMESim 環境下，在草圖模式（Sketch Mode）中，從Hydraulic模塊庫、Planar mechanical模塊庫和Mechanical模塊庫中分別添加各自模型［5］，形成扶正機械手的AMESim 模型，如圖4所示。

進入AMESim 中的參數設置模式（Parameter），對系統主要元件的初始參數設定如下：泵排量2.5×10－4m3／s；泵轉速1000r／min；溢流閥壓力10 MPa；活塞直徑0.05m；活塞桿直徑0.028m；活塞行程0.65 m。設定好各個元件的參數后進入AMESim 中的Run模式就可以對液壓系統進行仿真與分析。仿真結果如圖5～8所示。

圖4 扶正機械手的AMESim 模型

圖5 三位四通換向閥控制信號曲線

圖6 泵輸出壓力

圖7 左（右）側液壓缸活塞桿速度

圖8 兩扶正機械手爪轉動角度

圖5為三位四通換向閥的輸入信號控制曲線，來模擬實現扶正機械手的張開和閉合運動。由圖6可知，泵輸出壓力變化為0～10MPa。圖7可知：在開始階段0～0.12s內，左（右）側液壓缸活塞桿速度曲線變化較大，液壓系統存在不穩定性；在0.12～0.51s、1.3～1.6s、12.7～13.3s內，手爪在運動過程中由于具有變化的加速度，加上2個運動件在相互接觸時存在碰撞，所以在一定時間內速度曲線出現振動，在扶正機械手爪完全張開或完全閉合時速度變化逐漸趨近于0。由圖8可知，兩扶正機械手爪轉動較為平穩。

4 廠內試驗與油田現場應用

起下油管自動化裝置在出廠前進行了廠內試驗，包括：

1）下放管柱，驗證動力卡瓦能否夾緊、松開管柱。

2）扶正機械手能否實現張開和閉合動作，能否起到扶正管柱的作用。

3）液壓鉗能否正常實現夾緊管柱、旋扣、自動換擋、緊扣、自動對缺口、松開管柱的操作。

4）移動作業工能否順利達到預定的工作位置和后退到閑置位置等。

通過廠內試驗，各項試驗數據顯示裝置運行均達到上述的設計要求，廠內試驗如圖9所示。

圖9 廠內試驗

井口起下油管作業自動化裝置樣機在大慶油田采油六廠進行了現場應用。應用結果表明：該裝置總體方案可行，能順利實現扶正、換擋、對缺口、懸持管柱等功能，其機械、液壓系統均達到了設計要求；可以實現井口無人化作業，機械化程度較高；可以滿足安全修井作業的基本要求。由于其控制方便、性能可靠、功能多樣及操作簡單等優點，得到用戶的認可。

5 結論

1）油管起下自動化裝置具有結構合理、功能齊全、操作方便等特點。應用后可以實現修井作業井口操作的機械化與自動化；可以改變現有修井作業工藝，從而使修井井口作業達到較高的機械化與自動化水平，使工人遠離井口，通過遙控方式實現管柱的上卸扣等操作。該產品減輕了工人勞動強度，可提高修井安全性，應用前景廣闊。

2）運用AMESim 軟件對扶正機械手的液壓系統進行了建模與仿真。通過仿真曲線直觀地描述液壓系統的振動與沖擊，對后續改進液壓系統的設計、提高工程機械的性能與可靠性具有指導意義。

3）廠內試驗和油田現場應用情況表明，該裝置的液壓系統具有較好的平穩性，滿足實際工況要求。

［1］常玉連，肖易平，高勝，等.修井井口機械自動化裝置的研究進展［J］.石油礦場機械，2008，37（5）：62－67.

［2］張躍林，章啟成.石油修井作業事故類別及預防對策［J］.工業安全與防塵，1996（2）：34－35.

［3］彭金申.井小修作業設備的技術現狀與發展［J］.石油機械，1999，27（3）：53－54.

［4］孫明光，彭軍生.國內外石油鉆井裝備的發展現狀［J］.石油鉆探技術，2008，36（6）：86－91.

［5］付永領，祁曉野.Lab AMESim 系統建模和仿真參考手冊［K］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.