折疊式油管移送裝置設計與分析*

2021-12-13 07:34:22張鵬宇郭登明涂學洋符仁杰郭建東梁晨鄧康

石油機械 2021年12期

張鵬宇郭登明涂學洋符仁杰郭建東梁晨鄧康

(1. 長江大學機械工程學院 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

傳統的油田修井作業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，而且工作環境也相對惡劣[1-6]。進入21世紀，鉆井和修井設備的自動化已經成為石油設備未來發展的必然趨勢[7]。

針對修井作業的工藝特點和使用要求，本文研發了一套與直井修井機配合使用、可實現油管從地面到井口自動運輸的折疊式油管移送裝置。采用該裝置無需人工拖拽油管即可實現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構和工作原理，再對其動力系統建立力學模型和運動方程，進行機構運動分析。該裝置的成功研發可為相關領域的使用人員、設計人員及管理者提供參考。

1 技術分析

1.1 結構

圖1為折疊式油管移送裝置在直井修井機系統中的安裝位置。圖2為油管移送裝置三維結構。

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

1—后活動梁；2—移動滑車；3—側鉤；4—中間主梁；5—側鉤上料液壓缸；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、側鉤、側鉤上料液壓缸、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，各梁內都焊接有導軌，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。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鉤，側鉤通過上料油缸的舉升進行旋轉運動，將排管架上的管柱送入移動滑車。為配合現場排管架的高度完成油管運移及擺放工作，裝置水平高度設計為850 mm。

1.2 主要技術參數

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：820 mm；

適應油管重力：0.9～1.5 kN。

1.3 工作原理

起管作業時，首先翻轉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，吊卡松開油管。此時舉升液壓缸運轉，總梁下放至水平位置。此時啟動前后梁凹槽內頂管液壓缸，使前后頂管導向板(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。

下管作業時，首先將移動滑車移動至梁末端，然后側鉤液壓缸驅動側鉤從排管架上勾起油管，將油管勾起滾入主梁內，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系一起運動，直到油管脫離移動滑車。待油管接近豎直狀態，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 主要結構設計

2.1 舉升液壓缸選取

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

2.2 移動滑車設計

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下管或起管的后續工作。在接送管過程中，若移動滑車導軌發生一定頻率的顫動，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]。為此設計了由液壓馬達控制鋼絲繩拖拽移動滑車的結構。

移動滑車結構如圖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 側鉤設計

取放管機構三維示意圖如圖4所示。側鉤機構包括側鉤、側鉤上料液壓缸、頂管斜面導向板、頂管液壓缸、側鉤連接座和側鉤支撐座等。頂管斜面導向板可取出翻轉 180°再次插入，以滿足在起管作業時修井現場讓油管向另外一側排管的需求。

1、6—側鉤；2—側鉤上料液壓缸；3—頂管斜面導向板；4—頂管液壓缸；5—側鉤連接座；7—側鉤支撐座。

下管作業時，側鉤上料液壓缸工作，側鉤勾起管排架上的油管并舉起滾入導軌中的移動滑車中，后續送管工作由移動滑車完成。起管作業時，油管被完全放置到梁槽內后，頂管液壓缸工作，使前、后頂管斜面導向板頂出油管，油管沿導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。修井作業過程中有時會有振動現象導致連接件出現松動，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，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。根據作業實際情況采用?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，后卡套結構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 機構運動分析

為了對裝置進行運動分析，首先要建立系統力學模型，對整個系統進行簡化，且所有運動機構構建在一個平面，因此該系統可以簡化為雙滑塊橢圓規機構，如圖5所示。在實際運用中應計算該裝置吊卡夾持油管下落速度與滑車在導軌運行速度的關系，即圖5中va與vb的關系。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。

油管移送裝置機構運動簡圖如圖5所示。

圖5 舉升運動系統的力學模型

由余弦定理可知：

(1)

由幾何關系可知：

(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)

進一步推導可得：

(13)

將式(2)代入式(13)得：

(14)

3.2 移動滑車速度調節

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。

理論轉矩為：

T=Fr

(15)

理論流量為：

(16)

式中：q0為液壓馬達旋轉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。

當吊卡將油管提起放入移動滑車后，操作液壓馬達手動換向閥即可調節液壓馬達的液壓油排量，進而調節移動滑車速度[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 現場應用情況

折疊式油管輸送裝置于2019年研發成功，至今已生產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用。現場應用結果表明:折疊式油管輸送裝置操作便捷，動作平穩可靠，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，完全滿足修井作業起下油管需求。該裝置的現場應用情況如圖6所示。