基于Adams的油田小修作業上下管桿裝置動力學分析*

楊德芹，周揚理※，石福興，孫清龍，王 菲，魏慧娟

（1.山東石油化工學院機械與控制工程學院，山東東營 257061；2.東營市海科瑞林化工有限公司，山東東營 257000）

0 引言

隨著工業化進程的飛速發展，石油資源占據了現有市場上至關重要的位置，為了保證石油開采的安全性，針對油田修井作業中機械設備自動化程度的要求也是越來越高[1-2]。油田小修作業時，管桿的起下作業是最頻繁的工作，其危險程度也很大[3]，需要人工將抽油桿、油管轉移至動力貓道上，勞動強度大，作業效率低[4-5]，作業人員以及作業設備的安全性得不到有效的保障。

目前，修井作業設備的自動化程度相對較高，如高勝等[6]研制了一種修井作業管柱機械化移運裝置，此裝置通過多種控制方式實現管柱自動移運和排放，并根據現場試驗證明了該裝置工作穩定可靠，降低了勞動強度，提高了工作效率及安全性。張浩男等[7]設計了一種滑道擺桿式修井管柱移運裝置，結構簡單、適應性強，可以替代人工完成修井管柱的自動移運。蘇秋涵等[8]研發了一種撬裝式機械化排管裝置。耿玉廣等[9]研制了一種小修作業遠程控制起下管柱裝置，之后，又研制出了一種新型井場油管遙控移送機[10]，該移送機依靠重力彈性機構自動產生拉力，在現場應用中，需1 名場地工人按遙控器即可完成油管從管排架至井口之間的來回移送，大大減輕了工人勞動強度，提高了作業效率和施工安全性。但是徹底脫離人工進行起下作業的上下管桿過程還沒有得到實現。即使已經出現的從排管架上將管桿放置在貓道上的自動化設備[11-12]，但是，會存在管桿滾落位置不固定，具有較大沖擊載荷等問題，并且與貓道分離運輸，下次使用時存在裝配不確定性。為解決油田修井管桿起下作業時存在的工人勞動強度高、操作過程不連續、產生較大沖擊影響、存在安全隱患等一系列問題，本文設計了一種精確控制、無沖擊的油田小修作業上下管桿裝置。此裝置采用合理的夾持布點安裝方案，以及從排管架上夾取式的取管方式來消除因管桿重力引起的沖擊載荷，保障設備與作業人員的安全和人力資源的充分合理利用。

1 工作原理

油田小修作業上下管桿裝置的整機結構由翻轉模塊、夾緊模塊、支撐模塊、高度調節模塊組成，如圖1 所示。油田小修作業開始之前，將上下管桿裝置固定于立式貓道[13]與排管架中間，使各機構處于初始位置。翻轉模塊中的擺動缸開始工作，帶動翻轉臂旋轉至夾緊爪與排管管架上的油管或抽油桿相接觸，翻轉臂繼續旋轉。同時，夾緊模塊中的油缸進行工作，通過活塞桿拉動活動夾緊爪沿翻轉臂向上與固定夾緊爪共同夾緊油管或抽油桿。

圖1 整機結構示意圖

翻轉臂帶著油管或抽油桿翻轉至立式貓道上方時，擺動缸逐漸減速，能夠將油管或抽油桿平穩地運送到立式貓道上，擺動缸停止工作。油缸帶動活塞桿推動活動夾緊爪，夾緊爪松開油管或抽油桿，使得油管或抽油桿平穩的落到立式貓道上。放置完成后，擺動缸繼續工作帶動翻轉臂翻轉回初始位置，進行下一周期的作業。同樣，從貓道上將管桿取下放置在排管架上的工作流程與將管桿放置在貓道上的流程相同。擺動缸與油缸相互配合協作，能夠很好的完成上、下油管或抽油桿的工作。

整機工作操作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2 結構設計

2.1 翻轉模塊

翻轉機構主要由擺動缸、法蘭軸、法蘭連接板、滾動軸承、套筒、端蓋、軸承座、軸承蓋等零部件組成整體結構，如圖3所示。

圖3 翻轉模塊結構

翻轉模塊是油田小修作業上下管桿裝置的核心動力機構。該機構負責完成整個裝置的翻轉任務，在作業過程中，將油管或抽油桿翻轉過去需要克服油管或抽油桿自身重力對擺動缸產生的扭矩，并能夠保證法蘭軸可以正常轉動，法蘭軸兩端由于油管或抽油桿產生的扭矩與擺動桿產生的扭矩不會使法蘭軸損壞，翻轉機構要給整體作業過程提供一個穩定可靠的動力系統。支撐板與支撐架相連，翻轉機構與支撐板通過螺釘相連，在維修設備時可以輕松拆卸。法蘭軸通過滾動軸承在兩端固定，使得法蘭軸轉動更加平穩，最大限度降低了轉動產生的摩擦力，降低了無用功，提升工作效率。

2.2 夾緊模塊

夾緊模塊主要由油缸、活塞桿、活動夾緊爪、固定夾緊爪等零部件組成。如圖4 所示。為使夾緊爪適用于具有多種不同規格的油管和抽油桿，設計利用活動夾緊爪與固定夾緊爪配合的工作模式，使油管或抽油桿被充分夾取，消除了在翻轉過程中由于沒有夾緊油管或抽油桿而導致油管或抽油桿與夾緊爪之間存在間隙而產生的沖擊載荷，保證了操作裝置與現場操作人員的人身安全，整體作業穩定可靠。

圖4 夾緊模塊結構

2.3 支撐模塊

在安裝過程時，貓道連接板與立式貓道焊接在一起，使油田小修作業上下管桿裝置與立式貓道一同運輸。如圖5 所示。修井作業場地凹凸不平，使用絲杠調節，可以保證整體裝置都處在一個相對平穩的位置進行工作。保證修井作業的整個過程都安全平穩可靠。

圖5 與貓道連接的支撐模塊結構設計

2.4 高度調節模塊

作業過程中排管架高度不一，為便于調整油田小修作業上下管桿裝置的高度，上、下支撐架通過螺釘與加強桿連接，如圖6 所示。使得在作業過程中，夾緊爪可以準確夾緊在排管架上的油管或抽油桿，為后續工作的完成奠定基礎。

圖6 高度調整模塊結構設計

3 擺動缸所需力矩的理論計算

擺動缸主要在翻轉油管或抽油桿過程中提供轉矩。針對夾取油管或抽油桿作業時3 個不同翻轉位置進行受力分析，如圖7～9所示。

圖7 夾角30°時受力分析

根據力的四邊形法則。進行由重力所引起的支反力對法蘭軸產生的扭矩，以此來對擺動缸進行選型計算。

翻轉位置一：當油管處于圖7 位置時。翻轉角度與支架角度呈現30°。

式中：g為重力加速度，取10 m/s2；G為油管重力；L為法蘭軸到油管距離，L=1 m；Fn1為重力分力主要產生扭矩的力；T為擺動缸所需扭矩。

根據式（1）～（3）所得，此時擺動缸所需扭矩為325 N·m。

翻轉位置二：當油管處于圖8 位置時。翻轉角度與支架角度呈現90°。此時油管或抽油桿自身重力全部用來提供扭矩。

圖8 夾角90°時受力分析

根據式（4）所得，擺動缸所需扭矩為1300 N·m。

翻轉位置三：當油管處于圖9 位置時。翻轉角度與支架角度呈現135°。

圖9 夾角135°時受力分析

根據力的平行四邊形法則可計算：

根據式（5）（6）所得，此時擺動缸所需扭矩為650 N·m。

當翻轉臂與支架所成角度為0°時，此時油管或抽油桿的重力全部需要油缸提供拉力，此時擺動缸所需轉矩為0 N·m。

4 基于ADAMS的仿真與驗證計算

4.1 抓管位置分析

圖10 抓取位置距離

表1 4種工況下的距離mm

對此裝置的4種工況進行仿真分析，結果如圖11～14所示。由圖可知，在相同轉動速度下，4 種工況下擺動缸所需扭矩是一樣的，不同的夾持位置對于擺動缸所需的扭矩不產生影響。但是不同夾持位置對1號爪和2號爪產生的扭矩是有影響的。通過對1號爪和2號爪所產生的扭矩進行分析可知，工況一時1號爪和2號爪所產生的扭矩比工況二和工況四時對兩個爪所產生的扭矩小，同時工況一時的轉動比工況三時轉動更加穩定。綜上所述，工況一時的夾持位置是最合適的夾持位置。

圖11 轉動速度

圖12 擺動缸扭矩

圖13 1號爪扭矩

圖14 2號爪扭矩

4.2 取管方式分析

在進行修井作業時，需要將管桿從排管架上安全穩定準確地放置在貓道上，現有兩種方式將油管或抽油桿從排管架上移送到貓道上，分別是自由滾落式和從排管架上夾取式。

4.2.1 自由滾落式

自由滾落式為管桿從排管架上因為自身重力引起的滾落，滾落至夾緊爪上，然后翻轉臂帶動翻轉進行放管，如圖15所示。對自由滾落式滾落至夾緊爪上所產生的接觸力進行動力學仿真分析，仿真結果如圖16所示。

圖15 自由滾落式

圖16 自由滾落式

根據仿真結果可知，采用自由滾落式進行管桿夾取時對翻轉臂產生的接觸力最大值為28.32 kN。

4.2.2 從排管架上夾取式

從排管架上夾取式為翻轉臂進行翻轉時，翻轉至夾緊爪與在排管架上接觸時，活動夾緊爪進行夾取，然后繼續翻轉進行放管，如圖17 所示。對自由滾落式滾落至夾緊爪上所產生的接觸力進行動力學仿真分析，仿真結果如圖18所示。根據仿真結果可知，采用從排管架上夾取式進行管桿夾取時對翻轉臂產生的接觸力最大值為3.291 kN。通過對比兩種方式對翻轉臂產生的接觸力可知，選取從排管架上夾取式對翻轉臂產生的沖擊力更小，對裝置產生的危害小，更適合此裝置進行對管桿的夾取。

圖17 排管架夾取式

圖18 排管架夾取式

5 結束語

（1）針對目前油田小修作業中人力資源浪費嚴重、作業頻繁、操作安全系數低等問題，設計了油田小修作業上下管桿裝置，減少了人力資源浪費，提高了作業效率，擴大了適用范圍，能夠精準定位，避免了重力沖擊對裝置的影響，保障作業人員與操作設備的安全。

（2）油田小修作業上下管桿裝置采用液壓驅動，利用擺動缸提供轉矩帶動翻轉臂翻轉，從翻轉臂翻轉到3個不同反轉角度計算擺動缸所需扭矩最大為1 300 N·m。

（3）利用Adams 軟件分析，對4 種工況下夾緊爪的扭矩進行比較，驗證得到工況一為工作時最佳安裝位置；對兩種取管方式下翻轉臂受到的沖擊力進行比較，驗證得到了從排管架上夾取油管產生沖擊力為3.291 kN，小于自由滾落式產生的沖擊力28.32 kN。