套管扶正机械手研制

雷齐松，张映辉，贺彦亮，王建华，胡月霞，郑　欣

(渤海钻探钻井技术服务公司，天津300280)

套管扶正机械手研制

雷齐松，张映辉，贺彦亮，王建华，胡月霞，郑欣

(渤海钻探钻井技术服务公司，天津300280)

摘要：为提高下套管作业效率，减少套管上错扣现象，减轻施工人员的劳动强度和杜绝井下复杂情况发生，设计完成套管扶正机械手的技术方案并进行了论证。该套管扶正机械手主要由执行系统和控制系统两部分组成。控制系统是利用防爆电磁换向阀控制各油缸油路方向，各油缸分别控制底盘旋转带动机械手臂摆动；控制机械手臂抬起、伸缩和放置水平位置；控制机械抓手抱紧和松开套管，对套管扶正从而实现套管顺利上扣。根据套管扶正机械手的工作特点、实际工况参数，对其进行了应力分析，结果表明提升油缸活塞杆前端销轴连接处和装置底座承受着较大的应力载荷，实际应用时必须保证其有足够的强度。详细介绍了该套装置的操作要点和注意事项，对现场应用具有指导意义。

关键词：套管；控制油缸；底盘；机械抓手

Development of Casing Centralizer Manipulator

Lei Qisong, Zhang Yinghui, He Yanliang, Wang Jianhua, Hu Yuexia, Zheng Xin

(BohaiDrillingTechnologyServiceCompany,Tianjin300280，China)

Abstract:We completed technical schemes for casing centralizer manipulator to improve the efficiency of casing running operation, reduce wrong buckling of casing running operation, reduce the labor intensity of workers and prevent the occurrence of down-hole complicated conditions. The manipulator is mainly composed of two parts: the implementing system and the controlling system. With the explosion-proof magnetic exchange valve, the controlling system is to control the oil direction of cylinders that control chassis rotation to drive manipulator, to control lift, stretching and position horizontally, to control manipulator to hug and loose the casing and centralize casing to fulfill buckling of casing. We conducted stress analysis on the manipulator according to its work characteristics, actual work parameters and operating conditions. Results showed that lifting up the oil cylinder piston rod front-end pin shaft joint and the base sustained greater stress load, so we had to ensure that they had sufficient strength. We introduced the operational keys and cautions for use of the facility, which could be of guiding significance to field application.

Key words:casing;control of oil cylinder; chassis; manipulator

目前在下套管施工作业及套管钻井和大尺寸套管下入的施工中，套管对扣很大程度上依赖偶然因素。例如套管出现倾斜时需要司钻摆动吊卡给套管一个外力，同时要求下套管施工人员能将套管对正扣，否则套管扣很难对正，而且在使用上卡盘时，如果套管的位置未与平台垂直则很难进入卡盘[1]。若遇大风天气，则下套管难以进行。

鉴于以上原因，研发了套管扶正机械手装置。该套管扶正装置可以辅助套管对扣，提高对扣准确度[2]，降低施工人员劳动强度，提高工作效率。

1 技术分析

套管扶正机械手装置是由电磁换向阀通电后，开启电磁换向阀以分别控制底盘总成油缸、伸缩方管组合油缸和机械抓手油缸的供油(回油)油路方向，最终控制底盘总成、伸缩方管组合和机械抓手动作，以扶正套管对扣方向[3]，从而降低上扣时错扣率和提高套管上扣速度。

1.1 结构设计

套管扶正机械手部件主要由底盘总成部分(底盘、转盘控制油缸、电磁换向阀等)、摆臂部分(内管组合、外管组合、摆臂)和机械抓手部分(机械抓手控制油缸、机械抓手等)构成(图1)。

图1　套管扶正机械手主要部件图Fig.1　Major parts of the manipulator

执行系统是由底盘总成部分、伸缩方管组合和机械抓手部分组成。其中主体部分是机械抓手部分。底盘总成部分主要由底盘、底盘上盖、底盘轴承、转向耳、转盘油缸等部件组成；伸缩方管组合主要由支座、吊环座、联接板、内管、挡块、底部长销、外管、压板、垫板等部件组成；机械抓手部分主要由机械抓手架子、机械抓手底座、调节块、顶块、调节轴、外壳组件、内壳组件、滚轮和销轴等部件组成。

1.2 液压控制系统设计

液压控制系统最高工作压力为16MPa，以实现底盘旋转、俯仰、伸缩和机械抓手张合的功能。考虑到设计保压要求，使压力稳定性好，设计中利用防爆电磁换向阀中位机能保压[4](图2)。底盘旋转、俯仰、伸缩和机械抓手张合的功能依靠液压缸来实现，两者工作原理相同。

如图2所示，当按下启动按钮，电磁铁1DT通电，防爆电磁换向阀右位接入回路，液压缸右腔成为压力腔，在到达预定值时继电器发出信号，使防爆电磁换向阀切换成中位，这时液压泵卸荷，液压缸由防爆电磁换向阀“O”形中位机能保压。回程时，电磁铁2DT通电，防爆电磁换向阀左位接入回路，活塞向右退回。

图2　液压控制系统原理图[5]Fig.2　Schematic diagram of hydraulic control system

每个防爆电磁换向阀都需要一个叠加式溢流阀，工作时处于并联状态，油缸中油路之间互不影响[6]，分别形成4个独立的液压回路。

当套管扶正器未接液压泵时，管路的液压油会因自重而流出，需要用单向阀闭锁，以免液压油泄漏。

1.3 套管扶正机械手原理

根据不同型号井架加工相应的安装架，套管扶正机械手安装到井架上，开启防爆电磁换向阀，油缸提供动力将伸缩臂机构竖直，防止套管扶正机械手碰坏[7]。套管吊至井口开始对扣时，油缸提供动力将伸缩臂机构放置水平位置并调整至高于井口套管接箍位置，同时将机械抓手张开，将伸缩臂机构的内管组合伸出到应扶正套管位置，这时，油缸提供动力使机械抓手抓紧套管，油缸控制底盘和伸缩臂机构前后或左右摆动套管，以帮助套管对扣。套管对扣结束后，机械抓手松开套管，伸缩臂机构的内管组合缩回到外管组合内，油缸提供动力将伸缩臂机构转回竖直位置。依次重复上述过程，完成套管扶正工作。

2 力学分析

由于套管扶正机械手结构较复杂，建模时应尽量对实际结构进行模型简化与优化，简化后的模型应具备真实结构的主体特征[8]，如主体尺寸、安装尺寸、各部件间的约束、质量属性等。在机构设计过程中采用专业CAD软件SolidWork进行实体建模与模型简化，然后将模型导入有限元分析软件CosmosWorks中展开算例分析。

通过计算得出模型最大等值应力、最大合位移、最大对等应变及其所在位置(表1)[9]。

表1　模型相关最大参数表

图3　加载后装配体合位移云图Fig.3　Assembly displacement nephogram after loading

加载后装配体的整体变形如图3所示，由图可以看出，合位移最大值发生在机械抓手的最前端，其值为10.5mm，对应的节点为7312 。

沿机械抓手臂上表面中心线等值应力测试输出结果可以看出，合位移沿机械抓手臂轴向呈近似线性分布，这与实际情况相吻合(图4)。

图4　合位移沿机械抓手臂轴向分布曲线图Fig.4　Curves showing the axial distribution of resultant displacement along the manipulator

对模型进行应力分析，计算结果显示，提升油缸活塞杆前端销轴连接处承受较大的应力。此外，底座承受着整个装置的载荷；因此，对其进行应力分析十分必要。底座作为焊件，在焊接处可能存在应力集中，必须保证其足够的强度。

3 主要技术参数

适用管柱管径范围：139.7～339.7mm。

虎口尺寸：433mm。

质量： 600kg。

工作流量：120L/min。

最高工作压力：16MPa。

外形尺寸(长×宽×高)：766mm×988mm×4517mm。

4 操作要点及注意事项

4.1 操作要点

(1)根据施工井所下套管尺寸选择相应套管扶正机械手，保证各自调节块中心线的方向对准圆心，正、反两方向同时调节机械抓手部分的4个支撑点的调节块的长度，即可夹紧不同管径的套管。

(2)根据不同井架结构、形状、安装横梁的强度及位置等技术参数[10]，加工相应套管扶正机械手的安装平台。

(3)连接好液压控制管线，调整压力为12MPa。

(4)套管扶正机械手底盘转动范围为左右转动15°，使套管扶正机械手的高度与下套管时接头的平均高度相同[11]。

(5) 要随时检查套管扶正机械手上的销子保护绳的安全可靠性。

4.2 注意事项

(1) 套管扶正机械手是井口工具，严禁用火烧的办法清除表面油污。

(2)套管扶正完毕后，应立即收回伸缩臂，并远离井口，严禁磕碰、砸坏或压弯伸缩臂，影响正常使用。

(3)机械抓手滚轮磨损后要及时更换，防止机械手打滑造成套管上错扣。

(4)扶正单根套管时，必须精力集中，平稳操作，密切观察套管偏移井口、天车和游车位置，掌握扶正距离，准确操纵防爆电磁换向阀控制套管扶正机械手动作[12]。

(5)要随时检查套管扶正机械手上的销子保护绳的安全性、可靠性。

5 技术创新点

(1)用液压系统控制油缸进油和回油油路方向，最终控制套管扶正机械手主要部件工作，实现对套管扶正，替代人工扶正或牵引绳等落后方式。

(2)实现了套管扶正机械手动作的远程控制，减轻了井口工人的劳动强度，有利于安全生产。

(3)套管扶正机械手的伸缩臂采用内、外管组合形式，以提高其抗弯曲强度。

(4)机械抓手设计为大系列和小系列两种方式结构，大系列针对9～13in套管使用；小系列结构针对5～7in套管使用，套管扶正机械手主体不需要更换。

(5)设计机械抓手的4个支撑点分别固定在一个圆周的45°、135°、225°、315°方向上，只要保证各自调节块中心线的方向对准圆心，正反两方向同时调节4个调节块的长度，即可抓紧不同管径的套管。

6 结束语

(1)套管扶正机械手的设计适用于不同井架的安装要求。

(3)套管扶正机械手的设计具有抬升、摆动、伸缩、钳口张合等8个自由度的功能。同时应具结构简单、质量轻、易于安装、拆卸等特点 。

(4)套管扶正机械手结构合理、功能完善、使用方便、安全性好，可以减轻施工人员的劳动强度，提高套管对扣速度，降低错扣率及井下事故发生率，有利于实现钻井井口操作的自动化，应用前景良好。

参考文献

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[10]龚振帮. 机器人机械设计[M].北京：电子工业出版社,1995.

[11] 冯香峰. 机器人机构学[M].北京：机械工业出版社,1991.

[12]陈明. 机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社,2005.

作者简介：第一雷齐松 (1967年生)，男，下套管中心专家，从事钻井、完井方面研究工作。邮箱：leiqisong14@163.com。

中图分类号：TE927

文献标识码:A