斜直井修井机抓管装置设计与分析

郭建东，郭登明，王斌虎，关文韬

(1.长江大学，湖北 荆州 434023； 2.新疆油田公司 物资管理部，新疆 克拉玛依 834000；3.长庆油田分公司 第九采油厂，银川 750001)

在我国各油田每年进行的 10万多次各类修井作业中，小修作业占60%以上，直井作业占绝大多数，也有一部分为浅层斜直井作业，例如河南油田、新疆油田的浅层稠油开采等。针对目前国内斜直井修井机技术发展相对落后，且不能满足现场作业要求的现状，笔者研发了一种用于浅层斜直井作业的新型全液压斜直井修井机。其主体结构为撬装结构，主要由动力系统、井架及驱动系统、底座、对中系统、上卸扣系统、油管移运系统、液压控制系统、电控及操作系统组成。该斜直井修井机的主要特点是：结构紧凑，安全可靠、作业效率高，可一个人进行作业操作。油管移运系统是斜直井修井机重要构件之一，油管移运系统是否能正常高效的工作，关乎到整个斜直井修井机的作业效率。抓管机是油管移运系统的核心部件，大幅提高了机械化水平，并使作业的可靠性更高，过程更加精确与快速。本文介绍了抓管机的基本结构以及工作原理，建立了抓管机的动力系统力学模型和运动方程，并对液压抓管钳进行设计与分析。

1 抓管装置结构及原理

1.1 结构

斜直井修井机抓管机主要由主臂、副臂、液压抓管钳、摆臂、连接杆、微调装置、拍管装置、固定装置及液压缸等组成，如图1所示。其中，抓管臂分为主臂和副臂，主臂上的固定装置连接副臂，构成了四连杆机构。利用微调装置进行微调，弥补抓管过程中的工作误差。主臂由举升液压缸提供动力，将整个抓管装置举升起来，进行抓管作业。副臂上装有拍管装置、定位装置、摆臂及摆动液压缸。液压抓管钳安装在箱体内，箱体通过轴与摆臂连接，可随重力作用而转动。

1—抓管主臂；2—抓管副臂；3—拍管装置;4—定位装置；5—摆臂；6—连接杆；7—箱体；8—油管；9—液压抓管钳；10—摆动液压缸；11—微调装置；12—固定装置；13—拍管液压缸；14—举升液压缸。

1.2 工作原理

抓管装置安装在斜直井修井机底座的后端，与支架共用1个旋转轴。在起管作业时，主臂通过举升液压缸驱动，由水平位置旋转45～60°至工作位置。在主臂旋转举升的过程中，摆臂也同时由摆动液压缸驱动旋转至垂直于副臂的位置。在液压抓管钳接触并支撑油管后，首先由闭口液压钳通过冲扣、卸扣等一系列操作，将井口的油管与井下的油管柱脱扣；然后，液压抓管钳夹紧井口油管，游吊卡上移并脱离井口油管；最后，主臂通过举升液压缸驱动回到水平位置，同时摆臂也由垂直位置旋转至倾斜位置(以降低油管的高度)。在整个抓管机的工作过程中，通过举升液压缸与摆动液压缸的配合作用，使2个液压抓管钳的中心线始终与副臂保持平行状态，以保证油管在抓取和输送过程中不会发生与副臂的碰撞。在下油管作业时，油管首先通过管架系统的输送机构移至液压抓管钳上；其次，由拍管装置(由拍管液压缸驱动)拍动油管，使油管调整至适当位置，以保证油管输送至预定位置时，既不与上端的游吊卡相撞，也不与下端的闭口液压钳相撞；然后拍管装置复位，液压抓管钳夹紧油管，由抓管机将油管输送到预定位置；最后游吊卡下移一套入油管并夹紧，液压抓管钳松开，油管下移对中后由闭口液压钳上扣并拧紧，抓管机下放至水平位置。在整个起管和下管作业过程中，全部采用液控驱动，大幅提高了油管移运的可靠性和效率。

1.3 主要技术参数

抓管装置最大转动角度

60°±2°

摆臂最大旋转角度

66.65°

摆臂最大摆动距离

1 350 mm

两摆臂间的安装距离

4 000 mm

油管中心距副臂的最大高度

1 484 mm

适应油管外径

ø60.5、ø73.0、ø88.9 mm

抓管钳夹紧力

6 kN

抓管钳适应油管质量

90～150 kg

2 抓管装置运动分析

2.1 主臂运动分析

为了对主臂进行运动分析，首先要建立系统数学模型，对整个系统进行简化，且运动机构所有构件群在一个平面，所以该系统可以简化为以机械臂铰链为中心的平面系统。A点为举升液压缸在作业平台上的支点；B点为抓管装置在平台上后支座的支点；C点为举升液压缸的液压杆与主臂的连接点；C1点为举升液压缸将主臂举升至工作位置时液压杆与主臂的连接点。L1是A点到B点的垂直距离；L2是A点到C点的水平距离；L3是BC之间的距离。φ1为举升液压缸活塞杆的旋转角度；φ2为主臂的旋转角度;θ为AB与BC的夹角。如图2所示。

图2 主臂运动系统的力学模型

根据斜直井修井机设计技术要求，起下管柱速度不小于30 根/h，结合修井机作业流程推算主臂从水平位置举升至工作位置的时间t1不超过10 s。假定举升液压缸活塞杆的速度为v1。将活塞杆的运动矢量向x轴、y轴分别投影，可得矢量方程解析式。

(1)

将式(1)中对时间求一次导数，可得到一阶运动微分方程，即主臂与举升液压缸速度分析的关系式为：

(2)

(3)

将式(3)中对时间求一次导数，可得到一阶运动微分方程，即主臂与举升液压缸的速度分析关系式为：

(4)

式中：s1为举升液压缸活塞杆的伸出距离，m；w1为举升液压缸的角速度，s-1；w2为主臂的角速度，s-1。

此时举升液压缸缸筒没有活塞杆的一端进油时，即无杆腔进油，有活塞杆的一端回油，活塞杆从缸筒内伸出，以保证举升过程中推力足够。

举升液压缸活塞杆伸出时推力为：

(5)

进入举升液压缸的液体流量为：

(6)

2.2 摆臂运动分析

在摆臂进行运动分析时，对单个摆臂(前臂)进行简化，建立系统数学模型。E点为液压缸在抓管副臂上的支点；F点为摆臂在抓管副臂上的支点；G点为摆臂处于倾斜位置时液压杆在摆臂上的支点；G1点为摆臂垂直位置时液压杆在摆臂上的支点；D点为摆臂处于倾斜位置时的顶点；D1为摆臂处于垂直位置时的顶点。当抓管装置开始工作时，摆臂处于倾斜位置，依靠在斜撑上，L5是E点到F点的水平距离；L6是F点到G点的距离；L7是E点到G点的垂直距离。φ3为摆动液压缸活塞杆的旋转角度；φ4为摆臂的旋转角度；α为EG与x轴之间的夹角；β为FD与x轴之间的夹角。摆臂运动系统的分析模型如图3所示。

图3 摆臂运动系统的分析模型

2根摆臂通过连接杆连接与主臂组成平行四边形机构，油管与副臂上平面须始终保持平行状态，油管在运移作业中不发生碰撞。在主臂举升的过程中，摆臂同时摆动。假定摆动液压缸活塞杆的速度为v2，与主臂运动系统同理分析，可得摆臂与摆动液压缸的速度关系式为：

(7)

式中：s2为摆动液压缸活塞杆的缩进距离，m；w3为摆动液压缸的角速度，1/s；w4为摆臂的角速度，1/s。

此时摆动液压缸缸筒由活塞杆一端进油，即有杆腔进油，无活塞杆一端回油，活塞杆会向缸筒内缩回。摆动液压缸活塞杆缩回时的拉力为：

(8)

进入摆动液压缸的液体流量为：

(9)

抓管装置在抓取油管的过程中，摆臂由倾斜位置拉回至垂直位置时，摆动液压缸需要通过双向液压锁控制。双向液压锁由2个液控单向阀组成，液压锁进油及控制油泄压时，2个液控单向阀迅速关闭，可实现对摆动液压缸的双向锁紧，使得摆臂在抓管机作业过程中不发生晃动，保证修井作业顺利完成。在油管钳抓紧油管后，4支微型液压缸需要通过同步阀双向液压锁来控制。液压油通过同步阀双向液压锁实现对4个油缸均分。采用同步阀能够比较精确地实现油缸的同步，使得2个液压油管钳的4个牙板可以同步夹紧油管，并在油管移运过程中不松动。

3 液压抓管钳

3.1 结构

修井机的油管移送作业需要管钳抓取油管来配合。液压抓管钳三维模型如图4所示。液压抓管钳上设计安装有3块牙板，以保证油管在抓取过程中不会滑动。其中2块牙板安装在两侧的抓手板上，还有1块牙板安装在固定座上。抓手板的运动由液压缸驱动。

图4 液压抓管钳三维模型

3.2 抓管钳的夹紧力计算

液压抓管钳抓手板的夹紧力，需要克服管柱自身重力以及管柱运动状态变化时产生的惯性力，从而保持可靠的夹紧状态。

机械手手指的夹紧力为：

FN≥K1K2K3G

(10)

式中：K1为安全系数，通常取1.2～2.0；K2为工况系数，主要考虑惯性力的影响；K3为方位系数，根据抓手板与油管的位置不同进行选择；G为抓取油管的重力，N。

3.3 液压抓管钳的应力分析

当抓管装置将油管举升至倾斜角度为60°的工作位置抓取油管时，液压抓管钳受到的重力及冲击最大，利用ANSYS对此位置进行静力学分析，如图5所示。

a 应力云图

由图5中可知，抓管钳应力最大处为抓手板与牙板连接处，因此在实际制造中应将连接处加固焊牢。基于抓管钳静力分析结果，得出应力小于许用应力且安全系数为15，因此该液压抓管钳设计合理，可以安全使用。

4 结论

1) 根据斜直井修井的工况，研制了可用于倾斜角度为45～60°的修井机抓管装置。分析了抓管装置的工作原理。作业全程采用液控驱动，大幅提高了油管移运的可靠性和效率。

2) 建立了抓管机装置的主臂和摆臂的力学模型，进行运动和动力学分析；对液压缸的推力及流量进行计算，以及作业时平衡阀和液压锁的控制流程做出了说明。

3) 建立了液压抓管钳模型。计算了抓管钳的夹紧力，并对抓管钳结构进行静力学分析，得出应力和安全系数均符合设计要求。