新型修井自动液压钳的研制与应用

孙宝京，王 贺，尹 锐，沈君芳

（1.胜利油田油气井下作业中心，山东东营 257000；2.胜利油田胜机石油装备有限公司，山东东营 257000）

0 引言

起下作业是油田修井作业过程中工作频率最高的作业形式，耗费时间一般占修井总用时的70%以上，而起下作业最主要的部分就是管柱的上卸扣作业[1]。传统的修井作业由2 名井口工手动操作油管钳实现管柱的上卸扣，作业强度大、环境恶劣、存在较大的安全隐患。

管柱自动化处理系统可提升作业效率和安全性能，大幅降低劳动强度，减少井场用工[2]。国际上能生产整套管柱自动化处理系统的只有NOV、MH 和HYDRALIFT 3 家公司[3]，随着油田钻修井管柱上卸扣技术的不断升级，发展出了液压钳和铁钻工两大类上卸扣装备。针对液压钳，国内研究人员已开展相关研究，设计了多种适用于油田钻修井作业的自动化液压钳[1，4-7]。赵俊利等设计了一种用于小修作业的液压钳[8]，并对该液压钳进行了运动学仿真分析，结果显示该液压钳的运动平稳性较好。针对铁钻工，研究热点主要集中于旋扣钳的设计[9-13]和钳牙的优化设计方面[14-15]。

目前，胜利油田约90%的修井上卸扣作业采用吊式液压油管钳，只有少数较大的修井作业平台采用国外引进的大型铁钻工。虽然铁钻工明显降低了修井工人的劳动强度，提高了修井作业的工作效率，但是其成本高、对管柱的对中性要求较高、且不便运输，使其不适用于绝大多数油田的修井作业。基于现有的研究基础，本文研发了一种适用于油田修井作业的自动液压钳，该装备现已成功应用于生产实践，有效提高了油田修井作业的自动化程度。

1 修井自动液压钳总体设计

油田大修作业主要包括复杂打捞、取换套管、套管补贴、套管整形修复等作业内容，需要频繁起下管柱。液压钳的主要功能是实现管柱接卸作业，主要由立柱总成、臂架滑车总成、悬挂机构总成、钳头总成组成（图1）。

图1 液压钳主要结构

1.1 工作原理

液压驱动钳头总成通过主钳与背钳实现管柱接卸作业，悬挂机构总成可保证钳头总成的稳定性；臂架滑车总成由两套平行四边形机构组成，在液压缸的驱动下可实现钳头总成和悬挂机构的往复直线运动；在液压驱动下，臂架滑车总成可带动悬挂机构和钳头沿立柱上下运动；回转支撑驱动立柱、臂架滑车总成、悬挂机构和钳头总成实现液压钳的回转运动。回转运动、上下运动及水平往复直线运动相结合，确保钳头能够到达指定位置完成接卸管柱功能。

1.2 技术特点

液压钳的主要技术特点有：①采用程序控制和液压驱动的形式实现管柱的接卸作业；②液压钳工作时，钳头在臂架滑车总成的作用下始终与钻台面保持平行；③通过改变主液缸的伸缩量以调整作业半径，来满足不同位置管柱接卸的需求；④钳头适应性强，可以满足多种类型管柱接卸的作业要求。

1.3 技术参数

液压钳接卸管柱尺寸范围为Φ60～140 mm；最高工作压力为16 MPa；钳头最大输出扭矩为25 000 N·m；回转角度为±180°；工作半径为2300 mm。

2 修井自动液压钳的有限元分析

2.1 有限元模型

对液压钳模型进行初步处理，检查干涉，简化部分零件螺栓孔、倒角等特征，将钳头总成和液压箱体分别简化为质量点。基于ANSYS 对模型进行网格划分，整体网格尺寸控制为8 mm，单元类型为SOLID185 八节点六面体单元，整体单元划分数为789 231，节点数为589 210，划分网格平均质量为0.866 34，偏斜度、翘曲度、雅克比数均符合单元计算要求（图2）。为保证强度分析结果的准确性和可靠性，液缸与立柱、滑车与立柱、液缸与滑车、滑车与臂架、液缸与臂架、臂架与悬挂机构等连接均需要设置运动副（图3）。

图2 液压钳有限元模型

图3 转动副设置有限元模型

液压钳处于极限工况时，升降液压缸伸出满行程800 mm将滑车升至最高位，伸缩缸伸出满行程200 mm 将钳头总成送至最远处时，该工况为钳头距离回转立柱最远位置状态，此时液压钳的倾覆力矩最大。极限工况下的载荷及边界条件施加如图4所示，图中A、B 分别为钳头总成和液压箱体设备重；C 为重力加速度；D 为立柱回转支撑固定约束；E 为主钳载荷。

图4 极限工况边界条件及载荷

自动液压钳钳头在井口工作时，当背钳未夹紧管柱，液压钳钳尾会与焊接在钳头总成安装架上的限位块发生碰撞，产生作用于限位块上的瞬态冲击力，该工况为液压钳事故工况。事故工况的载荷及边界条件施加如图5 所示：A 为重力加速度；B 为立柱回转支撑固定约束；C、D 分别为钳头总成和液压箱体的重量；E 为冲击载荷。

图5 事故工况边界条件及载荷

2.2 有限元计算分析

极限工况为液压钳的主要工况，需对结构的刚度、强度进行校核。液压钳的总体刚度取决于臂架的变形量，所以对臂架进行刚度校核。由图6 可知，臂架Y 向最大位移为6.40 mm，臂架可视为悬臂梁，则其悬臂端挠度为6.4 mm，悬臂端挠度小于L/250=6.46 mm，液压钳的臂架结构满足变形要求。由图7 所示，该工况结构最大Mises 应力为226.32 MPa，出现在气缸与浮动套筒连接的销轴部位；根据结构设计方案可知，最大应力位置为线面接触的应力奇异点，对该部位予以忽略。臂架屈服强度为235 MPa，许用应力为235/1.8=130.56 MPa，除了应力奇异点之外，其他部分应力均小于130.56 MPa，表明工况一条件下液压钳的结构强度符合工作要求。

图6 臂架位移云图

图7 整体Mises 应力云图

液压钳处于事故工况时，主要关心受冲击结构的强度，该工况属于危险工况，设计方案需保证结构的可靠性。由图8a）可知，该工况结构最大Mises 应力为665.04 MPa，与极限工况一致，出现在气缸与浮动套筒连接的销轴部位——该部位为应力奇异点。计算结果表明，绝大部分结构应力均小于材料屈服强度235 MPa，表明在事故工况下，结构仍能够承受撞击力，可避免结构屈服失效。该工况下，由图8b）可知，立柱导轨有两个高应力区域：第一个区域是导轨与导轨托板的焊缝，需提高焊缝质量；第二个区域是两导轨连接板，由于导轨受扭，连接板受力较大，连接板与导轨的连接螺栓可能产生剪切失效，需加强设计。

图8 危险工况应力云图

3 修井自动液压钳多体动力学分析

应用Solidworks 对液压钳模型进行初步处理，导入Workbench 合并相关部件，导入ADMAS 建立液压钳的虚拟样机。根据运动学特性，一共设置有25 组运动副，其中立柱与地面连接、液压箱体与升降滑车连接采用Fixed Joint；升降滑车与导轨连接、浮动立柱与浮动套筒采用Translational Joint；3 组液压缸缸筒与液压缸缸杆采用Cylindrical Joint。

液压钳初始设计方案中，钳头与安装架之间仅设置了限位装置。针对此方案初步研究了其液压缸的推力变化规律，图9 中的计算结果显示，液压缸的最大推力达1.6×106N，影响液压缸的工作寿命。为改善液压钳的工作性能，提出在钳头与安装架之间增加拉簧，以降低冲击载荷的强度和次数，确保钳头运动的平稳性。增加拉簧后的虚拟样机如图10 所示，液压执行元件参数见表1。根据液压缸速度行程参数设置Joint Motions。

表1 液压执行元件参数

图9 伸缩液压缸压力变化曲线

图10 ADMAS 虚拟样机模型（增加拉簧）

由于滑车上升—钳头外伸和钳头收回—滑车下降是一个逆过程（液缸速度相同），所以只分析上升—外伸过程即可。设置分析时长为15 s、分析步数为5000，开展液压钳多体动力学仿真。拉簧参数：刚度200 N/mm、阻尼0.87（N·s）/mm、预拉力500 N。

增加拉簧后，液压钳伸缩液压缸的压力变化曲线如图11所示。对比分析可知，增加拉簧后液压缸的压力极值降低了一个数量级，且极值数量也得到了控制。分析伸缩液压缸的压力变化曲线可知，液压缸启动时是其最危险的工况。据此，可适当增加液压缸的启动时间，以进一步降低液压缸的冲击载荷。由图12 中升降液压缸的压力变化曲线可知，升降液压缸的最危险工况为液压钳处于极限位置时。钳头的位移时程曲线如图13 所示，由计算结果可知，加拉簧后钳头的运动平稳性得到了较大改善。图14为钳头的速度时程曲线，计算结果显示：伸缩液压缸工作时钳头的速度变化趋势平滑，伸缩液压缸到达极限位置停止时钳头的响应特性较好，说明拉簧参数选取较为合理。如需进一步改善液压钳的使用性能，可通过调整启停参数和拉簧参数来实现。

图11 伸缩液压缸压力变化曲线

图12 升降液压缸压力变化曲线

图13 钳头位移时程曲线

图14 钳头速度时程曲线

4 现场应用

实际应用时，考虑钳头的结构特点，为便于拉簧的安装与拆卸，采用在钳头的两侧安装拉簧的方式来控制钳头的运动（图15）。2021 年2 月，该自动液压钳开始在生产作业现场使用，已完成20 口生产井的管柱上卸扣作业，设备运行平稳、安全、高效、可靠。根据现场测试，其功能性、时效性优势显著，主要体现在以下两个方面：①既能满足钻杆螺纹的上扣及大扭矩卸扣，也能满足油管螺纹的快速上卸扣，解决了铁钻工对油管螺纹上卸效率低的问题；②自动液压钳接卸单根管柱平均用时约24 s，铁钻工接卸油管用时约30 s，采用修井液压钳处理管柱相比铁钻工作业效率提高了约20%。

图15 液压钳应用现场

5 结束语

基于油田修井作业需求和装备应用现状，本文提出了一种新型修井自动液压钳，给出了设计方案。通过有限元分析对方案进行了定量研究，结果表明：该型液压钳的高应力区主要分布于立柱总成上，自动液压钳的刚度和强度满足作业要求。应用ADAMS 对液压钳的运动学和动力学特性开展仿真研究，对比分析了加拉簧和不加拉簧时伸缩液缸的工作性能，结果表明：在钳头与安装架之间增加拉簧，可有效降低液压缸所受的冲击载荷和冲击次数。增加拉簧后，钳头的位移和速度曲线变化平缓，满足液压钳工作连续性和平稳性的基本要求，进一步验证了液压钳设计与设备选型的合理性，为产品技术升级奠定基础，也为技术人员开展同类结构设计和设备选型提供依据。