折叠式油管移送装置设计与分析*

张鹏宇 郭登明 涂学洋 符仁杰 郭建东 梁晨 邓康

(1. 长江大学机械工程学院 2. 南阳二机石油装备集团股份有限公司3. 中国石油新疆油田分公司 4.中国石油长庆油田分公司第十采油厂)

0 引 言

传统的油田修井作业一般需要手动完成一系列修井工作，如切换和搬运吊卡、卸吊环和拉排油管。这些手动工作存在安全隐患，不仅工人劳动强度比较高，而且工作环境也相对恶劣[1-6]。进入21世纪，钻井和修井设备的自动化已经成为石油设备未来发展的必然趋势[7]。

针对修井作业的工艺特点和使用要求，本文研发了一套与直井修井机配合使用、可实现油管从地面到井口自动运输的折叠式油管移送装置。采用该装置无需人工拖拽油管即可实现油管在井口与井场之间的运移[8]。本文首先阐述了油管移送装置的基本结构和工作原理，再对其动力系统建立力学模型和运动方程，进行机构运动分析。该装置的成功研发可为相关领域的使用人员、设计人员及管理者提供参考。

1 技术分析

1.1 结构

图1为折叠式油管移送装置在直井修井机系统中的安装位置。图2为油管移送装置三维结构。

1—承载车体系统；2—桅杆支架；3—电气控制系统；4—油箱；5—油泵及液压阀系统；6—井架主支撑；7—井架副支撑；8—静桅杆系统；9—动桅杆系统；10—小车钢绳；11—游动小车和吊卡；12—井口系统；13—油管移送装置；14—管排架。

1—后活动梁；2—移动滑车；3—侧钩；4—中间主梁；5—侧钩上料液压缸；6—前活动梁；7—举升油缸；8—底架总成；9—液压马达。

折叠式油管移送装置主要由后活动梁、中间主梁、前活动梁、侧钩、侧钩上料液压缸、举升油缸、液压马达、移动滑车以及底架总成等装置组成。主梁包括中间主梁、前活动梁以及后活动梁，各梁内都焊接有导轨，并与底架之间连接有举升液压缸，可提供动力将主梁举升一定的角度进行接送管作业。液压马达通过滚筒控制钢丝绳拉拽移动滑车，与液压卡瓦配合完成管柱的输送。底架两端都焊接有侧钩，侧钩通过上料油缸的举升进行旋转运动，将排管架上的管柱送入移动滑车。为配合现场排管架的高度完成油管运移及摆放工作，装置水平高度设计为850 mm。

1.2 主要技术参数

最大摆动角度：10°±2°；

装置水平高度：850 mm；

装置最大举升高度：1 900 mm；

举升液压缸底座安装中心距底架右侧：820 mm；

适应油管重力：0.9～1.5 kN。

1.3 工作原理

起管作业时，首先翻转折叠式油管移送装置的前活动梁和后活动梁，使其与中间梁位于同一水平线上，使前活动梁对准钻台位置，随后液压马达控制移动滑车移动至前活动梁前端，同时令侧钩稍低于管排架。随后主梁通过举升液压缸由水平位置举升至工作位置，等待液压钳通过冲扣和卸扣等操作，将井口油管与井下油管柱脱扣，吊卡将油管抓起并竖直向下移动送至前活动梁前端滚轮处。通过滚轮滑入移动滑车，此时控制移动滑车的液压马达启动，通过钢丝绳拖拽移动滑车沿导轨向末端移动，吊卡也向下竖直移动。移动滑车到达末端后，将油管置于梁槽内，吊卡松开油管。此时举升液压缸运转，总梁下放至水平位置。此时启动前后梁凹槽内顶管液压缸，使前后顶管导向板(有一定倾斜角度)顶出油管，油管沿倾斜角度方向滚落到管排架上。

下管作业时，首先将移动滑车移动至梁末端，然后侧钩液压缸驱动侧钩从排管架上勾起油管，将油管勾起滚入主梁内，油管的外螺纹端落入移动滑车上[9]。举升液压缸将主梁举起，液压马达启动，通过钢丝绳拉拽移动滑车将油管输送到预定位置。待吊卡抓住油管，吊起油管时，移动滑车由后活动梁向前活动梁移动，同时吊卡向上移动，移动滑车与吊卡以一定的速度关系一起运动，直到油管脱离移动滑车。待油管接近竖直状态，游动吊卡将油管下移对中后由闭口液压钳上扣并拧紧。移动滑车至末端，总梁下放回至水平位置。

2 主要结构设计

2.1 举升液压缸选取

油管移送装置主梁采用Q345号钢，可计算其质量，据其质量查机械设计手册，选取HSG型液压缸直径63 mm，根据送管机水平高度及起升高度要求，设计最大行程530 mm。

2.2 移动滑车设计

移动滑车是折叠式油管移送装置完成接送管工作的重要部件。在起、下油管过程中，为了防止油管螺纹磨损，必须将油管的外螺纹端彻底放在移动滑车上才能继续下管或起管的后续工作。在接送管过程中，若移动滑车导轨发生一定频率的颤动，则移动滑车和油管随时都有掉落的可能[9]。因此，解决此问题对保护油管、降低工人劳动强度及消除安全隐患都具有重大意义[4,9]。为此设计了由液压马达控制钢丝绳拖拽移动滑车的结构。

移动滑车结构如图3所示，主要由车轮、滑车车体、滑车拉手和滑车棘轮等组成。

1—滑车车体；2—车轮；3—滑车拉手；4—滑车棘轮。

接管工作开始之前，先通过液压马达控制移动滑车移动至前活动梁前端，方便接管。在举升油缸举起主梁后，吊卡抓起油管并竖直向下移送至前活动梁前端滚轮处。吊卡将油管外螺纹端送至油管移送装置前端，通过滚轮滑入移动滑车，此时液压马达启动，控制钢丝绳拖拽滑车沿导轨向末端移动，同时吊卡抓住油管向下移动。到达末端后，顶管液压缸将油管顶出完成后续排管工作，此时移动滑车由后活动梁末端回到前活动梁前端。

2.3 侧钩设计

取放管机构三维示意图如图4所示。侧钩机构包括侧钩、侧钩上料液压缸、顶管斜面导向板、顶管液压缸、侧钩连接座和侧钩支撑座等。顶管斜面导向板可取出翻转 180°再次插入，以满足在起管作业时修井现场让油管向另外一侧排管的需求。

1、6—侧钩；2—侧钩上料液压缸；3—顶管斜面导向板；4—顶管液压缸；5—侧钩连接座；7—侧钩支撑座。

下管作业时，侧钩上料液压缸工作，侧钩勾起管排架上的油管并举起滚入导轨中的移动滑车中，后续送管工作由移动滑车完成。起管作业时，油管被完全放置到梁槽内后，顶管液压缸工作，使前、后顶管斜面导向板顶出油管，油管沿导向板倾斜角度方向滚落到管排架上。

2.4 液压管线的选取

液压管线是截面形状为圆形的空心管线，通用外径有6.350、3.175及12.700 mm。修井作业过程中有时会有振动现象导致连接件出现松动，严重的可能会使管路破裂，液压仪器元件损坏，因此液压系统中要特别注意仪表管线的选取及连接方式。主要连接方式有低压仪表管线连接和中高压仪表管线连接。低压仪表管线连接又分仪表管线单卡套连接、仪表管线双卡套连接和圆锥管螺纹连接[10]。

与折叠式油管移送装置配合使用的直井修井机属于低压系统，一般采用卡套连接方式。该种连接方式安装便捷，密封性能好，抗振动性能也较强。根据作业实际情况采用ø12.7 mm的管线。与单卡套连接相比，双卡套连接能够进一步承压，并且密封性能也有很大提高，后卡套结构具有出色的抗振动疲劳性能，故采用双卡套连接。

3 油管移送装置运动分析

3.1 机构运动分析

为了对装置进行运动分析，首先要建立系统力学模型，对整个系统进行简化，且所有运动机构构建在一个平面，因此该系统可以简化为双滑块椭圆规机构，如图5所示。在实际运用中应计算该装置吊卡夹持油管下落速度与滑车在导轨运行速度的关系，即图5中va与vb的关系。以B点为基点建立x-y坐标系，A点为油管在小车上的支点；B点为油管在游动吊卡上的支点；L为油管长度，mm；L1为A、B两点的水平距离，mm；va为游动吊卡的速度，m/s；va′为小车竖直方向速度(va′与va大小相等，方向相同)；vb为小车沿支撑平台方向的速度，m/s；θ为油管与y方向的夹角，rad；ø为小车支撑平台与y方向的夹角，rad；μ为支撑平台与x方向的夹角，rad；λ为vba反方向矢量与x方向的夹角，rad；β为vba反方向矢量与支撑平台夹角，rad；β′为vb与vba夹角，rad；α为vb与y反方向夹角，rad；η为vba反方向矢量与va夹角，rad。

油管移送装置机构运动简图如图5所示。

图5 举升运动系统的力学模型

由余弦定理可知：

(1)

由几何关系可知：

(2)

λ=β

(3)

则有：

(4)

于是有：

λ=π-ø-η

(5)

由上述公式可得 ：

(6)

油管做平面运动，可将小滑车速度vb分解为垂直于油管向上的分量vba和竖直向下的速度分量va′，以B为基点，则滑车A点的速度为：

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，可作出速度平行四边形，如图5所示。

由图5中几何关系可得：

(9)

则有：

β′=β

(10)

在速度合成三角形中由正弦定理可得：

(11)

将式(6)、式(9)和式(10)代入式(11)可得：

(12)

进一步推导可得：

(13)

将式(2)代入式(13)得：

(14)

3.2 移动滑车速度调节

移动滑车在运送油管过程做变速运动，因此提出了采用液压马达控制移动滑车速度的方案。

理论转矩为：

T=Fr

(15)

理论流量为：

(16)

式中：q0为液压马达旋转一圈时排出液体的体积，m3/r；F为移动滑车与油管重力，N；r为滚筒半径，mm。

马达输出轴上输出的机械功率为：

P0=pQη

(17)

(18)

由式(13)和式(14)得：

(19)

式中：n为转速，r/min；η为总效率；p为工作压力，Pa；Q为实际流量，m3/s。

液压马达轴输出的实际转矩为：

(20)

ηv=Q0/Q

(21)

η=ηvηm

(22)

则实际流量为：

(23)

将式(19)、式(21)、式(22)代入(23)可得：

(24)

式中：T0为液压马达轴输出的转矩，N·m；ηv为液压马达容积效率；ηm为液压马达机械效率；Q0为理论流量，m3/s。

当吊卡将油管提起放入移动滑车后，操作液压马达手动换向阀即可调节液压马达的液压油排量，进而调节移动滑车速度[11]，使其与吊卡移动速度相匹配，控制钢丝绳拖拽移动滑车，从而完成接送管工作。

4 现场应用情况

折叠式油管输送装置于2019年研发成功，至今已生产20多套，申请专利达6项。在大港油田、胜利油田、中原油田和江汉油田均有批量应用。现场应用结果表明:折叠式油管输送装置操作便捷，动作平稳可靠，接送管对位精准。配合液压吊卡平均接卸管柱速度为45根/h，最高接卸管柱速度为50根/h，完全满足修井作业起下油管需求。该装置的现场应用情况如图6所示。

图6 折叠式油管输送装置现场应用情况

5 结 论

(1)折叠式油管输送装置采用液压驱动，实现了油管的自动移送，省去了工作人员手动排放油管的工序，满足操作人员控制起下油管的速度需求，大幅提高了油管移运的可靠性，同时提升了修井机起下油管的效率。

(2)现场应用结果表明:折叠式油管输送装置结构简单，安装操作方便，接送管对位准确，减轻了工人的劳动强度，运行安全可靠。