井口起下油管作业自动化装置试验与液压控制系统仿真.pdf

2 0 l 3年 第 5 期 第 4 2卷 第 8页 石 油 矿 0I L FI ELD 场 机械 EQUI P MENT 2 0 1 3 ， 4 2 5 8 ～ 1 1 文 章 编 号 l 0 0l 一 3 4 82 2 01 3 05 0 0 08 0 4 井 口起下油管作业 自动化装置试验与 液压控制 系统仿 真 杨 月明 ， 常玉连 ， 高 胜 ， 庞伶伶 ， 王 晶 ， 王 伟 东北石油大学 ， 黑龙 江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘 要 井 口起 下 油管作 业 自动 化装 置全部 采用 液压控 制 ， 能 实现 其在 修 井 中的 作业 工 艺流 程 ， 解 决 了井 口 自动 化程度 低 、 工人 劳动强度 大 的 问题 。利 用 AME S i m 软 件 ， 对扶 正机 械 手进 行 了仿 真 分 析。厂内试验和油田现场应用情况表 明 该装置性能稳定， 操作方便 ， 具有广阔的应用前景。 关键 词 起 下 油管 自动化 装置 ； 液压控 制 ； 仿 真 分析 中 图分类 号 T E 9 3 1 ． 2 文献标 识码 A Te s t a n d Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m S i mu l a t i o n o f Ru n n i n g a n d Pu l l i ng Oi l Tu b e Au t o ma t i o n De v i c e i n W o r k o v e r Op e r a t i o n s YANG Yue mi n g， CH ANG Yu l i a n， GA O S he n g， PANG L i n g l i n g。 W ANG J i n g， W ANG W e i N o r t he as t Pe t r o l e u m Uni v e r s i t y， Daq i ng 1 63 31 8， Chi n a Ab s t r a c t Ru nn i ng a nd pu l l i ng o i l t u be a u t o m a t i o n de vi c e i n wo r ko v e r o pe r a t i o n s a r e p r i ma r i l y c o mpo s e d o f t he me c ha ni c a l h a n d of r i g ht i n g， mob i l e o pe r a t i o ns wo r k a nd o pe r a t i o ns wo r k ba s e ． Th e d e v i c e wh a t i s u s e d i n a l l h y d r a u l i c c o n t r o l t o a c h i e v e i t s j o b i n t h e wo r k o v e r p r o c e s s ． I t s o l v e s t he pr o bl e m of t he l o w o f we l l h e a d a u t o ma t i on de gr e e a n d t he h i gh e r o f l a bo r i nt e ns i t y， a n d s i mul a t i o n a n a l y s i s wa s m a de f o r ha nd o f r i gh t i n g us i n g AM ESi m s o f t wa r e ． Thi s e q u i p m e nt h a s p a s s e d t he p r a c t i c e t e s t i n g i n oi l f i e l d ．I t ha s e x c e l l e nt e f f e c t a n d s t a bl e p e r f or ma n c e， a n d h a s t he wi de a ppl i c a t i o n pr o s pe c t i n o i l f i e l d． Ke y wo r d s r u nn i n g a nd pul l i n g o i l t ub e a ut oma t i o n de vi c e； h yd r a u l i c c on t r o l ； s i mul a t i o n a n a l y s i s 在油 田生产作业过程 中， 修井作业是一项十分 重 要 的环 节 。随着 我 国油 田开 采 年 限 的增 长 ， 大部 分 油 田已进入 开采 的 中后 期 ， 采油 的难度 较 以前更 难 ， 油 田修井作 业也 越来越 频繁 ] 。 目前 ， 国内绝 大 部分油 田的修井作业仍采用传统的方式 ， 通过修井 机、 通井机和人工一起下油管 ， 并配合其他特种车辆 来达到修井施工的目的。石油修井中的主要工序是 油管的起下作业和上卸扣操作 ， 起下油管作业操作 过程 简单 、 单 调 、 频 繁 ， 且 易发生 油管崩 扣 、 高空落 物 等事 故 ； 上卸 扣操 作通 常 主 要是 由现 场作 业 工 人 靠 人力 推动重 达几百 公 斤 的液 压 大钳 液 压大 钳 通 常 采用 吊装 的安装方 式 进 行上卸 扣作业 ， 同时还要 频 繁地 倒换 吊卡 ， 因此劳 动强度 十分大 。此外 ， 野外 修 井作业环境恶劣 ， 尤其在冬天井场作业时容易 出现 打滑 、 操作不灵活等问题l 2 J 。基于此种现状 ， 为了更 好地实现修井作业的机械化 、 自动化与无人化操作 ， 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 2 基金项 目 黑龙江省科技攻关项 目 “ 新型修井作业机械化系统关键 技术研究”G C 0 9 A5 2 5 作者简介 杨 月明 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山西晋 中人 ， 硕士 ， 主要从事石油机械设 备设计及油 田生产系统优化运行研 究 ， E ma i l my y e n t e r s i n a ． c o m。 第 4 2卷第 5期 杨月 明， 等 井 口起下油管作业 自动化装 置试验 与液压 控制 系统仿 真 以及减轻工人的劳动强度 和数量的 目的， 东北石油 大学机械设计仿真实验室成功开发了井 口起下油管 作 业 自动 化 装 置 以 下 简 称 “ 起 下 油 管 自 动 化 装 置” 。该装置是能够实现井 口管柱的扶正、 起 、 卸的 一 整套 井 口机 械化 系统 ， 并 实 现 了远 程 控 制 。该 方 案实施后 ， 可以改变现有修井作业工艺 ， 从而使修井 井 口作业达到较高 的机械化与 自动化水平 ， 使工人 远 离 井 口 ， 通 过 遥 控 方 式 实 现 管 柱 的 上 卸 扣 等 操作 。 l 工作原理及作业工艺流程 1 ． 1工作 原理 起 下 油 管 自动 化 装 置 的结 构 如 图 1所 示 ， 主 要 由扶 正机 械手 、 移 动作 业 工 、 动力 卡 瓦 、 缓 冲定 位 装 置 、 井 口定 位装 置 和液压 系统 等组 成 。 1 一扶正机械手 ； 2 一液压 主钳 ； 3 一液压背钳 ； 4 一 移动作业工具 ； 5 一作业工具底座 ； 6 动力卡瓦 图 1 起下油管 自动化装置 该装置通过液压缸驱动移动作业工具实现液压 钳 的往 复运 动 ， 代替 工人 将液 压钳退 出或移到 井 口。 通 过液压 钳实 现 自动 换 挡 和 自动 对 缺 口功能 ， 利用 远程控制实现液压钳的高、 低速换挡。在上卸扣完 毕 时控制 对 缺 口液 压 回路 ， 实 现 主钳 自动对齐 缺 口， 以便管 柱顺 利从钳 口中移 出和下一 次上 卸扣顺 利进 行 。在 上卸 扣操作 中 ， 利用扶 正机 械手将 管柱 扶正 ， 保 证扶 正 的管柱 中心 与井 口中管 柱 中心对 中 。采用 动 力卡 瓦 ， 通 过远 程 控 制 实现 夹 紧 和 松开 管 柱 的 功 能 。扶 正机 械手 固定 到 移 动作 业 工 具 上 盖上 ， 移动 作 业工具 在 其底座 上往 复运 动 。作 业工 具底 座在竖 直方向可调 ， 用以在竖直方向上定位作业工具 。作 业 工具底 座 内部 安装 有 动 力 卡 瓦 ， 卡 瓦与 井 口法 兰 相 连 。该装 置通 过动力 卡 瓦确定 作业 工具底 座 的安 装 位置 。通 过底 座确 定 作 业 工具 的位 置 ， 进 而 确 定 液 压钳 的位 置 ， 工 作 时通过缓 冲定 位挡 块保证 井 口、 卡瓦 、 液压 钳 、 扶 正机 械 手 4者 中 心对 中 ， 从 而 完 成 管柱的夹持 、 扶正、 旋扣的功能。 1 ． 2主要 技术参 数 外 形尺 寸 1 ． 5 O m1 ． 3 4 m2 ． O 0 m 质 量 2 l O 。 k g 适 应管 柱直 径 O 0 ． 0 6 0 0 ． 0 8 9 m 液压钳 最大旋 扣转 矩 3 0 k N m 高挡转 速 9 0 r ／ rai n 低 挡转 速 3 0 r ／ rai n 最高 系统压 力 1 0 MP a 动力 卡瓦承 载能 力 6 x 1 0 k N 1 ． 3作业 工艺 流程 起 下油 管 自动 化 装 置 的 主 要 工 艺 流 程 如 图 2 所示 。 l 吊环摆出l ． 液压钳旋扣H 液压钳夹紧管柱H 扶正机械手闭合H移动作业工具前进H 吊环吊卡上行 液压钳换挡 H 液压钳紧扣 H 液压钳松开 H液压钳对缺口 H 扶正机械手张开 吊 卡张开 H 吊卡 锁解销 动力卡瓦夹紧 I - 4 吊环吊 卡下行H动力卡 瓦松开卜 动作业工 具后 图 2 作 业工艺流程 石 油 矿场 机 械 2 O l 3年 5月 2 液 压 系 统 宝 根据起下油管 自动化装置的功能要求 ， 同时考 起下油管 自动化装置配有液压控制台， 以实现远程 虑 到开式 系统 具有 结 构 简 单 、 价格 低 廉 、 便 于维 护 、 控 制 ， 液压 系统 原理 如 图 3所示 。 油 液可 在油箱 中很 好 地 冷却 和 沉 淀 杂质 、 散 热 良好 图 3 起下油管 自动化装置的液压系统原理 3 液压控制 系统 AME S i m 建模 与仿真分析 起下油管 自动化装置的整体液压控制系统建模 工 作量 较大 ， 限于篇 幅 ， 本 文仅 以扶正 机械手 液压控 制为例进行建模和仿真分析。扶正机械手代替井 口 操 作工 人进行 抓取 和扶 正管 柱 的动作 ， 实现 井 口在 无 人条 件下将 管柱 自动 扶正 到预 定位 置 ， 是 起 下 油 管 自动 化装 置的关 键部件 。本 文在充 分理解 扶正机 械手液 压控 制 回路 的基础 上 ， 利用 AME S i m 软件 建 立 了液 压 系统仿 真模型 ， 对 比分 析 了液压 系统性 能 ， 确认 了系 统的可 行性 。 在 AME S i m 环 境 下 ， 在 草 图 模 式 S k e t c h Mo d e 中 ， 从 Hy d r a u l i c 模 块 库 、 P l a n a r me c h a n i c a l 模 块 库 和 Me c h a n i c a l 模 块 库 中分 别 添 加 各 自模 型 ] ， 形 成 扶 正 机 械 手 的 AME S i m 模 型 ， 如 图 4 所 示 。 进 入 AME S i m 中 的 参 数 设 置 模 式 P a r a me t e r ， 对 系统 主要元 件 的初 始参 数 设 定如 下 泵 排量 2 ． 5 1 0 ～ m。 ／ s ； 泵 转 速 l 0 0 0 r ／ rai n ； 溢 流 阀压 力 1 0 MP a ； 活塞 直径 0 ． 0 5 m； 活塞 杆 直 径 0 ． 0 2 8 m； 活 塞行程 0 ． 6 5 m。设 定 好各 个元 件 的参 数后 进人 AME S i m中的 R u n模式就可以对液压系统进行仿 真与分析。仿真结果如图 5 ～8所示 。 图 4 扶正机械手 的 AME S i m模型 1 ． 5 1 ． 0 皿 吲O ． 5 地 O ． O -0． 5 一 1 ． 0 时间￡ ， s 图 5 三位 四通换向阀控制信号曲线 第 4 2卷 第 5期 杨月 明， 等 井 口起下 油管作业 自动化装置试验与液压控制系统仿真 0 时间￡ ／ s 图 6 泵输 出压力 时间￡ ／ s 图 7 左 右 侧液压缸活塞杆速度 图 8 两扶 正 机械 手爪 转 动 角 度 图 5 为三位 四通换向阀的输入信号控制曲线 ， 来 模 拟实现 扶 正机械 手 的张 开 和 闭合 运 动 。 由图 6 可 知 ， 泵输 出压 力变 化 为 0 ～1 0 MP a 。图 7可知 在 开始 阶段 O ～0 ． 1 2 s内 ， 左 右 侧 液 压 缸 活 塞 杆 速 度 曲线变化 较 大 ， 液压 系统 存 在 不 稳 定 性 ； 在 0 ． 1 2 ～ 0 ． 5 1 s 、 1 ． 3 ～ l _ 6 s 、 1 2 ． 7 ～ 1 3 ． 3 s内 ， 手爪 在运 动 过 程 中 由于 具有 变 化 的加 速 度 ， 加 上 2个 运 动 件 在 相 互接 触 时存在 碰 撞 ， 所 以在 一定 时 间 内速 度 曲 线 出现振动 ， 在扶正机械手爪完全张开或完全闭合时 速 度 变化逐 渐 趋 近 于 0 。 由 图 8可 知 ， 两 扶 正 机 械 手 爪转 动较 为平 稳 。 4厂 内试验与油 田现场应用 起 下 油 管 自动 化 装 置 在 出厂 前 进 行 了 厂 内 试 验 ， 包 括 1 下 放 管 柱 ， 验证 动 力 卡 瓦 能 否 夹 紧 、 松 开 管 柱 。 2 扶 正机 械 手 能 否 实现 张 开 和 闭 合 动作 ， 能 否起到扶正管柱的作用。 3 液 压钳 能否 正 常实现 夹 紧管柱 、 旋扣 、 自动 换 挡 、 紧扣 、 自动 对缺 口、 松 开管 柱 的操 作 。 4 移 动作 业工 能否顺 利 达到预 定 的工作 位置 和后退 到 闲置位 置等 。 通过 厂 内试 验 ， 各 项 试 验数 据 显示 装 置运 行 均 达到 上述 的设计 要求 ， 厂 内试验 如 图 9所示 。 图 9 J 内试 验 井 口起 下 油管作 业 自动化 装置样 机 在大庆 油 田 采油 六厂进 行 了 现场 应 用 。应 用 结 果表 明 该 装 置 总体 方案 可行 ， 能顺 利实 现扶 正 、 换挡 、 对 缺 口、 悬持 管柱等功 能 ， 其机械 、 液压 系统 均达 到 了设计 要求 ； 可 以实现井 口无人化作业， 机械化程度较高 ； 可以满足 安全修井作业的基本要求 。由于其控制方便 、 性能可 靠 、 功能 多样及操作简单 等优点 ， 得到用户 的认 可 。 5 结论 1 油管起 下 自动 化装 置 具 有 结 构合 理 、 功 能 齐全 、 操作方便等特点。应用后可 以实现修井作业 井 口操作的机械化与 自动化； 可以改变现有修井作 业工艺 ， 从而使修井井 口作业达到较高 的机械化与 自动化水 平 ， 使工人 远 离井 口， 通过 遥控 方式实 现管 柱的上卸扣等操作。该产品减轻 了工人劳动强度 ， 可 提高修 井 安全性 ， 应 用前景 广 阔 。 2 运 用 AME S i m 软 件 对 扶 正 机 械 手 的 液压 系统进行 了建模与仿真 。通过仿真曲线直观地描述 液压系统的振动与冲击 ， 对后续改进液压系统 的设 计、 提高工程机械的性能与可靠性具有指导意义。 3 厂 内试验 和油 田现场应 用情况表 明 ， 该装 置 的液压系统具有较好的平稳性， 满足实际工况要求。 参考文献 [ 1 ] 常玉连 ， 肖易平 ， 高胜 ， 等． 修井井 口机械 自动 化装置 的研 究进展[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 6 2 6 7 ． E 2 ] 张跃 林 ， 章启 成． 石油 修井 作业 事故 类别及 预 防对 策 [ J ] ． 工业 安全 与防尘 ， 1 9 9 6 2 3 4 3 5 ． [ 3 ] 彭金 申． 井小修作业 设备 的技术 现状与发 展 E J 7 ． 石 油 机械 ， 1 9 9 9， 2 7 3 5 3 5 4 ． [ 4 ] 孙 明光 ， 彭军生． 国内外石油钻井装备 的发展现状 E J 3 ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 6 8 6 9 1 ． E 5 3 付永领 ， 祁晓野． L a b AME S i m 系统建模 和仿真参考 手 册 [ K ] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 1 l _ 5 0 5 0 B d W， 出 2 一