江連會 周斌 譚躍剛 黃安貽 王雄 王龍渤

1.武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院；2.荊州市明德科技有限公司；3.中國石化石油工程機械有限公司研究院；4.渤海鉆探工程有限公司管具技術(shù)服務(wù)分公司

隨著我國多數(shù)油田都已進入了原油開采的中、后期階段，修井作業(yè)也隨之越來越繁重。為降低工人的勞動強度，增加操作安全性，修井作業(yè)自動化研究成為目前研究的熱點［1-3］。起下管柱作業(yè)是修井作業(yè)中最常見的作業(yè)形式，吊卡是起下作業(yè)中最關(guān)鍵的裝置之一。目前修井作業(yè)吊卡的操作主要還是以人工為主，工人勞動強度高、安全性低。自動吊卡可以降低工人的勞動強度，增加操作安全性，成為了國內(nèi)外研究開發(fā)的重點。目前國內(nèi)外自動吊卡主要是液壓翻轉(zhuǎn)式吊卡［4-9］。根據(jù)我國修井作業(yè)裝備情況，為節(jié)省成本，在手動吊卡基礎(chǔ)上，研制了氣壓翻轉(zhuǎn)式自動吊卡。

1 自動吊卡結(jié)構(gòu)和參數(shù)

Structure and parameters of automatic elevator

1.1 結(jié)構(gòu)

Structure

自動吊卡主要由吊卡體、活頁、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、活頁開關(guān)機構(gòu)、上鎖舌開關(guān)機構(gòu)和下鎖舌開關(guān)機構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示?；铐撻_關(guān)機構(gòu)用于推動活頁關(guān)閉和打開，實現(xiàn)油管的卡住和釋放。上鎖舌開關(guān)機構(gòu)和下鎖舌開關(guān)機構(gòu)實現(xiàn)活頁與吊卡的鎖死和解鎖，保證起吊油管的安全性。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)吊卡的翻轉(zhuǎn)，方便吊卡卡住油管。支架用于保護和支撐上述機構(gòu)。

圖1 自動吊卡結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic structure of automatic elevator

1.2 主要設(shè)計參數(shù)

Main design parameters

自動吊卡的重量為77.5 kg，自動吊卡在圖1位置時的長寬高為660 mm×482 mm×1 180 mm，活頁最大旋轉(zhuǎn)角度為100°，吊卡最大翻轉(zhuǎn)角度為75°，額定載荷為4 000 kN，適用油管外徑73.02 mm。

2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

Turnover mechanism

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是自動吊卡最主要的部件之一。當(dāng)自動吊卡處于如圖1所示的垂直位置時，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動簡圖如圖2所示。在圖1位置時，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的長寬高為660 mm×482 mm×950 mm。氣缸收縮時，帶動吊卡體翻轉(zhuǎn)；氣缸伸長時，帶動吊卡體返回，最終到垂直位置。根據(jù)自動吊卡的幾何空間布局，D、C點的位置是確定的，A點豎直方向的位置也是確定的，A點水平方向的位置可在一定范圍內(nèi)變動，優(yōu)化A點水平方向的位置讓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的性能達到最優(yōu)。

圖2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動簡圖Fig. 2 Schematic movement of turnover mechanism

吊卡翻轉(zhuǎn)的目的是順利抓取從貓道等拉排管裝置送上的油管。在不同修井工況下，貓道等拉排管裝置送上油管的傾斜角度（油管與水平面的夾角）范圍一般為5～35°。當(dāng)?shù)蹩ㄝS線與油管軸線平行且吊卡與油管貼合時，關(guān)閉吊卡活頁可以順利實現(xiàn)油管的抓取。由于貓道等拉排管裝置送來的油管傾斜角度不同，抓取油管時，調(diào)整吊卡軸線傾斜角度與油管軸線傾斜角度一致的方法有兩種。（1）通過檢測和控制系統(tǒng)調(diào)整吊卡的翻轉(zhuǎn)角度與油管的傾斜角度一致，這樣做對控制系統(tǒng)的要求高，相應(yīng)的成本比手動吊卡也會增加很多。（2）根據(jù)觀察，井口操作人員在翻轉(zhuǎn)吊卡時，并沒有和貓道等拉排管裝置送上來的油管的傾斜角度完全一致，吊卡在重力的作用下自動和油管吻合，利用這一現(xiàn)象，根據(jù)貓道等拉排管裝置送上的油管傾斜角度的范圍，我們把吊卡的翻轉(zhuǎn)角度定為75°，當(dāng)?shù)蹩ǖ那安亢陀凸芙佑|后，釋放翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，吊卡在重力的作用下，完全和油管吻合，從而可以實現(xiàn)油管的抓取，這樣做既可以實現(xiàn)油管的抓取，控制系統(tǒng)也較簡單，相比手動吊卡成本增加不大。通過比較，選擇第2種方式實現(xiàn)油管的抓取。

3 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)仿真

Kinematics and dynamics simulation of turnover mechanism

利用CAD軟件建立自動吊卡的虛擬設(shè)計模型，如圖1所示，然后把該模型導(dǎo)入到ADMAS軟件中，將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，氣缸的拉力和推力設(shè)置為994 N，分別對A點在水平方向的五個位置對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析。

圖3 氣缸收縮距離與吊卡翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between the shrinkage distance of cylinder and the turnover angle of elevator

圖3為A點在水平方向不同位置時，氣缸收縮距離和吊卡翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線。水平位置1時（如圖中曲線1所示），初始條件下，氣缸最大收縮250 mm，對應(yīng)吊卡的最大翻轉(zhuǎn)角度為60°，達不到最大翻轉(zhuǎn)角度為75°的要求。位置2～5都可以達到吊卡翻轉(zhuǎn)75°的要求。位置2吊卡的最大翻轉(zhuǎn)角度為77°左右，考慮擾動的影響，也予以排除，位置3～5都能夠?qū)崿F(xiàn)吊卡穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)75°的要求。

圖4為吊卡翻轉(zhuǎn)角度、角速度和角加速度曲線圖。從圖中曲線可以看出，位置3（對應(yīng)圖中曲線3）的翻轉(zhuǎn)速度較快，翻轉(zhuǎn)較穩(wěn)定。因此確定位置3（如圖2）為A點的最終水平位置。位置3的最大翻轉(zhuǎn)角度為82.2°，在0.21秒時達到最大翻轉(zhuǎn)角度，氣缸收縮的距離為299.9 mm。

4 實驗

Experiment

依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計制作了自動吊卡裝置。在994N氣缸力的作用下，吊卡最大翻轉(zhuǎn)角度為79.6°，在0.22秒時達到最大翻轉(zhuǎn)角度，最大翻轉(zhuǎn)角度時，氣缸收縮的距離為295.6 mm。吊卡最大翻轉(zhuǎn)角度誤差為3.16%，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果誤差較小，在允許范圍內(nèi)。

在現(xiàn)場環(huán)境進行了實驗：翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)、快速；吊卡門開關(guān)機構(gòu)開閉穩(wěn)定、迅速；可以順利抓取與水平面夾角為0°～50°、直徑為73.02系列的油管；鎖舍啟閉靈活，保證了吊卡的安全。操作人員遠離吊卡遙控操作，保證了操作人員的安全。實驗數(shù)月，運行一直平穩(wěn)。

5 結(jié)論

Conclusions

在手動吊卡的基礎(chǔ)上，加裝自動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了手動吊卡到自動吊卡的升級。應(yīng)用Admas軟件，對自動吊卡的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，制作了自動吊卡裝置，并進行了翻轉(zhuǎn)實驗，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果非常接近。應(yīng)用Admas軟件對設(shè)計模型進行仿真并優(yōu)化，可以減少實驗裝置的制作，節(jié)約成本。

圖4 吊卡翻轉(zhuǎn)運動學(xué)曲線Fig. 4 Kinematics curve of the turnover of elevator

［1］耿玉廣，谷全福，王樹義，曾良軍，孫連會，李寶軍. 修井作業(yè)井口無人操作起下油管裝置［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（6）：116-121.

GENG Yuguang, GU Quanfu, WANG Shuyi, ZENG Liangjun, SUN Lianhui, LI Baojun. A device of pulling and running tubing string for workover with unmanned wellhead operation［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2014, 36（6）: 116-121.

［2］高廣啟. 升降式油管枕的研制與應(yīng)用［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（6）：122-124.GAO Guangqi. Development and application of jack-up tubing stand［J］. Oil Drilling & Production Technology,2014, 36（6）: 122-124.

［3］中國石油天然氣股份有限公司. 起下油管井口無人操作系統(tǒng)的推拉機械手：中國，201120558063. 0 ［P］.2012-08-15.

PetroChina Company Limited. Push-and-pull machine hand for pulling and running tubing string of workover with unmanned wellhead operation: China, 201120558063. 0［P］. 2012-08-15.

［4］高勝，孫冠，常玉連，任福深，陳玉. 動力開合吊卡的平衡分析與研究［J］. 石油機械，2011，39（6）: 29-32.

GAO Sheng, SUN Guan, CHANG Yulian, REN Fushen,CHEN Yu. Balance analysis and research for power elevator［J］ . China Petroleum Machinery, 2011, 39（6）:29-32.

［5］孫冠. 動力吊卡設(shè)計與運動仿真［D］. 大慶：東北石油大學(xué)，2011：4-8.

SUN Guan. Design and motion simulation of power elevator［D］. Daqing: Northeast Petroleum University,2011: 4-8.

［6］魏凱. 新型筒式自動吊卡設(shè)計及理論分析［D］. 大慶：東北石油大學(xué)，2012: 6-9.WEN Kai. New cylinder automatic elevator design and theoretical analysis ［D］. Daqing: Northeast Petroleum University, 2012: 6-9.

［7］何鴻，閆永宏，王德貴，祝賀. 液壓自動吊卡技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］. 石油機械，2012，40（8）：29-34.

HE Hong, YAN Yonghong, WANG Degui, ZHU He.Current situation of the hydraulic automatic elevator thechnology and suggestions on development ［J］. China Petroleum Machinery, 2012, 40（8）: 29-34.

［8］祝賀，欒蘇，楊艷，閻永宏，董毅軍，王德貴. 液壓翻轉(zhuǎn)式吊卡的研制［J］. 石油機械，2014，42（11）：35-37.

ZHU He, LUAN Su, YANG Yan, YAN Yonghong, DONG Yijun, WANG Degui. Development of the hydraulic rotary elevator ［J］. China Petroleum Machinery, 2014, 42（11）:35-37.

［9］山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院. 一種全自動吊卡：中國，201510363529. 4 ［P］. 2015-09-23.

Shandong shengli petroleum equipment industry technology research institute. A kind of automatic elevator: China, 201510363529. 4 ［P］. 2015-09-23.