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油田修井作业井场油管遥控移送机的研制
耿玉广1, 谷全福2, 孙连会2, 王铁峰2, 黄树2, 王建宁1     
1. 中国石油华北油田分公司采油工程研究院;
2. 中国石油华北油田分公司第二采油厂
摘要: 针对现有油管移送机不适应于井口无人作业工况,电动、钢制发条驱动小滑车或用传送带(绳、链)拖动小滑车存在的诸多问题,研制出一种新型井场油管遥控移送机。该移送机的小滑车在上部开口的矩形槽滑道内行走,不会翻车,也不会出轨掉落伤人;依靠重力弹性机构自动产生拉力,拉着小滑车回位,无需人工推送。现场应用中,该机接送和传送油管动作连贯,性能稳定,只需1名场地工人按遥控器即可完成油管从管排架至井口之间的来回移送。该油管遥控移送机适用于井口无人或有人操作2种作业工况,大大减轻了工人劳动强度,提高了作业效率和施工安全性。
关键词: 修井作业     油管移送     小滑车     自动回位     重力弹性机构    
Development of Remote Control Tubing Handling Machine for Oil Field Workover
Geng Yuguang1, Gu Quanfu2, Sun Lianhui2, Wang Tiefeng2, Huang Shu2, Wang Jianning1     
1. Petroleum Production Engineering Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company;
2. No.2 Oil Production Plant of PetroChina Huabei Oilfield Company
Abstract: Considering that the current pipe handling machine is not suitable for the unmanned working conditions, and to address the issues of pulley driven by the electric and steel winding or the belt (rope or chain), a novel on-site remote control tubing handling machine has been developed. The small pulley of the machine runs in the rectangular slot with open upper end, which eliminates overturn and derailed falling and wounding. Relying on the tension force by gravity elastic mechanism, the small pulley could be automatically driven back without manual push. In the field application, the machine had performed coherent tubing handling action with stable performance. Only one site workers was needed to conduct remote control to complete the tubing handling from the pipe rack to the wellhead. The remote control tubing handling machine, with unmanned and manual two operating patterns, could greatly reduce the labor intensity and improve the operation efficiency and safety.
Key words: workover operation     tubing handling     small pulley     automatic return     gravity elastic mechanism    

0 引言

在油田开发过程中,修井作业担负着恢复油水井正常生产和实施措施增产挖潜的重任。近年来,随着我国油田生产对安全、健康和环保要求的不断提高,对修井作业工艺、装备安全性、可靠性和减轻劳动强度提出了更高要求。按照修井作业井控管理规定,施工时井口必须安装防喷装置,能够在需要时立即关闭井口,防止井喷事故发生。加之起下油管作业时使用油管卡盘和防污染装置等新型设备,即便是小修作业,井口操作台高度在1.5~2.0 m。下油管时,需把油管的前端抬至油管枕上,并将其前端抽拉至井口附近,以便被吊卡吊起。一般情况下,搬抬油管高度为0.5~1.0 m,抽拉油管距离为1.0~2.5 m。当井口较高时,油管枕的高度也要升高,油管上枕难度加大,工人的劳动强度随之增大。而在起油管时,起出的油管单根需要人工用力推离井口,抬到管排架上。不仅如此,作业现场常常泥泞湿滑,特别是冬季施工地面结冰后,施工中经常发生人员滑倒和人机磕碰夹击事故,存在较大的安全风险。为了降低工人劳动强度,提高施工安全性,近年来我国井场油管移送机研究正朝着机械化和自动化方向发展[1-6]。从现有油管移送机的结构看,油管滑道升降有四杆机构和三杆机构2种形式,滑道推拉分为液缸直驱式[7-12]和链条带动式[13],且以前者居多。从管排架到滑道的上管方式均为上翻式,从滑道到管排架的放管方式(即甩管)有下翻式和上顶式2种。滑道槽口多采用V形开放式结构,也有U形和梯形等形式。上述活动部件均采用液压驱动,有的动力取自专门的液压工作站,有的则依托修井机上的液压源。

分析现有油管移送机的结构性能,存在以下问题:① V形槽口翻转型滑道受其结构限制,难以在滑道上使用小滑车[7-10]。为减少油管外螺纹端与滑道内壁之间的摩擦力,保护油管丝扣,往往在滑道内壁镶嵌高强度胶木板助滑,而且从井中起出的油管单根在人工推入滑道之前,要先给油管外螺纹端戴上护丝,当油管沿着滑道移动到末端滚落到管排架上后,还要人工摘下护丝并传回井口待用。问题是胶木助滑板易被油管外螺纹端刮伤,使助滑效果变差;人工戴、摘、传送护丝增加了工人的工作量,也直接影响到工作效率。② 即便在滑道上使用小滑车[4, 11-12],由于小滑车的车轮小,在我国北方油田冬季施工中因滑道上泥水结冰、油泥蜡砂堆积冻成硬块,很容易使小滑车遇阻遇卡。尤其是V形滑道取放油管时,小滑车及钢丝绳需要随滑道一起至少翻转45°,常常出现钢丝绳松弛缠绕和小滑车摔坏现象,影响正常使用。还有,小滑车在开放式轨道上运动,极易翻车或掉落。③ 不适用于井口无人作业工况。原因是,在井口至少需要有1名工人将快要到达滑道上的油管接箍端用力向外推送,使其离开井口一段距离并放置在滑道上,才能摘下吊卡。如果没有人站在井口操作[4, 6],就无法完成这一重要动作,因而无法摘吊卡。

为了解决上述技术问题,笔者研制出一种新型修井作业井场油管遥控移送机。该移送机实现了1人遥控完成上管、推管、拉管、顶管和甩管等动作,适应井口有人和无人操作2种工况,较好地满足了现场作业需要。

1 设计要求

小修作业起、下油管时,从管排架至井口之间的油管移送和排放总共有十几个动作,需要2~3人配合才能完成。其中,最消耗人力的动作是油管的上搬、下抬和推拉移送。无论井口有人还是无人操作,每一根油管的起下速度都由修井机操作手根据施工情况随时调整和控制。因此,对油管移送机设计提出如下要求:

(1) 完成每个动作都要准确、可靠,移送油管速度可随机变化,以满足修井机操作手控制油管起下速度需要。

(2) 对油管移送中工作量最大和最危险的动作实施远程遥控,取代人工直接操作。在不影响施工速度前提下,尽量减轻工人劳动强度,提高安全操作水平。

(3) 充分考虑井场油管摆放、设备转场搬运以及恶劣天气施工等因素的影响,满足小修作业井场一般比较窄小、搬家频繁和使用安全可靠等实际需要。

2 结构设计

新型井场油管遥控移送机主要由滑道总成、自动回位小滑车、主机架、取放管机构、电控液压装置和手持遥控器等组成,其结构如图 1所示。

图 1 井场油管遥控移送机结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of the remote control tubing handling machine 1—小滑车;2—重力弹性机构;3—滑道;4—滑道支撑导轨;5—1#行程开关;6—2#行程开关;7—滑道液缸;8—顶管机构;9—主机架;10—滑道举升机。

2.1 滑道总成设计

滑道总成主要由滑道、支撑导轨、滑道液缸、举升机以及行程开关等组成[14]。其中,滑道为2根U形槽钢横卧相扣,底部通过连接钢板焊接在一起,构成上部开口的矩形槽。小滑车车轮在U形槽钢内来回运动,上下左右都有约束,不会翻车,也不会出轨掉落伤人。考虑到出厂油管长度一般为8~10 m,以及适应现有车辆运输需要,设计滑道长度为8 m,底部装有滚轮,与支撑导轨之间构成滚动摩擦,以减小液缸推拉滑道的阻力。支撑导轨的形状与滑道相同,其设计长度与滑道长度相等,末端(图 1右端)与主机架通过铰链铰接在一起,前端(图 1左端)与举升机铰接。在支撑导轨与滑道之间装有一只液缸,一端与支撑导轨末端用销轴铰接,另一端在滑道底部用销轴铰连,可将滑道向前最大推送2 m,或将滑道拉回原位。安装在支撑导轨前端的举升机可将滑道前端举起1~3 m,或放回到主机架上。1#和2#电磁行程开关分别向滑道液缸发出启、停信号。

2.2 自动回位小滑车设计

小滑车是油管移送机的关键部件之一。在起、下油管时,为防止油管螺纹磨损,施工操作规程要求必须把油管外螺纹端放在小滑车上才能下放或起吊。但是,如果小滑车不能自动复位,每起、下一根油管,工人都要沿着滑道往返约18 m的距离推送小滑车返回待用位置。譬如起下一趟3 000 m的油管柱,拉送油管工人要沿着滑道来回走10余km的路程,因而增加了工人劳动强度。此外,小滑车车轮在开放式滑道上运动,由于小滑车的车轮置于滑道上面无约束,当滑道发生一定频率的上、下颤动时,小滑车和油管有时会从滑道上掉落,如果拉送油管工人稍不注意,就会有被砸伤的危险。因此,研制防止掉落的自动回位小滑车对于保护油管螺纹、降低工人劳动强度和消除施工安全隐患都具有重要意义。

2.2.1 现有小滑车性能分析

现有自动返回式小滑车技术方案基本上有3种:① 电机直驱式小滑车[15-17]。即由电机直接驱动小滑车运动,主要缺点是电机靠电瓶供电,由于小滑车使用频繁,工作时间长,耗电快,所以需要频繁更换电瓶。也有用电源线供电的,即用大功率电机直接驱动小滑车拉送油管,但问题是起、下油管时油管作用于小滑车上的推、拉力都随着油管倾斜角度的变化而不断变化,使得油管外螺纹端在滑道上的运动为变速运动,难以做到与电动小滑车的匀速运动同步,而且电源线来回折弯磨损快,容易漏电。井口附近是防爆场所,原油、可燃气、泥水、管件、设备及施工人员并存,不论以何种方式供电,只要电器元件防爆或电源线绝缘性能稍有欠缺,就会形成新的安全隐患,因此在井口附近用电要慎之又慎。② 机械发条式小滑车[18-20]。依靠油管外螺纹端在滑道上推着小滑车运动时给机械发条蓄能,然后靠发条储备的机械能驱动小滑车返回原位。虽然这种小滑车无需供电,结构也比较简单,但随着使用频次的增加,钢制发条容易疲劳断裂,直接影响小滑车的使用寿命;或因发条弹性下降,无法驱动小滑车回到原位。③ 传送带(绳、链)拖动式小滑车[21-22]。即在主机架端部安装电机、液压马达或气动马达,驱动传送带(绳、链)拖动小滑车运动,虽然这种小滑车易于换向,但结构复杂,运输、安装、使用和维修均不方便。针对上述问题,笔者研制出一种由重力弹性机构产生拉力的自动回位小滑车[14](见图 2)。

图 2 自动回位小滑车结构示意图 Fig.2 Structural schematic diagram of the automatic return pulley 1—导向轮;2—滑道;3—钢丝绳;4—夹持油管机械手;5—小滑车车体;6—连接挂钩;7—定滑轮;8—箱体;9—动滑轮;10—支撑轮;11—配重块。

2.2.2 重力弹性机构设计

图 2所示,悬挂于滑道前端的重力弹性机构主要由导向轮、钢丝绳、箱体、定滑轮、动滑轮、支撑轮和配重块等组成。导向轮位于滑道最前端,用于支撑牵拉小滑车的钢丝绳。箱体内有1只定滑轮和1只动滑轮,通过环绕的几组钢丝绳组成一个滑轮组,2只滑轮之间的距离约为1 m。定滑轮安装在重力弹性机构箱体的右端内壁,与承拉小滑车的钢丝绳一端连接在一起。钢丝绳的另一端经数次缠绕滑轮组后,穿过导向轮与小滑车连接。箱体内的动滑轮,与承拉配重块的钢丝绳连接。可见,在配重块和小滑车之间,通过2根钢丝绳相互带动。工作时,随着滑道前端的升起,动滑轮受到配重块的牵拉后,在箱体内悬空,逐渐靠近定滑轮。与此同时,牵拉小滑车的钢丝绳上产生拉力,拉着小滑车从滑道末端向前端行进,从而实现小滑车自动回位。因此,重力弹性机构相当于一个机械放大器,即动滑轮在箱体内向着定滑轮移动1 m,钢丝绳拉着小滑车的移动距离可达8~10 m。这种自动回位小滑车依靠滑道前端升起时的势能转化为小滑车的拉力,无需电力供应,使用安全、可靠、方便。

2.2.3 油管在滑道上移动时的受力分析

油管在滑道上的受力分析如图 3所示。油管单根从井中起出后,机械手[4, 6]或人工将油管外螺纹端推到滑道前端的小滑车上,游动系统下放油管中,油管单根自重W产生一个指向滑道末端的分力F1,推着小滑车向滑道末端移动。但是,随着油管的下落,F1逐渐减小,当F1与重达20 kN的游车大钩产生的反向拉力F2平衡时,即F1=F2,此时倾斜的油管将停止移动,但此时油管仍悬吊在井口上方,无法摘下吊卡。如果继续下放油管,油管的接箍端就会与井口悬持的油管柱顶端或其他设备相碰撞,且直接妨碍摘吊卡。当井口有人操作时,工人可以用力推送油管接箍端离开井口一段距离,同时继续下放油管,直到使油管本体放置于滑道上,便可摘下吊卡。但是,当井口无人操作时,就必须考虑油管在滑道上移动时如何为后面的摘挂吊卡创造条件的问题。

图 3 油管在滑道上的受力分析 Fig.3 Force analysis of tubing on the slide

2.2.4 小滑车结构设计

位于滑道上的小滑车由车体、车轮、夹持油管机械手和连接挂钩等组成[14]。其中,夹持油管机械手为钳形结构,保证夹住油管外螺纹端不滑脱,并适应起、下油管单根在滑道上移动时倾斜角度不断变化的需要。图 4所示连接挂钩位于小滑车的底部,中间偏左与底部铰接,利用杠杆原理,当油管外螺纹端放至小滑车上时,正好压在连接挂钩的左端,在油管自重W作用下,迫使连接挂钩的右端向上翘起。当连接挂钩到达滑道末端时,自动插入滑道端部的孔内,且勾住滑道末端,使油管、小滑车与滑道连接在一起。同时,小滑车触发滑道末端的1#电磁行程开关,立即给滑道下面的液缸发出启动指令,液缸回缩,将油管接箍端拉离井口。当滑道末端到达2#电磁行程开关(位置可根据需要调整)时自动停止,这时油管接箍端离开井口中心50~80 cm。与此同时,游车大钩继续下放,当油管本体放置于滑道上后,便可摘下吊卡。然后,滑道回位,平放在主机架上,顶管机构将油管顶出滑道,自动滚落到管排架上。此时连接挂钩因失去油管外螺纹端的重压而自动下落,暂时由支撑导轨末端的楔形顶块托住,以保持小滑车不脱钩,使牵拉小滑车的钢丝绳处于绷紧状态,以防止钢丝绳松弛后乱缠或在滑轮组上跳槽。当滑道前端被举升机举起并向前端推送时,小滑车连接挂钩在离开楔形顶块后自由落下,小滑车与滑道末端立即脱开,在钢丝绳的牵拉下,小滑车沿着倾斜的滑道迎坡而上,自动回到滑道前端待命。这样就解决了起油管过程中当油管到达受力平衡点时滑道自动向末端移动一段距离,且小滑车连接挂钩与滑道末端自动完成挂、摘问题,无需人工干预。相比起油管过程,下油管时小滑车无需重力弹性机构力的牵拉,依靠倾斜的滑道即可自动从滑道前端回到末端待命。

图 4 小滑车自动挂摘机构原理图 Fig.4 Schematic diagram of the automatic loading and unloading mechanism of the small pulley 1—夹持油管机械手;2—小滑车车体;3—连接挂钩;4—滑道末端;5—楔形顶块。

2.3 主机架设计

主机架为矩形框架结构[14],承载着滑道总成、取放管机构、小滑车和1根油管的重力,要求骨架结实,稳定性好。在主机架两侧对称装有取放管机构的支撑板,支撑板上焊接着铰链支座,用于悬挂取管臂、取管导向板和放管坡道等,而且可以左右侧对调,以适应井场管排架在主机架任何一侧的摆放需要。现场管排架高度一般为300 mm左右,为使取管臂顺利勾住油管、举起并使其滚入滑道,将主机架高度设计为410 mm。考虑到取管、顶管和放管稳定性的需要,主机架宽度设计为440 mm。主机架末端与滑道总成用2级铰链连接,以满足前端举升机垂直举升滑道的需要。

2.4 取放管机构设计

图 5所示,取放管机构包括取管臂、取管液缸、取管导向板、顶管液缸、连杆、曲柄和顶管活塞等[14]。下油管时,取管液缸驱动取管臂将管排架上的1根油管勾住、举起、滚入滑道后,由滑道液缸将其接箍端推送到井口工作台上方扣吊卡的位置。起油管时,滑道上的油管被顶管活塞顶出后,沿着主机架靠近管排架一侧的放管坡道自动滚落到管排架上。为防止2只顶管活塞工作时不同步,导致油管顶出时在滑道上方转动,影响平稳滚落,设计了一种单液缸驱动2只顶管活塞的联动顶管机构。此外,在顶管活塞上端有斜面导向板,保证顶出的油管滚落在主机架一旁的管排架上。如果需要顶出的油管向主机架另一侧滚落,只需将顶管活塞上端的斜面导向板拔出,调转180°后插入,并将取放管部件调换左、右侧位置即可。

图 5 取放管机构示意图 Fig.5 Schematic diagram of tubing handling mechanism 1—放管坡道(使用时与取管臂同侧);2—支撑板;3—主机架;4—取管液缸;5—取管臂;6—取管导向板。

2.5 电控液压装置设计

上述滑道推拉液缸、举升机液缸、取管液缸和顶管液缸的动力均来自于电控液压装置。该装置由液压工作站、电控箱、液压管线和遥控器等组成。液压站和电控箱安装在修井机尾部,液压管线两端带有快速接头,电源线为插接式,便于油管移送机与修井机之间的现场快速拆接。液压工作站的动力来自修井机的液压源,由双联泵为该机输入7 MPa液压动力,电源来自修井机的24 V直流发电机,遥控器与电控液压装置之间为无线连接。

油管移送机的全部操作通过一部手持遥控器遥控完成。只需1人按照顺序按下遥控器按键,即可完成取管、上管、推拉、顶管和放管等一系列动作,轻松完成从井口到管排架(或反之)的油管移送任务。

2.6 主要技术指标

额定起升载荷:3 kN;

液压额定压力:7.0 MPa;

举升打开时间:15 s;

全部收回时间:20 s;

滑道最大伸缩行程:2.0 m;

工作位最大高度:3.0 m;

整机质量:1 500 kg;

最大遥控距离:50 m;

防爆等级:IP55;

整机收拢状态(长×宽×高):8.0 m×1.0 m×0.8 m。

3 工作流程 3.1 把油管从井口移送至管排架上

轻按遥控器相应按键,举升机举起滑道前端,在配重块的拉动作用下,从重力弹性机构输出的钢丝绳拉着小滑车沿着倾斜的滑道迎坡而上,从滑道末端拉到前端,等待卸扣油管单根坐入小滑车。当机械手或人工将油管外螺纹端推入小滑车后,油管在下放中推着小滑车沿着滑道向末端移动,小滑车上的夹持油管机械手在油管自重作用下逐渐夹紧油管。当小滑车上的连接挂钩到达滑道末端时,与滑道自动挂接在一起,使油管、小滑车和滑道连接起来。与此同时,小滑车触发滑道末端的1#行程开关,立即向滑道液缸发出启动指令,液压缸回缩,拉着油管向末端移动。当油管接箍端离开井口中心50~80 cm时,滑道末端触发2#行程开关,立即停止移动。待油管本体放置于滑道上后,修井机操作手遥控机械手[4, 6]或井口人工打开吊卡闭锁环,放开油管。此时再按遥控器,使滑道继续下落并回位,油管离开吊卡。当滑道总成坐落在主机架上后,启动顶管液缸,顶管活塞将油管顶出滑道,沿着放管坡道自动滚落到管排架上。重复上述动作,即可把从井内起出的一根根油管从井口移送到管排架上。

3.2 把油管从管排架上移送至井口

先摘下牵拉小滑车的钢丝绳并挂在滑道前端的专用挂钩上,以防乱缠,并将小滑车置于滑道末端。此时场地工人按遥控器,取管液缸驱动取管臂从管排架上勾住1根油管,举起后滚入滑道内,油管外螺纹端坐入小滑车上,接箍端搭在滑道的前端。再按遥控器,举升机将滑道前端举起,滑道液缸将油管推向井口方向。当滑道末端触发2#行程开关时自动停止,此时油管接箍端正好到达井口工作台上方扣吊卡的位置,即距离井口中心50~80 cm。当修井机操作手远程控制或人工操作吊卡抓住油管、关闭吊卡闭锁环、吊起油管接箍端后,坐在小滑车上的油管外螺纹端沿着滑道向前端移动。当油管接近垂直状态离开小滑车时,小滑车沿着倾斜的滑道自由回到末端,等待下一根油管滚入。依此类推,即可把管排架上一根根油管的接箍端输送到井口工作台上方扣吊卡的位置。

4 应用效果

井场油管遥控移送机研制成功后,已在华北油田40多口油井检泵和注水井检管等小修作业中累计移送油管3.5万余根。应用情况表明:该移送机接送和传递油管动作连贯,性能稳定,只需1人轻按遥控器按键即可完成油管移送任务,不但摆脱了繁重的人力劳动,而且运行安全可靠,深受现场工人欢迎。

5 结论

(1) 井场油管遥控移送机系根据我国小修作业现场实际条件自主创新研发的新型作业设备,其结构新颖,性能稳定,易于操作,整机吊运,使用可靠,适用于井口无人或有人操作2种工况。

(2) 该机只需1名工人按遥控器即可完成井口与管排架之间的油管移送工作,无需人工搬抬油管、推送小滑车和摘、戴、传送护丝等操作,大大减轻了工人的劳动强度。

(3) 小滑车在矩形滑道内运动,不会翻车,也不会出轨掉落伤人,提高了施工安全性,具有良好的推广应用前景。

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文章信息

耿玉广, 谷全福, 孙连会, 王铁峰, 黄树, 王建宁
Geng Yuguang, Gu Quanfu, Sun Lianhui, Wang Tiefeng, Huang Shu, Wang Jianning
油田修井作业井场油管遥控移送机的研制
Development of Remote Control Tubing Handling Machine for Oil Field Workover
石油机械, 2017, 45(6): 81-86
China Petroleum Machinery, 2017, 45(6): 81-86.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.06.017

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收稿日期: 2016-12-11

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