基于Adams的油田小修作业上下管杆装置动力学分析_杨德芹.pdf

基金项目：东营市科学发展基金资助项目（编号：DJ2020010）；山东石油化工学院大学生创新创业训练计划项目（编号：2021043）收稿日期：20220525基于Adams的油田小修作业上下管杆装置动力学分析*杨德芹1，周扬理1，石福兴1，孙清龙1，王菲1，魏慧娟2（1.山东石油化工学院 机械与控制工程学院，山东东营257061；2.东营市海科瑞林化工有限公司，山东东营257000）摘要：目前，油田小修作业需人工将抽油杆、油管（以下简称“管杆”）转至动力猫道上，作业频繁重复，工人劳动强度大，安全性能低。为解决此问题，设计了一种翻转式上下管杆装置，由翻转模块、夹紧模块、支撑模块、高度调节模块组成，通过摆动缸将管杆由排管架翻转至猫道上，实现对管杆的精确控制，避免了管杆因重力因素对猫道的冲击。使用Solid Works软件建立油田小修作业上下管杆装置整体的三维模型，对各模块进行了详细的结构设计，并且对摆动缸作业过程中所需力矩进行了详细的计算，使用Adams软件建立动力学仿真分析模型，对管杆的不同夹持布点和夹取方式进行了分析，并验证了液压驱动元件的选型合理性，为装置的设计提供了理论支撑。关键词：Adams；小修作业；管杆；翻转中图分类号：TE9文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02008204Dynamic Analysis of Upper and Lower Tubing and Sucker Rod Devices inAdams-based Oil Field Minor Repair OperationsYang Deqin1，Zhou Yangli1，Shi Fuxing1，Sun Qinglong1，Wang Fei1，Wei Huijuan2（1.School of Mechanical and Control Engineering,Shandong Institute of Petrochemical Technology,Dongying,Shandong 257061,China;2.Dongying Haike Ruilin Chemical Industry Limited Company,Dongying,Shandong 257000,China）Abstract:In the present oilfield minor repair operation,manual transfer of pumping rods and tubing(hereinafter referred to as pipe rod)tothe power catwalk is necessary,which is frequently repeated,leading in high labor intensity and low safety performance.To solve the problem,a tilting tube rod device was designed,which could be adjusted up and down by turning modules,clamping modules,supporting modules,andheight adjustment modules,it could be flipped to the catwalk by swinging cylinder tube rod by the pipe rack,and achieved precise control ofthe pipe pole,avoided the tube pole colliding with catwalks due to gravity factors.The entire structural design of each module,as well as theneeded torque during the operation of the swinging cylinder,were calculated in detail using Solid Works software to create a 3D model of theupper and lower pipe rod device for minor repair operations in oil fields machine.To provide theoretical support for the devices design,akinetic analysis model was built using Adams software,and numerous clamping cloth points and pipe rod clamping techniques were evaluatedand the rationality of selection of hydraulic drive components was verified using Adams software.Key words:Adams;minor overhaul;pipe rod;rollover2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.019杨德芹，周扬理，石福兴，等.基于Adams的油田小修作业上下管杆装置动力学分析 J.机电工程技术，2023，52（02）：82-85.0引言随着工业化进程的飞速发展，石油资源占据了现有市场上至关重要的位置，为了保证石油开采的安全性，针对油田修井作业中机械设备自动化程度的要求也是越来越高1-2。油田小修作业时，管杆的起下作业是最频繁的工作，其危险程度也很大3，需要人工将抽油杆、油管转移至动力猫道上，劳动强度大，作业效率低4-5，作业人员以及作业设备的安全性得不到有效的保障。目前，修井作业设备的自动化程度相对较高，如高胜等6研制了一种修井作业管柱机械化移运装置，此装置通过多种控制方式实现管柱自动移运和排放，并根据现场试验证明了该装置工作稳定可靠，降低了劳动强度，提高了工作效率及安全性。张浩男等7设计了一种滑道摆杆式修井管柱移运装置，结构简单、适应性强，可以替代人工完成修井管柱的自动移运。苏秋涵等8研发了一种撬装式机械化排管装置。耿玉广等9研制了一种小修作业远程控制起下管柱装置，之后，又研制出了一种新型井场油管遥控移送机10，该移送机依靠重力弹性机构自动产生拉力，在现场应用中，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，大大减轻了工人劳动强度，提高了作业效率和施工安全性。但是彻底脱离人工进行起下作业的上下管杆过程还没有得到实现。即使已经出现的从排管架上将管杆放置在猫道上的自动化设备11-12，但是，会存在管杆滚落位置不固定，具有较大冲击载荷等问题，并且与猫道分离运输，下次使用时存在装配不确定性。82为解决油田修井管杆起下作业时存在的工人劳动强度高、操作过程不连续、产生较大冲击影响、存在安全隐患等一系列问题，本文设计了一种精确控制、无冲击的油田小修作业上下管杆装置。此装置采用合理的夹持布点安装方案，以及从排管架上夹取式的取管方式来消除因管杆重力引起的冲击载荷，保障设备与作业人员的安全和人力资源的充分合理利用。1工作原理油田小修作业上下管杆装置的整机结构由翻转模块、夹紧模块、支撑模块、高度调节模块组成，如图1所示。油田小修作业开始之前，将上下管杆装置固定于立式猫道13与排管架中间，使各机构处于初始位置。翻转模块中的摆动缸开始工作，带动翻转臂旋转至夹紧爪与排管管架上的油管或抽油杆相接触，翻转臂继续旋转。同时，夹紧模块中的油缸进行工作，通过活塞杆拉动活动夹紧爪沿翻转臂向上与固定夹紧爪共同夹紧油管或抽油杆。翻转臂带着油管或抽油杆翻转至立式猫道上方时，摆动缸逐渐减速，能够将油管或抽油杆平稳地运送到立式猫道上，摆动缸停止工作。油缸带动活塞杆推动活动夹紧爪，夹紧爪松开油管或抽油杆，使得油管或抽油杆平稳的落到立式猫道上。放置完成后，摆动缸继续工作带动翻转臂翻转回初始位置，进行下一周期的作业。同样，从猫道上将管杆取下放置在排管架上的工作流程与将管杆放置在猫道上的流程相同。摆动缸与油缸相互配合协作，能够很好的完成上、下油管或抽油杆的工作。整机工作操作流程如图2所示。2结构设计2.1翻转模块翻转机构主要由摆动缸、法兰轴、法兰连接板、滚动轴承、套筒、端盖、轴承座、轴承盖等零部件组成整体结构，如图3所示。翻转模块是油田小修作业上下管杆装置的核心动力机构。该机构负责完成整个装置的翻转任务，在作业过程中，将油管或抽油杆翻转过去需要克服油管或抽油杆自身重力对摆动缸产生的扭矩，并能够保证法兰轴可以正常转动，法兰轴两端由于油管或抽油杆产生的扭矩与摆动杆产生的扭矩不会使法兰轴损坏，翻转机构要给整体作业过程提供一个稳定可靠的动力系统。支撑板与支撑架相连，翻转机构与支撑板通过螺钉相连，在维修设备时可以轻松拆卸。法兰轴通过滚动轴承在两端固定，使得法兰轴转动更加平稳，最大限度降低了转动产生的摩擦力，降低了无用功，提升工作效率。2.2夹紧模块夹紧模块主要由油缸、活塞杆、活动夹紧爪、固定夹紧爪等零部件组成。如图 4 所示。为使夹紧爪适用于具有多种不同规格的油管和抽油杆，设计利用活动夹紧爪与固定夹紧爪配合的工作模式，使油管或抽油杆被充分夹取，消除了在翻转过程中由于没有夹紧油管或抽油杆而导致油管或抽油杆与夹紧爪之间存在间隙而产生的冲击载荷，保证了操作装置与现场操作人员的人身安全，整体作业稳定可靠。2.3支撑模块在安装过程时，猫道连接板与立式猫道焊接在一起，使油田小修作业上下管杆装置与立式猫道一同运输。如图5所示。修井作业场地凹凸不平，使用丝杠调节，可以保证整体装置都处在一个相对平稳的位置进行工作。保证修井作业的整个过程都安全平稳可靠。2.4高度调节模块作业过程中排管架高度不一，为便于调整油田小修作业上下管杆装置的高度，上、下支撑架通过螺钉与加强杆连接，如图6所示。使得在作业过程中，夹紧爪可以准确夹紧在排管架上的油管或抽油杆，为后续工作的完成奠定基础。图1整机结构示意图图2工作流程图3翻转模块结构图4夹紧模块结构杨德芹，周扬理，石福兴，等：基于Adams的油田小修作业上下管杆装置动力学分析 833摆动缸所需力矩的理论计算摆动缸主要在翻转油管或抽油杆过程中提供转矩。针对夹取油管或抽油杆作业时3个不同翻转位置进行受力分析，如图79所示。根据力的四边形法则。进行由重力所引起的支反力对法兰轴产生的扭矩，以此来对摆动缸进行选型计算。翻转位置一：当油管处于图7位置时。翻转角度与支架角度呈现30。G=mg=130kg 10m/s2=1300N（1）根据力的平行四边形法则可计算：Fn1=G sin6=1300N 12=650N（2）T=Fn1 L sin6=325N m（3）式中：g为重力加速度，取10m/s2；G为油管重力；L为法兰轴到油管距离，L=1 m；Fn1为重力分力主要产生扭矩的力；T为摆动缸所需扭矩。根据式（1）（3）所得，此时摆动缸所需扭矩为325N m。翻转位置二：当油管处于图8位置时。翻转角度与支架角度呈现90。此时油管或抽油杆自身重力全部用来提供扭矩。T=G L=1300N m（4）根据式（4）所得，摆动缸所需扭矩为1300N m。翻转位置三：当油管处于图9位置时。翻转角度与支架角度呈现135。根据力的平行四边形法则可计算：Fn1=G sin4=1300N 22 919.2N（5）T=Fn1 L sin4 650N m（6）根据式（5）（6）所得，此时摆动缸所需扭矩为650N m。当翻转臂与支架所成角度为0时，此时油管或抽油杆的重力全部需要油缸提供拉力，此时摆动缸所需转矩