双根立放式自动化小修作业机结构设计与分析

摘要

当前我国油田已经进入了“三高”时期，修井作业已经成为确保油田稳产、增产的重要措施。现在修井作业主要采用常规修井机或者通井机，采用人机合作单根地面排放的作业工艺，其自动化程度低、作业效率低、运移性差、作业成本高、低HSE，已经不适合油田发展现状，亟需要一款技术先进、安全可靠、高度环保、高效的修井作业机。 基于油田上述现状，本文设计一款双根立放式自动化小修作业机，通过“‘PLC 程控/人控’多单元协调自动耦合控制+人机离线操控”的控制方式使修井机的各个关键系统相互协同作业，实现了油田小型修井作业的自动化、无人化。该小修作业机在兼容传统单根地面卧式排放的作业工艺基础上，提出了井口双根立式排放油管的作业模式，与传统作业相比缩短了近20%~30%的修井作业时间，提高了作业效率。 基于上述设计思路，本论文在双根立放式自动化小修作业机的总体方案设计、关键系统结构设计、关键系统的静力学与动力学分析等方面作了深入的研究，主要完成了以下几个方面的工作： 首先，论述了现有修井作业机的发展现状及存在的问题，分析了本论文研究的内容、意义及目标。在完成修井机基本参数及基本功能设计的基础上，设计了小修作业机的总体方案，包括工作原理设计、总体布局设计、作业工序设计及初步的结构设计。在整体方案设计的基础上，对修井机的重要组成系统进行了详细设计，其中包括提升系统、双根油管立式排放二层工作台系统、双根油管运移排放系统、自动化井口系统、单根油管杆排放系统、变幅支撑系统等关键系统，并对关键部件在极限载荷下的力学特性及结构参数进行分析计算。 其次，借助于三维建模软件 SolidWorks 建立了小修作业机的整体模型，根据 API标准规定，利用有限元软件ABAQUS对修井机的关键系统在各个工况下进行静力学分析，主要包括提升系统、双根油管立式排放二层工作台系统、双根油管运移排放系统。之后利用动力学分析软件 ADAMS 对双根油管运移排放系统在排管过程中油管的振动情况及井架起升过程中变幅油缸的作用力的变化进行了分析。 最后，利用机器人学理论对双根油管运移排放系统进行运动学和动力学分析，推导出其运动学方程。

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