1.目的及意义

1.1研究的目的及意义

随着我国现代化进程的不断深入，国家对能源的需求也随之加大。而石油作为最重要的化石能源之一，在多方面都有重要的应用，石油的消耗量也水涨船高。因此，石油的开采技术及相关开采设备的发展水平也被提出了较高的要求，相关装备的需求量也达到了较高的数目。其中，修井作业设备作为重要的开采装备，在新的开采技术的要求下需要进行技术革新，以适应新的生产需求。在修井作业中，接送油管作业作为重要的基础性作业内容，是进行技术改良的重要对象。

在我国传统的接送油管作业中，大多采用的是专用机械辅助人工作业的方式。在这种模式下，工人的劳动强度大，同时其生产效率相比于开采技术的发展也存在有较为明显的滞后，较为明显的制约了修井作业的开展。另一方面，现有的接送油管作业设备在安全性上有较为明显的缺点。由于操作人员需要直接接触油管，在开采油井温度越来越高、压力越来越大的发展现状之下，现有设备对操作人员的安全存在有较大的威胁。

在这一背景下，发展自动化程度高且接送效率高的接送油管设备就成为了重要的研究课题。而随着工业机器人技术的日趋成熟，研究接送油管机器人就成为了兼备可行性和便捷性的良好方向。通过新的设备，可以显著提高生产的效率，解除原有技术中不利因素的制约，给企业带来更大的利润。与此同时，新的设备也可以把相关操作工人从危险程度高、劳动强度大、作业条件恶劣的环境中解放出来。因此，接送油管机器人的研究，对于企业及工人都有着较为明显的意义。

1.2国内外的研究现状分析

国内应用的修井作业设备仍多以辅助人力操作的半自动化设备为主，例如卷扬机、液压机械手等。其自动化程度低，工作效率受设备技术水平及工人操作水平的限制，且易出现误操作等安全隐患，难以满足开采技术的发展需求^[1]。近年来，国内的修井作业设备开始向自动化方向发展^[2]，工业机器人也得到了广泛的应用，并在多个项目中有了较为成熟的应用先例^[3]。在国际研究的前沿，借助于多种先进技术手段，在防滑^{[4] [5]}及驱动^[6]等主要技术环节也得到了一定的突破。

在安全控制领域，自动化技术得到了充分的应用。在防碰技术方面，研究产生了动力猫道自动防碰与警示装置，通过在滑道端部两侧设计激光距离感应传感器，设置节点进行信号扫描，确保滑道在进入钻台前能够正常启动与工作。当滑道进入钻台后，传感器扫描检测信号开始传入控制程序，当在距离滑道端部一定距离的特定检测区内检测到人或其他障碍物时，程序控制切断绞车提升动力并自动停止滑道^[7]。为满足应用需求，在监控控制系统研究方面也进行了一定的研究，基本原理是在天棚的飞轮上安装传感器，对飞轮的转数进行监测，并由此转换成工作头的相应位置信号。当转数被单片机记录后，数据就通过用串行口被发送到无线发射模块，然后发送给控制室的接收模块进行接收^[8]。与此同时，其运行数据可被远程监控系统进行远程传输，由此可实时掌握修井机设备的运行参数和其他相关资料。人机对话、双向互通等技术可对设备故障的分析提供保障，以至于实现修井机产品实时全方位监控^[9]。这些技术在实际应用过程中也面对着恶劣的生产环境和复杂的应用条件，其稳定性及可靠性也面临着一定的考验。

与此同时，在管柱搬运、扶正等作业过程中，工业机器人得到了广泛的应用。

修井作业双人操控起下油管装置应用于起下管柱作业过程中，通过双人远程操控起下油管作业，在降低工人劳动强度的同时，也使工人远离了危险区域，最大程度的避免意外伤害。这一设计根据在作业中管柱的运动轨迹规律，设计出了一种自动定位扶正机械手，该种机械手可在机械臂的推拉下前后移动，最大伸长能超过井口1.2m。通过修井机司机的远程控制，机械手抓住并推拉油管，实现其运动轨迹从“垂线到直线”或从“直线到垂线”之间的转换，可较为有效的替代井口的人工操作，井口无人作业这一目标得以实现。这一设备已经应用于华北岔河集油田岔12-64井、48-133井、48-127井等井的的检泵、检管作业，其平均起下油管速度50 根/h，最高达到60 根/h，在多种气象条件下工作稳定，与人工操作水平相比，其工作速度能达到与其较为接近的水平^[10]。三一重工研究出了一种修井机台面扶管机械手虚拟样机，面向车载修井平台研发出了一套解决人工起下油管操作弊端的小修作业一体化设备，包括动力猫道、扶管机械手、移动液压钳、动力卡瓦、动力吊卡及接污筒等，成套设备集中控制，台面作业可以实现无人化^[11]。