石油鉆機用防噴器裝卸系統(tǒng)研制及應(yīng)用

馬永剛,丁曉鵬,李國宏,陳國黨,胡 軍

(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730070;2.塔里木油田a.第三勘探公司;b.第一勘探公司,新疆庫爾勒841000) *

石油鉆機用防噴器裝卸系統(tǒng)研制及應(yīng)用

馬永剛1,丁曉鵬1,李國宏1,陳國黨2a,胡 軍2b

(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730070;2.塔里木油田a.第三勘探公司;b.第一勘探公司,新疆庫爾勒841000)*

針對現(xiàn)代新型電驅(qū)動鉆機的設(shè)計理念及現(xiàn)場要求,研制出了全液壓控制、1人單工位操作就可完成鉆機防噴器組吊裝對中工作的防噴器裝卸系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理、實施方案,并著重從液壓控制上對系統(tǒng)進行了詳細的分析?，F(xiàn)場試驗及使用情況表明:該系統(tǒng)完全適應(yīng)當(dāng)前電驅(qū)動鉆機的要求,利用該系統(tǒng)安裝和拆卸防噴器組,省時、省力、安全、高效,具有較好的推廣應(yīng)用前景。

鉆機;鉆機配套;防噴器組;裝卸系統(tǒng);安裝

新型電驅(qū)動鉆機在鉆井生產(chǎn)活動中,不僅要通過先進的鉆井技術(shù)及優(yōu)良的鉆機配套設(shè)備來提高生產(chǎn)效率、降低成本,鉆機搬遷安裝的速度也是重要手段之一。隨著石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展,油井不斷加深,井下油氣壓力越來越高,對鉆井井口防噴器組的安全要求也日趨增高,使得防噴器組的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,質(zhì)量更大[1-4],對安裝防噴器組的專用配套設(shè)備也提出了更高的要求。過去現(xiàn)場多采用手拉葫蘆或用鉆井大鉤放至鉆臺下提起防噴器組的安裝方式,既費時又費力,且不安全。防噴器組的安裝已經(jīng)成為鉆井中必須的工作,對于高度6～9 m、總質(zhì)量40～55 t的防噴器組,要求安裝精度在毫米范圍內(nèi),各油田無疑均要求有一套能安全、快速、準(zhǔn)確裝卸防噴器組的防噴器裝卸系統(tǒng)。國外雖已有相應(yīng)的產(chǎn)品,但由于井架底座結(jié)構(gòu)的不同,不能直接采用。由此,研發(fā)了一套全液壓僅1人單工位(液壓控制箱)就可完成操作的防噴器裝卸系統(tǒng)(專利號: 201020266947.4),可以大大降低裝卸井口防噴器組的勞動強度,保證安裝質(zhì)量,確保安全生產(chǎn)。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

國外對鉆井防噴器裝卸系統(tǒng)的研究制造起步約在20世紀(jì)60年代,至今已開發(fā)了多種系列。例如, J.D.NEU HAUSL.P公司[5]和 INGERSOLLRAND公司[6]的產(chǎn)品提升能力為100～1 000 kN,動力有氣動和液壓2種驅(qū)動形式,提升部件用鋼絲繩或高強度鏈條。國外幾家公司的此類產(chǎn)品是機械行業(yè)的通用起重設(shè)備,同時也能夠適應(yīng)海洋石油平臺等環(huán)境惡劣的石油鉆井現(xiàn)場工作,但由于價格昂貴,國內(nèi)陸地鉆機很少使用。

國內(nèi)過去的在用鉆機底座設(shè)計得較低,無法配裝較高尺寸的防噴器組,鉆井現(xiàn)場通常采用下挖井口來彌補底座高度的不足,防噴器組安裝采用手拉葫蘆,勞動強度大,安全性差。2000年前后,開始考慮為電驅(qū)動鉆機配套防噴器移運裝置、鉆臺下小車移運裝置或電動葫蘆吊升移運裝置,但這些產(chǎn)品滿足不了新型鉆機的配套要求和HSE要求[7-8]。2003年,筆者開始研究設(shè)計液壓防噴器裝卸系統(tǒng),并于2005年獲得中國機械工業(yè)集團公司基金項目資助。自2006年第1臺樣機在遼河油田長北項目ZJ70D鉆機上試驗成功以來,截至2009-12,已有22臺配套在新型電驅(qū)動鉆機上。

目前,國內(nèi)對鉆井防噴器裝卸系統(tǒng)的研究制造已普遍受到關(guān)注,這類產(chǎn)品將向提升能力更強、自動化程度更高和更好地滿足 HSE要求方向發(fā)展[3-4]。

2 結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)參數(shù)

鉆機用防噴器裝卸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)方案如圖1。

圖1 防噴器裝卸系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)

將防噴器組的安裝分解為2個主要動作:①將防噴器組提升以及下放;②將防噴器組提起后移送并放置到井口。

防噴器組提升及下放是通過滑輪和鋼絲繩將液壓缸活塞桿水平移動改變?yōu)榇怪币苿?即為升降作業(yè)。為了使鋼絲繩兩端提吊力平衡,在2個動滑輪之間的一根鋼絲繩中部要繞過一個固定在吊裝裝置骨架上的平衡滑輪。

防噴器組提起后移送采用液壓馬達經(jīng)減速后驅(qū)動滾輪在軌道上水平移動,通過滾輪架、支架體和吊裝裝置骨架來實現(xiàn)所起吊設(shè)備的水平移動。

2.2 主要設(shè)計參數(shù)

額定提升載荷 600 kN

提升高度 3.2 m

提升速度(額定載荷時) 0.8 m/min

下放速度 1.6 m/min

水平行走速度 11 m/min

液壓系統(tǒng)額定工作壓力 21 MPa

液壓系統(tǒng)額定工作流量 120 L/min

2.3 液壓系統(tǒng)技術(shù)方案[9-10]

設(shè)計了2套液壓系統(tǒng)控制流程,其液壓原理如圖2～3所示,2套系統(tǒng)均能完成預(yù)定的操作。

圖2 第1套液壓系統(tǒng)控制原理

圖3 第2套液壓系統(tǒng)控制原理

為比較2套系統(tǒng)的優(yōu)缺點,用2套方案各制做了1臺樣機,在廠內(nèi)進行對比試驗。試驗結(jié)果表明, 2套系統(tǒng)在理論上均有可取之處,功能上都達到了設(shè)計目標(biāo)。

2.3.1 第1套液壓系統(tǒng)

用多路換向閥作為主動作閥,簡單易于安裝,現(xiàn)有的工程機械大多采用這種結(jié)構(gòu)的多路閥。但多路換向閥會隨著閥芯磨損或油的污染使液壓油的泄漏增加、保壓性能將降低,而且現(xiàn)有的多路閥均由單手柄、單閥桿的三位六通閥組合而成,以實現(xiàn)對雙回路或多回路的控制。存在的問題主要是在性能方面不能實現(xiàn)雙回路或多回路之間的復(fù)合動作,這在工程機械的使用中將嚴(yán)重影響機械的作業(yè)效率,并加大操作者的勞動強度。在制造成本方面,由于采用的是單閥桿結(jié)構(gòu),閥體和閥桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計、制造要求精度高,生產(chǎn)成本也較高。

2.3.2 第2套液壓系統(tǒng)

控制閥件均采用工程閥,工程閥以其外形美觀、安裝尺寸小、動作靈活及設(shè)計集成閥板時安裝方便等優(yōu)點,在當(dāng)前液壓系統(tǒng)設(shè)計中常被優(yōu)先選用。該液壓系統(tǒng)采用的幾個工程控制閥件的作用及特點如下:

a) 平衡閥在本系統(tǒng)設(shè)計中作為液壓缸液壓鎖是必不可少的,平衡閥在液壓系統(tǒng)中的主要作用就是防止負載過大引起液壓缸和馬達的“失控”或管線破裂。

b) 分流集流閥的作用是使液壓系統(tǒng)由1個出口向2個執(zhí)行元件供應(yīng)相同的流量(等量分流),以實現(xiàn)2個執(zhí)行元件的速度保持同步或定比關(guān)系;集流閥的作用則是從2個執(zhí)行元件收集等流量或按比例的回油量,以實現(xiàn)其間的速度同步或定比關(guān)系。分流集流閥則兼有分流閥和集流閥的功能,所以在2個完全獨立的起吊裝置間安裝分流集流閥是非常有必要的,它是2個完全獨立的起吊裝置在前行或后退時保證同步的有力保障[11]。

c) 雙向節(jié)流閥采用滑閥式結(jié)構(gòu),流量調(diào)整為手調(diào)式,結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,同時由于在閥芯兩端用液壓平衡原理,因此調(diào)節(jié)力矩小,操作輕便,在液壓系統(tǒng)中對油路進行調(diào)整節(jié)流,以改變執(zhí)行元件的工作速度。液壓流程中設(shè)計安裝此閥的效果是明顯的,它使得在系統(tǒng)工作中液壓缸、液壓馬達的動作速度可以調(diào)節(jié)到相對合理的位置上[12]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

a) 液壓缸活塞桿的水平運動要轉(zhuǎn)變?yōu)檠b卸系統(tǒng)的升降運動。

b) 每套裝置能獨立完成行走和升降工作。

c) 移動小車及減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,且工作要平穩(wěn),噪聲小;液壓缸骨架采用整體焊接后加工的工藝,液壓缸活塞桿前端為整體軸結(jié)構(gòu)。

d) 有2個起升液壓缸同時工作,因此就要求2液壓缸以及2套動滑輪、平衡輪、靜滑輪和鋼絲繩的動作同步,以便裝卸工作平穩(wěn)。

e) 移動小車具有較大的牽引力,配備了多個液壓馬達,因此要求多個液壓馬達及其滾輪動作同步,使裝卸系統(tǒng)的水平移動平穩(wěn)。

f) 為實現(xiàn)防噴器組的升降作業(yè)和水平移動作業(yè)功能,液壓控制系統(tǒng)設(shè)計中必須將2個完全獨立的吊裝裝置有機地結(jié)合起來。

4 技術(shù)難點

2個裝置的結(jié)構(gòu)是完全獨立的,其同步主要靠液壓流程來解決,根據(jù)前幾臺裝置的試驗和現(xiàn)場使用情況來看,2個液壓缸的同步不是本裝置的主要技術(shù)問題,因為2個裝置靠液壓缸起升重物時其載荷是基本平衡的,在起升過程中自找平衡,即使從液壓回路上不考慮2個液壓缸的同步動作,也不會影響整個設(shè)備的使用,在最終確定這部分的液壓回路時去掉了2個液壓缸的同步閥。但在系統(tǒng)中液壓馬達的同步將至關(guān)重要,2個裝置在軌道上行走時,是靠馬達提供的旋轉(zhuǎn)動力,每個裝置上分布著4只主動滾輪和4只從動滾輪,在行走過程中不能保證每個主動滾輪上的載荷相同,而且每個裝置上分布2個馬達,結(jié)構(gòu)相互獨立,油路并聯(lián)連接,載荷自找平衡。但相互獨立的2個裝置上的馬達就必須做到同步動作,否則將會出現(xiàn)1個裝置行走,1個裝置不動,載荷輕的走,載荷重的不走,控制起來非常麻煩,只能單個控制,很難實現(xiàn)同時動作,這是液壓流程設(shè)計的重點。從現(xiàn)場使用情況來看,2套系統(tǒng)都達到了預(yù)期的功能要求,考慮到生產(chǎn)加工以及維修方便的問題,本防噴器裝卸系統(tǒng)采用第2套液壓原理圖作為產(chǎn)品的液壓控制圖。

5 試驗及應(yīng)用

由于防噴器裝卸系統(tǒng)是針對石油鉆機使用過程中吊裝防噴器組而專門配備的,在廠內(nèi)進行設(shè)備試驗時有相當(dāng)?shù)碾y度無法達到現(xiàn)場使用狀態(tài),也很難找到如此大噸位的重物進行起吊試驗。故在廠內(nèi)進行了流程試驗、無載荷試驗和拉力靜載荷試驗后,在現(xiàn)場進行了工業(yè)試驗。

2006-03,在陜西榆林進行了設(shè)備的工業(yè)性試驗,配套在遼河石油勘探局ZJ70D型鉆機上,進行了空載荷的所有動作試驗,結(jié)果起升平穩(wěn),行走靈活;在安裝防噴器時進行了雙閘板防噴器(質(zhì)量13.8 t)、單閘板防噴器(質(zhì)量6.7 t)、環(huán)形防噴器(質(zhì)量7.2 t)及整體組合后(約質(zhì)量36 t)的起吊安裝,整個過程完全符合現(xiàn)場的安裝要求,也證明了設(shè)備完全能符合ZJ70D型鉆機現(xiàn)場的使用。

由于現(xiàn)場的使用沒有考核到設(shè)備最大載荷2× 300 kN,所以2006-09又委托蘭州蘭石起重設(shè)備檢測站為該防噴器裝卸系統(tǒng)做了整體性能考核試驗,2個起吊裝置分別做了50、100、150、200、250、300 kN的起吊試驗及載荷下的行走試驗。試驗結(jié)果表明:該樣機運轉(zhuǎn)平穩(wěn),工作性能良好,控制系統(tǒng)操作靈活、可靠,各項數(shù)據(jù)檢測結(jié)果均達到設(shè)計要求。

截至2009-12,生產(chǎn)的防噴器裝卸系統(tǒng)已有22套服務(wù)于鉆機生產(chǎn)現(xiàn)場,使用狀態(tài)良好,得到了現(xiàn)場用戶的一致好評。

6 結(jié)論

1) 該系統(tǒng)完全滿足現(xiàn)代新型電驅(qū)動鉆機的配套使用要求,具有優(yōu)良的特性,安裝維護簡便,操作簡單,安全可靠。

2) 該系統(tǒng)的研制成功,為油田提供了安全、可靠的石油鉆井防噴器安裝、拆卸的理想產(chǎn)品,大大降低了工人的勞動強度,具有良好的社會效益。

[1] 王子磊,綦耀升,宋忠坤,等.修井用雙閘板防噴器的選型設(shè)計[J].石油礦場機械,2008,37(6):58-61.

[2] 王媛媛,李 俊,趙志斌,等.手動電纜剪切雙閘板防噴器的設(shè)計開發(fā)[J].石油礦場機械,2008,37(9):86-88.

[3] 陳麗霞,劉清友,單代偉,等.防噴器控制系統(tǒng)故障樹的建立與定性分析[J].石油礦場機械,2008,37(10): 64-67.

[4] 肖力彤,宋振華,鄭 泳,等.Cameron結(jié)構(gòu)的防噴器殼體有限元分析[J].石油礦場機械,2010,39(2):38-40.

[5] J D NEUHAUS.P公司.http://www.jdneuhaus.co.uk/ products/index_hoists.htm.(2007-05-18)[2008-03-10].

[6] INGERSOLLRAND公司.http://www.irtools.com/ lifting/index.aspx.(2006-10-12)[2008-03-10].

[7] 王延文,王 鑫,王軍山.石油鉆井防噴器拆裝裝置的研制與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2006,30(3):33-35.

[8] 蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司.油氣井防噴器組安裝裝置:中國,03281046.6.7[P].2004-11-24.

[9] 成大先.機械設(shè)計手冊——液壓控制閥件:第 4卷[K].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:365-613.

[10] 張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:89-92.

[11] 全球閥門網(wǎng).分流集流閥的工作原理[EB/OL].http://www.famens.com/tech/display.asp?id=1392 (2006-04-10)[2008-03-10].

[12] 漢特姆閥門制造有限公司.雙向節(jié)流閥使用說明書[K10L]http://www.buy-valve.com/ps.asp?ig= 210(2007-09-15)[2008-03-10].

Development and Application of BOP Assembly and Disassembly System in Drilling Rig

MA Yong-gang1,DING Xiao-peng1,LI Guo-hong1;CHEN Guo-dong2a,HU Jun2b
(1.L anpec Technologies Limited,L anzhou730070,China;2.a.No.3Drilling Company; b.No.1Drilling Company,Tarim Oilf ield,Korla841000,China)

Aiming at the design idea and on-site requirement of new electricity drilling rig,a set of full-hydra controlled assembly and disassembly system,which operated by only one person in single position,was developed to complete installing and aligning process of BOP set.Its structure, technical principle,operational scheme are introduced,and hydraulic control part is detailed in the system;the system has met the requirement of current electricity drilling rig completely according to on-site test and field operation situation,which has the advantage in saving time,saving labor, safety,high performance in assembly and disassembly process.Consequently,it has wide application in oil fields.

drilling rig;rig system;BOP set;assembly and disassembly system;installing

1001-3482(2010)12-0064-04

TE921.5

A

2010-05-20

中國機械工業(yè)集團公司科技發(fā)展基金資助項目(SINOMACH06科008號)

馬永剛(1975-),男,陜西咸陽人,高級工程師,主要從事石油鉆井設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)工作。