海洋液壓提升修井機(jī)的研究

丁輝 陳金穩(wěn) （中海油能源發(fā)展油建渤海裝備技術(shù)服務(wù)分公司 天津300452）

周懷亮 （中海油天津分公司生產(chǎn)部作業(yè)室 天津300452）

1 液壓提升修井機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀

近年來隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，石油鉆井設(shè)備也取得了長足的進(jìn)步，石油鉆機(jī)先后經(jīng)歷了從機(jī)械驅(qū)動(dòng)到直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，再到目前具有代表性的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但人們一直都在尋求著一種既安全、可靠，又環(huán)保、節(jié)能，而且便捷的小型修井設(shè)備。

20世紀(jì)90年代初，美國庫美公司與挪威合資成立的海事液壓公司研制出了海洋9 000 m第一類液壓鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵的液壓驅(qū)動(dòng)，隨后幾年由挪威的MH和意大利SoilMec公司生產(chǎn)了另一類液壓鉆機(jī)，以液壓油缸實(shí)現(xiàn)了大鉤的提升。[1]20世紀(jì)90年代中期，中石化勝利石油管理局成功研制了第一臺(tái)車載式液壓提升修井機(jī)（見圖1），開創(chuàng)了中國研制液壓修井機(jī)的先河，繼第一臺(tái)液壓提升修井機(jī)取得成功后，勝利石油管理局又先后研制了四臺(tái)液壓提升修井機(jī)，最大鉤載可達(dá)50 t。[2]

在中國海洋石油蓬勃發(fā)展的今天，由于受平臺(tái)承載能力、作業(yè)面積等條件的限制，對輕巧、可搬遷式修井機(jī)的需求迫在眉睫。中國海洋石油天津分公司與中國石化江漢石油四機(jī)械廠于2008年著手聯(lián)合研制適用于海洋無人平臺(tái)的HXJ90Y液壓模塊修井機(jī)，該修井機(jī)最大鉤載900 kN，額度鉤載600 kN，最大提升速度1 m/s，液壓舉升凈空高18 m，并配置了動(dòng)力水龍頭、鐵鉆工等設(shè)備。

圖1 勝利石油管理局液壓修井機(jī)

2 海洋液壓提升修井機(jī)的設(shè)計(jì)思路

2.1 傳統(tǒng)海洋修井機(jī)的概況

海洋修井機(jī)是實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。修井機(jī)是通過下管柱、井內(nèi)循環(huán)作業(yè)及旋轉(zhuǎn)作業(yè)來完成對抽油桿、抽油泵等井下設(shè)備和工具的使用，實(shí)現(xiàn)撈沙、機(jī)械清蠟、沖砂、熱洗及循環(huán)泥漿等修井作業(yè)。[3]

目前中海油天津分公司已經(jīng)擁有南陽石油二機(jī)廠、江漢石油四機(jī)廠及川油廣漢宏華等公司生產(chǎn)的HXJ60、HXJ90、HXJ120、HXJ135、HXJ158、HXJ180、HXJ225 等系列修井機(jī)。根據(jù)修井作業(yè)的工況需求及海洋平臺(tái)的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，海洋石油修井機(jī)需具備如下特征[3]：結(jié)構(gòu)合理、緊湊，重量相對較輕；操作方便，安全可靠，故障率低；一定的爬行能力，能夠覆蓋平臺(tái)所有井口；穩(wěn)定的作業(yè)工況，能夠克服海洋惡劣氣候；一定的提升和載荷工況；具備循環(huán)泥漿工況；具備旋轉(zhuǎn)、送進(jìn)作業(yè)工況；具備井控防噴作業(yè)工況。

2.2 海洋液壓提升修井機(jī)設(shè)計(jì)思路

為了解決中海油天津分公司渤海灣部分無人生產(chǎn)平臺(tái)的承載能力、甲板使用面積及修井機(jī)的利用率等問題，另外結(jié)合當(dāng)前所宣揚(yáng)的“節(jié)能減排”、“環(huán)境保護(hù)”等有關(guān)倡議，提出適用于海洋的新型液壓提升修井機(jī)的設(shè)計(jì)方案。海洋液壓提升修井機(jī)的設(shè)計(jì)思路如下：為了保證整機(jī)的穩(wěn)定性，液壓提升修井機(jī)的整體固定結(jié)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)海洋修井機(jī)的軌道壓板式固定方式；移動(dòng)方式仍采用傳統(tǒng)海洋修井機(jī)的爬行機(jī)構(gòu)；仍采用傳統(tǒng)海洋修井機(jī)的井控防噴作業(yè)工況；動(dòng)力源采用“電機(jī)+液泵”的方式；液壓提升修井機(jī)采用單根提升作業(yè)，降低液壓提升修井機(jī)的作業(yè)高度，提高整機(jī)的穩(wěn)定性；采取多定滑輪組，獲取較大的提升高度比和提升速度；采用同步液壓油缸（2組或多組）頂升游動(dòng)梁，實(shí)現(xiàn)游車大鉤的起升；采用液壓蓄能裝置，實(shí)現(xiàn)節(jié)能作業(yè)；配置動(dòng)力水龍頭（配軌道）和鐵鉆工等設(shè)備。

2.3 傳統(tǒng)海洋修井機(jī)與海洋液壓提升修井機(jī)的對比

將傳統(tǒng)海洋修井機(jī)與新型海洋液壓提升修井機(jī)的性能參數(shù)、實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行參照對比，具體情況見表1：

表1 傳統(tǒng)海洋修井機(jī)與新型海洋液壓提升修井機(jī)的對比

3 海洋液壓提升修井機(jī)的主要技術(shù)

3.1 主要驅(qū)動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)

海洋液壓提升修井機(jī)的液壓系統(tǒng)為修井機(jī)的調(diào)整和修井作業(yè)提供液壓動(dòng)力源，配置各種閥件來控制液壓系統(tǒng)壓力，操作各液壓機(jī)具，確保液壓系統(tǒng)安全運(yùn)行，操作安全可靠。液壓執(zhí)行元件包括兩個(gè)舉升液缸、動(dòng)力水龍頭、全自動(dòng)井架工、鐵鉆工、兩個(gè)井架起升油缸、兩個(gè)上移動(dòng)座移動(dòng)油缸、兩個(gè)下移動(dòng)座移動(dòng)油缸、兩臺(tái)液壓小絞車。[4]各液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行原件見圖2。

圖2 海洋液壓修井機(jī)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件

3.2 采用同步液壓油缸，實(shí)現(xiàn)大鉤的起升或下降

海洋液壓提升修井機(jī)主要是通過2組或多組同步油缸頂游動(dòng)梁的方式，來實(shí)現(xiàn)游車大鉤的上升或下放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升或下放油桿作業(yè)，此種提升方式告別了游車大鉤“頂天立地”的作業(yè)危險(xiǎn)，節(jié)省了智能防碰裝置的購置費(fèi)用。另外，液壓修井機(jī)的制動(dòng)主要是通過液壓節(jié)流的方式來實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)手動(dòng)剎把和液壓盤式剎車方式帶來的摩擦粉塵。[2]

同步液壓油缸的設(shè)計(jì)、選型依據(jù)液壓修井機(jī)的額定提升載荷及液壓源所提供的壓力，另外在油缸的設(shè)計(jì)過程中需考慮滑輪組的提升高度比及油缸安裝的穩(wěn)定性。

3.3 采用定滑輪組，獲得較大的提升比

海洋液壓提升修井機(jī)通過采用多個(gè)定滑輪組成的滑輪組來實(shí)現(xiàn)較大的提升速率，降低鋼絲繩的承載能力，延長鋼絲繩的壽命。海洋液壓提升修井機(jī)的提升系統(tǒng)采用兩根死繩，而沒有快繩，兩根死繩分別固定在井架或鉆臺(tái)上，另外多個(gè)定滑輪分別安裝在修井機(jī)鉆臺(tái)上和游動(dòng)梁上。提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 海洋液壓修井機(jī)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在同步油缸提升速度一定和不增加定滑輪的情況下，游車大鉤的提升比隨著游車滑輪數(shù)增加而降低。當(dāng)采用1×2游動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，游車大鉤有最大的提升比，但此時(shí)單根鋼絲繩的受力也最大，所以在海洋液壓提升修井機(jī)的提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，不但要考慮修井機(jī)的額定載荷和鋼絲繩的受力情況，而且還要考慮修井機(jī)的提升比及大鉤提升速率等問題。

3.4 采用液壓蓄能裝置，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗

為了有效解決海洋液壓修井機(jī)動(dòng)力機(jī)空轉(zhuǎn)浪費(fèi)的能量和油管柱下放時(shí)釋放出的部分勢能，同時(shí)解決在作業(yè)過程中動(dòng)力機(jī)突然出現(xiàn)故障造成作業(yè)終止或安全隱患，因此在海洋液壓修井機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)思中采用液壓蓄能裝置。

3.5 配置全自動(dòng)井架工和鐵鉆工

海洋液壓修井機(jī)配置全自動(dòng)井架工和鐵鉆工，機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高。全自動(dòng)井架工安裝在二層臺(tái)，井架工不需要再上二層臺(tái)進(jìn)行操作，安全性能好，而且全自動(dòng)井架工獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)門設(shè)計(jì)保證操作簡單，重量輕，使鉆柱排放平穩(wěn)而靈活。鐵鉆工安裝在井口，可大大減少井口的作業(yè)人員，提高作業(yè)的自動(dòng)化程度，降低作業(yè)的安全系數(shù)。[5]全自動(dòng)井架工和鐵鉆工的結(jié)構(gòu)分別見圖4和圖5。

圖4 全自動(dòng)井架工

圖5 鐵鉆工

4 結(jié)束語

海洋液壓提升修井機(jī)不僅具有輕巧、安全、環(huán)保、節(jié)能、可拆遷等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以解決目前中海油渤海灣部分無人生產(chǎn)平臺(tái)的修井作業(yè)，提高無人生產(chǎn)平臺(tái)的產(chǎn)油率。海洋液壓提升修井機(jī)提出的多定滑輪組提升系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)修井機(jī)提升系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)形式，解決了傳統(tǒng)修井機(jī)占地面積大和結(jié)構(gòu)不夠緊湊等問題；同時(shí)提出的液壓蓄能裝置不僅大大提高對系統(tǒng)液壓能的利用率，而且也起到了很好的節(jié)能作用。另外海洋液壓提升修井機(jī)還可以通過改造運(yùn)用到壓井作業(yè)中，對于保護(hù)和維持油氣層的原始產(chǎn)能，減少酸化、壓裂等作業(yè)次數(shù)具有十分重要的意義。[6]■

[1]Composit Catalog of O il Field Equipment&Services[M].Published by G ulf Publishing Company，U SA，1999.

[2]顧心懌.液壓蓄能修井機(jī)[Z].中石化勝利石油管理局.

[3]尹永晶，黃榮杰.石油修井機(jī)[Z].南陽石油二機(jī)廠，2002.

[4]王峻喬，李傳斌.液壓模塊修井機(jī)[Z].江漢第四石油機(jī)械廠.

[5]張洪生，于昊，趙金峰.鐵鉆工的現(xiàn)狀與展望[D].蘭州理工大學(xué)，2000.

[6]謝永金，曹立明.新型不壓井作業(yè)設(shè)備的研究[J].石油機(jī)械，2007（9）：161-164.