MZJ-15XY型斜井鉆機(jī)提升系統(tǒng)研制

王衛(wèi)華，張　寧，王建偉，李慎奎，劉士巖，吳國輝，王坤青

( 河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

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MZJ-15XY型斜井鉆機(jī)提升系統(tǒng)研制

王衛(wèi)華，張寧，王建偉，李慎奎，劉士巖，吳國輝，王坤青

( 河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：常規(guī)的鉆機(jī)提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不適用于斜井鉆機(jī)。采用倒置缸筒做滑枕，結(jié)合上下滑輪組，通過鋼絲繩特殊纏繞方式使其形成兩組獨(dú)立的增距動(dòng)滑輪系。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)行程的倍增和上提、下壓載荷的功能，從而取代絞車、天車、游車和大鉤等組成的傳統(tǒng)鉆機(jī)提升系統(tǒng)，可適用于斜直井鉆機(jī)，滿足特殊鉆井工況的需求。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：斜井；提升系統(tǒng)；滑車；動(dòng)滑輪

隨著我國對(duì)能源需求的不斷增加，在石油、天然氣及煤層氣的勘探開發(fā)領(lǐng)域，正朝著戈壁沙灘，泥濘草地，河海灘涂，山地丘陵等道路條件差，井場(chǎng)面積受限的地區(qū)發(fā)展[1]。由于環(huán)境條件不允許，在上述地區(qū)僅鉆常規(guī)直井，不能夠滿足勘探開發(fā)的需要，經(jīng)常需要鉆各種斜直井、斜定向井、斜叢式井[2]。

目前，國內(nèi)鉆機(jī)多為直井鉆機(jī)，利用大量復(fù)雜的井下造斜、穩(wěn)斜工具可以鉆一定角度的斜井[3]。使用這種直井鉆機(jī)鉆斜井，施工難度大，周期長，費(fèi)用高，特別不適宜在上述道路和井場(chǎng)面積都受限的地區(qū)進(jìn)行鉆井作業(yè)。其提升系統(tǒng)主要通過絞車?yán)p繞鋼絲繩，鋼絲繩通過天車和游動(dòng)滑車組成的滑輪組，帶動(dòng)大鉤起升或下放放管柱。這種提升系統(tǒng)具有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、拆裝運(yùn)移困難等缺點(diǎn)，并且這種起升系統(tǒng)只有上提載荷的功能，不具備下壓載荷的功能，不能鉆淺層水平井。

河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司在2011年研發(fā)新型斜井鉆機(jī)MZJ-15XY，需要設(shè)計(jì)一種斜井鉆機(jī)的提升系統(tǒng)，該系統(tǒng)可整體隨著井架角度傾斜，始終與井架保持為平行，還具備下壓載荷的能力，既能鉆直井又能鉆斜井。該系統(tǒng)試制后經(jīng)過廠內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好的效果。

1結(jié)構(gòu)

1.1總體結(jié)構(gòu)

提升系統(tǒng)是由上、下起重總成、提升滑車、導(dǎo)向扶正機(jī)構(gòu)、液缸、上提鋼絲繩和下壓鋼絲繩等組成，如圖1所示。液缸倒置安裝在井架內(nèi)側(cè)，活塞桿與井架連接板上的鉸鏈座銷釘連接，隨動(dòng)缸筒上的上法蘭裝有上起重總成，下法蘭裝有下起重總成，并在缸筒上安裝有導(dǎo)向扶正機(jī)構(gòu)，上提鋼絲繩經(jīng)提升滑車的繞繩機(jī)構(gòu)繞過上起重輪，通過鋼絲繩索具頭固定井架底板上，下壓鋼絲繩通過下起重輪用下鋼絲繩索具頭一端固定于動(dòng)力頭或頂驅(qū)的運(yùn)移小車上，另一端固定在井架上端合適位置。

1—液缸桿；2—提升滑車；3—液缸筒；4—上起重總成；

1.2上、下起重總成結(jié)構(gòu)

上、下起重總成均主要由滑輪組、軸承、主軸和框架組成，結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。滑輪組通過與軸承配合安裝在主軸上，由主軸通過壓板及螺釘與框架相連，框架上安裝鋼絲繩防脫裝置。上、下起重總成框架底板通過螺釘與液缸缸筒上、下的法蘭連接，區(qū)別是下起重滑輪位于缸筒兩側(cè)。巧妙地利用缸筒做滑枕，結(jié)合上下滑輪組，通過鋼絲繩的特殊纏繞方式，使其形成兩組獨(dú)立的增距動(dòng)滑輪，實(shí)現(xiàn)鉆具的提升和下壓。

圖2　上起重總成

圖3　下起重總成

1.3提升滑車

提升滑車主要包括框架、繞繩裝置、連接板、空心軸、翹舉液缸、和滾輪組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。提升滑車的滾輪連接板上下、前后對(duì)稱安裝兩種方向垂直的滾輪，能夠控制滑車在運(yùn)移軌道左右和上下間隙的同時(shí)，還能將鉆井時(shí)產(chǎn)生的反扭矩傳遞給軌道。

連接板可與動(dòng)力頭進(jìn)行連接，其由空心軸和壓蓋通過螺釘連接到滑車框架上，并能繞空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；翹舉液缸安裝在提升滑車和動(dòng)力頭主體之間。上述結(jié)構(gòu)能形成變幅機(jī)構(gòu)，應(yīng)用了曲柄搖塊機(jī)構(gòu)[4]的原理，能翹舉動(dòng)力頭及管具繞空心軸旋轉(zhuǎn)0～80°，滿足了斜井鉆機(jī)接卸鉆具需求。

1—繞繩裝置；2—空心軸；3—滑車主體；4—翹舉液缸；

提升滑車的繞繩裝置，能將上提鋼絲繩的提升根數(shù)翻倍，進(jìn)而提高了整個(gè)系統(tǒng)的提升能力。該裝置是在上下固定板之間安裝半輪和環(huán)半輪，還可通過增減環(huán)半輪個(gè)數(shù)改變提升系統(tǒng)的懸重鋼絲繩數(shù)，調(diào)配整個(gè)提升安全系數(shù)和能力，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—半輪；2—環(huán)半輪

1.4導(dǎo)向扶正機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向扶正機(jī)構(gòu)主要由滾輪、連接軸、支架 和擋板組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。支架與液缸缸筒中部兩個(gè)連接塊用螺栓連接在一起，連接軸兩端安裝滾輪，與支架連接，并安裝防轉(zhuǎn)擋板。該機(jī)構(gòu)的滾輪采用擋沿設(shè)計(jì)，在鉆斜井情況下，能支撐液缸筒，使提升系統(tǒng)沿著軌道滑動(dòng)同時(shí)，還能保證系統(tǒng)在滑動(dòng)過程中的左右間隙。該扶正機(jī)構(gòu)安裝位置能夠提高液缸整體的穩(wěn)定性，其合理性可以通過壓桿穩(wěn)定性的歐拉公式進(jìn)行計(jì)算。

1—滾輪，2—連接軸，3—擋板，4—支架。

2工作原理

2.1上提過程

當(dāng)液缸伸出時(shí)，上提鋼絲繩一端連接在滑車上，一端繞過上起重總成的滑輪組，固定在井架的下端，此時(shí)上起重總成的滑輪組相當(dāng)于動(dòng)滑輪，假設(shè)液缸的行程6 m，液缸伸出到最大行程6 m時(shí)，上起重的滑輪組也上升6 m。根據(jù)動(dòng)滑輪的倍增工作原理，鋼絲繩帶動(dòng)提升動(dòng)滑車、動(dòng)力頭及鉆具上升的距離就是12 m，從而實(shí)現(xiàn)行程的倍增，此時(shí)利用液缸塞腔力提升鉆柱，整個(gè)過程中下壓鋼絲繩隨動(dòng)，不產(chǎn)生作用力。在該過程中，提升滑車還能輔助完成接單根操作。

2.2下壓過程

當(dāng)液缸縮回時(shí)，下壓鋼絲繩一端連接在滑車上，另一端繞過下起重總成的滑輪組，固定在井架上部的死繩點(diǎn)，此時(shí)下起重的滑輪組相當(dāng)于動(dòng)滑輪，液缸縮回，行程6 m，下起重的滑輪組也下移6 m，根據(jù)動(dòng)滑輪的倍增工作原理，鋼絲繩帶動(dòng)滑車、動(dòng)力頭及鉆具下降的距離就是12 m，從而實(shí)現(xiàn)行程的倍增，此時(shí)利用液缸的桿腔力下壓鉆柱，實(shí)現(xiàn)表層加壓鉆井，整個(gè)過程中上提鋼絲繩隨動(dòng)，不產(chǎn)生作用力。在該過程中，提升滑車還能輔助完成卸單根操作。

3主要技術(shù)參數(shù)

提升系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

4創(chuàng)新技術(shù)

1)該提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省掉了傳統(tǒng)的絞車系統(tǒng)、天車、游車和大鉤，可整體隨著井架角度傾斜，始終與井架保持為平行，既能鉆直井又能鉆斜井。

2)該提升系統(tǒng)利用倒置液缸缸筒隨動(dòng)，在其上、下分別安裝起重滑輪，通過特殊繞繩方式使其形成兩組獨(dú)立的增距動(dòng)滑輪系。該系統(tǒng)中有鋼絲繩過渡裝置和導(dǎo)向扶正機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了行程的倍增、承重繩數(shù)的增加，以及提升能力的提高和提升裝置穩(wěn)定性的提高。

3)提升系統(tǒng)可沿軌道整體進(jìn)出井架，僅需對(duì)鋼絲繩和液缸的銷釘進(jìn)行操作，就可完成整個(gè)系統(tǒng)的拆裝，方便快捷。

5廠內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2012-06，提升系統(tǒng)借助提升試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了提升載荷900 kN和下壓載荷120 kN 的廠內(nèi)測(cè)試，并進(jìn)行了提升滑車的翹舉試驗(yàn)和接卸口試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

2012-12，中石油渤海鉆探公司在榮盛試驗(yàn)1X井中采用了該提升系統(tǒng)，進(jìn)行了45°斜直井鉆井作業(yè)，達(dá)到使用要求。

2014-10，方圓科技發(fā)展有限公司在中石油華固34-1、34-2井鉆井作業(yè)中使用該提升系統(tǒng)，并在現(xiàn)場(chǎng)利用該提升系統(tǒng)和地面安裝滑輪組完成撬裝鉆機(jī)在井場(chǎng)內(nèi)井位變換，作業(yè)順利完成，符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。圖7為現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖7　鉆井現(xiàn)場(chǎng)

6結(jié)論

1)當(dāng)液缸行程選定后，該提升系統(tǒng)能使鉆機(jī)頂驅(qū)或動(dòng)力頭的工作行程翻倍，而運(yùn)輸總體長度僅比選定液缸安裝距稍長，既滿足了鉆井工作需要又方便了運(yùn)輸。

2)該系統(tǒng)具備主動(dòng)下壓的能力，可以實(shí)現(xiàn)表層加壓鉆進(jìn)，提高了鉆進(jìn)速度。在水平井下套管(篩管)遇阻時(shí)，提供一定的下壓力，提高套管完井效率。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該提升系統(tǒng)既可應(yīng)用于斜井，又可應(yīng)用于直井，為我國鉆采淺層稠油[5]、井場(chǎng)密集叢式井開發(fā)、復(fù)雜地況鉆井等工程作業(yè)提供了一種簡單可靠的提升系統(tǒng)，具有一定工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉卓鈞，李緒炎，甄啟民，等.關(guān)于開發(fā)斜直井采油技術(shù)裝備的幾個(gè)問題[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，1990，19(3)：21-25.

[2]張連山.國內(nèi)外斜井鉆機(jī)的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展方向[J].石油機(jī)械，1989，17(6)：45-50.

[3]方德彭 賈學(xué)明.用斜直井鉆機(jī)的鉆井完井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)[J].1993，21(2) ：7-11.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：1卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]張伯英.斜直井鉆機(jī)可在重油勘探開發(fā)中發(fā)揮較大作用[J].鉆采工藝，1993，16(2)：43.

MZJ-15XY Development of Slant Drilling Rig Hoisting System

WANG Weihua，ZHANG Ning，WANG Jianwei，LI Shenkui，LIU Shiyan，WU Guohui，WANG Kunqing

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062252，China)

Abstract：The conventional hoisting system is complex and not applicable to slant drilling rig.Using the reverse mounted hydraulic cylinder as sliding pillow，combining with upper and lower pulley blocks，they are made to form two independent distance increasing movable pulley system with special wire rope winding method.The configuration can realize the multiplication of stroke and lift upwards loading or press downwards loading，thus replace the traditional hoisting system including draw works/crown block/traveling block and hook etc.It is a rig hoisting system that can be used in slant and straight drilling rigs，and meets the requirement of special drilling conditions.All of test indexes meet the design requirements in field application.

Keywords：slant well；hoisting system；traveling block；movable pulley

中圖分類號(hào)：TE922

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.010

作者簡介：王衛(wèi)華(1981-)，男，河北任丘人，工程師，2006年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在從事石油鉆采設(shè)備研發(fā)工作，E-mail：mlwwh@sina.com。

收稿日期：①2014-09-14

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0046-04