液壓修井機(jī)行程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周超++楊向前++鄭清華++郭華

摘 要：該文通過(guò)對(duì)液壓修井機(jī)的工作特點(diǎn)分析和對(duì)其在國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研，對(duì)其在國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)上應(yīng)用的前景進(jìn)行了分析。認(rèn)為液壓修井機(jī)應(yīng)用于海洋平臺(tái)上有許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，適合海洋平臺(tái)的工作特點(diǎn)。對(duì)液壓修井機(jī)的行程、油缸尺寸、油泵排量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足載荷要求和安全性的前提下，提高了其行程以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，調(diào)整后的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足更高的作業(yè)要求，可提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：液壓修井機(jī) 油缸 游動(dòng)行程

中圖分類(lèi)號(hào)：TE93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0084-03

目前海洋平臺(tái)上應(yīng)用最廣泛的修井機(jī)是常規(guī)海洋修井機(jī)，基本都是把在陸地上使用比較成熟的修井裝置，通過(guò)適當(dāng)改造以適應(yīng)海上修井特點(diǎn)，然后整體搬遷到海洋平臺(tái)上、輔助船上或者固定平臺(tái)上使用。陸上修井裝置一般要經(jīng)過(guò)撬裝化、模塊化、加裝導(dǎo)軌等改造才能用于海洋平臺(tái)。

液壓修井機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作方式與常規(guī)修井機(jī)有較大區(qū)別。與常規(guī)修井機(jī)相比，液壓修井機(jī)的提升系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，液壓修井機(jī)取消了常規(guī)修井機(jī)的井架、游車(chē)、天車(chē)、絞車(chē)、變速傳動(dòng)箱等裝置，全部采用液壓控制，通過(guò)液壓系統(tǒng)完成大鉤的起下[1]。此外，液壓修井機(jī)還具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、給進(jìn)力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、操縱簡(jiǎn)便以及易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速和自動(dòng)控制等工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的目的[2]。

1 海上應(yīng)用分析

從國(guó)外的情況來(lái)看，液壓修井機(jī)的前身不壓井修井機(jī)，早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始在北海油田應(yīng)用，現(xiàn)在意義的液壓修井機(jī)的應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的。比如，尼日利亞的海上石油開(kāi)發(fā)中使用液壓修井機(jī)進(jìn)行作業(yè)已經(jīng)有近10年的歷史，在國(guó)外石油公司提供技術(shù)幫助和人員培訓(xùn)的前提下，其本土的Tecon Oil Service公司生產(chǎn)提供的液壓修井機(jī)在實(shí)踐中經(jīng)過(guò)不斷完善，被證明可以高效完成作業(yè)，達(dá)到了安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，完全滿(mǎn)足使用要求。與常規(guī)修井機(jī)相比，可以節(jié)省20%～50%的費(fèi)用[3]。分析認(rèn)為，主要是由于以下幾方面費(fèi)用的降低。

（1）動(dòng)復(fù)員費(fèi)用。

（2）人員，后勤保障費(fèi)用。

（3）減少井架起降時(shí)間所節(jié)約的費(fèi)用。

（4）與常規(guī)修井機(jī)比較，減少了搬遷時(shí)間，降低了產(chǎn)量損失。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有在海洋平臺(tái)上使用液壓修井機(jī)的先例。該文對(duì)其在國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)上的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

液壓修井機(jī)重量輕，占地面積小的工作特點(diǎn)，可放置在中小型井口平臺(tái)（簡(jiǎn)易平臺(tái)）上，進(jìn)行邊際油田、小油氣構(gòu)造的開(kāi)發(fā)，能夠有效降低開(kāi)發(fā)成本。目前海上已發(fā)現(xiàn)多個(gè)待開(kāi)發(fā)的邊際小油田，邊際油田將主要采用無(wú)人平臺(tái)的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。各個(gè)海域目前也建有一些無(wú)修井機(jī)平臺(tái)，且數(shù)量還會(huì)繼續(xù)增加。適合用液壓修井機(jī)進(jìn)行作業(yè)的平臺(tái)較多。針對(duì)液壓修井機(jī)的海上應(yīng)用進(jìn)行的分析如下。

（1）液壓修井機(jī)單模塊的最大重量不超過(guò)10 t，二層臺(tái)容量2 660 m，可容納3-1/2”油管280根，完全可以滿(mǎn)足平臺(tái)的常規(guī)修井作業(yè)。

（2）因?yàn)槠脚_(tái)一般都設(shè)有一套液壓系統(tǒng)，液壓修井機(jī)可以與之共用一套液壓源，降低了平臺(tái)的一次性投資。

（3）與同規(guī)格的常規(guī)修井機(jī)相比，液壓修井機(jī)的整機(jī)干重可以降低28%左右。同時(shí)由于液壓修井機(jī)布置靈活，沒(méi)有井架，提升油缸的占地面積很小，所以使作業(yè)甲板的結(jié)構(gòu)尺寸減少，結(jié)構(gòu)重量大大降低，可降低平臺(tái)一次性投資。

（4）液壓修井機(jī)液壓系統(tǒng)易損件少，可以降低維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用。

可見(jiàn)，液壓修井機(jī)用于海洋平臺(tái)有許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、節(jié)能環(huán)保、零部件使用壽命長(zhǎng)、可降低一次性投資等優(yōu)點(diǎn)，適合海洋平臺(tái)的工作特點(diǎn)。

2 液壓修井機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

國(guó)內(nèi)某廠家初始設(shè)計(jì)的液壓模塊修井機(jī)最大行程為12 m，作業(yè)只能起下單根油管，工作效率較低。該文在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，在滿(mǎn)足載荷和安全性要求的前提下，將其最大行程提高到24 m，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。具體計(jì)算過(guò)程如下。

給定液壓模塊修井機(jī)設(shè)計(jì)最大提升載荷F=90T，液壓系統(tǒng)最高壓力p=15 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=1 900 RPM，油缸活塞桿直徑d=260 mm。

液壓模塊修井機(jī)采用差動(dòng)連接的方式進(jìn)行提升作業(yè)，給定其最大提升速度（差動(dòng)）為V=0.34 m/s。

液壓缸的理論作用力以及供油壓力已知，則無(wú)活塞桿側(cè)的缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算公式為[4]：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：油缸內(nèi)徑D=283.579 796 3 mm，圓整后取。

油缸無(wú)桿腔面積為：

油缸有桿腔面積為：

提升速度為：

下放速度為：

差動(dòng)增速速比為：

下放速度與提升速度速比為：

差動(dòng)工況下系統(tǒng)的最大提升載荷為：

式中：為重力加速度，N/kg；為液壓缸效率，取=0.93。

差動(dòng)工況下所需功率為：

最大速度工況下所需供油量L為：

=1 083.063 54 L/min

最大速度工況下所需油泵最小排量Q為：

Q圓整為430 mL/r。

2.1 油缸設(shè)計(jì)計(jì)算

舉升油缸是液壓修井機(jī)的關(guān)鍵部件，因此液壓修井機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算是非常重要的一個(gè)方面。

給定空心活塞桿的內(nèi)徑 m，缸筒材料選用35#鋼，屈服強(qiáng)度340 MPa，抗拉強(qiáng)度610 MPa。

活塞桿橫截面慣性矩I為：

活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力為：

式中：為安全系數(shù)，通常取3.5～6，此處取。

根據(jù)歐拉公式得出活塞桿的最大允許計(jì)算長(zhǎng)度為：

活塞的最大允許行程S為：

式中：為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，液壓模塊修井機(jī)液壓缸采用一端鉸接，剛性導(dǎo)向，一端剛性固定，因此=2。

2.2 調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)前后液壓修井機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

調(diào)整前后液壓模塊修井機(jī)對(duì)比如表1所示。

調(diào)整前后對(duì)比液壓模塊修井機(jī)特點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

可見(jiàn)，對(duì)液壓模塊修井機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，雖然能滿(mǎn)足更高的要求，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，但是相應(yīng)的整機(jī)重量和能耗等都有所增加。在具體使用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定修井機(jī)的參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓修井機(jī)的國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研，對(duì)其在國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)上應(yīng)用的前景進(jìn)行分析，認(rèn)為液壓修井機(jī)應(yīng)用于海洋平臺(tái)上有許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，適合海洋平臺(tái)的工作特點(diǎn)。對(duì)液壓修井機(jī)的行程、油缸尺寸、油泵排量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足載荷要求和安全性的前提下，提高了其行程以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。優(yōu)化調(diào)整后的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足更高的作業(yè)要求，可提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，但是相應(yīng)的整機(jī)重量和能耗等都有所增加，在具體使用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定修井機(jī)的參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧心懌，潘偉，張愛(ài)恩，等.具有節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)的液壓蓄能修井機(jī)[J].石油機(jī)械，2003，31（增刊）：42-44.

[2] 王運(yùn)安，牛文杰，李寶蘊(yùn).全自動(dòng)智能液壓修井機(jī)研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45（4）：69-73.

[3] P.Ohia，R.Aguta，Owerri.A Review of Hydraulic Workover Operations in Nigeria[Z].SPE100839， Presented at the 2006 SPE International Oil&Gas Conference and Exhibition in China held in Beijing， China，5-7 December 2006.

[4] 章宏甲，黃誼.液壓傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003：66-69.