液壓修井機行程參數(shù)優(yōu)化設計

周超++楊向前++鄭清華++郭華

摘 要：該文通過對液壓修井機的工作特點分析和對其在國外應用現(xiàn)狀的調(diào)研，對其在國內(nèi)海洋平臺上應用的前景進行了分析。認為液壓修井機應用于海洋平臺上有許多得天獨厚的優(yōu)點，適合海洋平臺的工作特點。對液壓修井機的行程、油缸尺寸、油泵排量等參數(shù)進行了優(yōu)化設計，在滿足載荷要求和安全性的前提下，提高了其行程以滿足生產(chǎn)需要，調(diào)整后的設計能滿足更高的作業(yè)要求，可提高現(xiàn)場作業(yè)效率。

關鍵詞：液壓修井機 油缸 游動行程

中圖分類號：TE93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0084-03

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

液壓修井機的結構及工作方式與常規(guī)修井機有較大區(qū)別。與常規(guī)修井機相比，液壓修井機的提升系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)更加簡單，液壓修井機取消了常規(guī)修井機的井架、游車、天車、絞車、變速傳動箱等裝置，全部采用液壓控制，通過液壓系統(tǒng)完成大鉤的起下[1]。此外，液壓修井機還具有重量輕、體積小、結構緊湊、給進力大、傳動平穩(wěn)、操縱簡便以及易實現(xiàn)無級變速和自動控制等工作特點，實現(xiàn)了生產(chǎn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的目的[2]。

1 海上應用分析

從國外的情況來看，液壓修井機的前身不壓井修井機，早在20世紀60年代就開始在北海油田應用，現(xiàn)在意義的液壓修井機的應用是從20世紀90年代開始的。比如，尼日利亞的海上石油開發(fā)中使用液壓修井機進行作業(yè)已經(jīng)有近10年的歷史，在國外石油公司提供技術幫助和人員培訓的前提下，其本土的Tecon Oil Service公司生產(chǎn)提供的液壓修井機在實踐中經(jīng)過不斷完善，被證明可以高效完成作業(yè)，達到了安全環(huán)保標準，完全滿足使用要求。與常規(guī)修井機相比，可以節(jié)省20%～50%的費用[3]。分析認為，主要是由于以下幾方面費用的降低。

（1）動復員費用。

（2）人員，后勤保障費用。

（3）減少井架起降時間所節(jié)約的費用。

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

目前國內(nèi)還沒有在海洋平臺上使用液壓修井機的先例。該文對其在國內(nèi)海洋平臺上的應用前景進行了分析。

液壓修井機重量輕，占地面積小的工作特點，可放置在中小型井口平臺（簡易平臺）上，進行邊際油田、小油氣構造的開發(fā)，能夠有效降低開發(fā)成本。目前海上已發(fā)現(xiàn)多個待開發(fā)的邊際小油田，邊際油田將主要采用無人平臺的方式進行開發(fā)。各個海域目前也建有一些無修井機平臺，且數(shù)量還會繼續(xù)增加。適合用液壓修井機進行作業(yè)的平臺較多。針對液壓修井機的海上應用進行的分析如下。

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

（2）因為平臺一般都設有一套液壓系統(tǒng)，液壓修井機可以與之共用一套液壓源，降低了平臺的一次性投資。

（3）與同規(guī)格的常規(guī)修井機相比，液壓修井機的整機干重可以降低28%左右。同時由于液壓修井機布置靈活，沒有井架，提升油缸的占地面積很小，所以使作業(yè)甲板的結構尺寸減少，結構重量大大降低，可降低平臺一次性投資。

（4）液壓修井機液壓系統(tǒng)易損件少，可以降低維護、保養(yǎng)費用。

可見，液壓修井機用于海洋平臺有許多得天獨厚的優(yōu)點，它具有結構簡單、工作安全可靠、節(jié)能環(huán)保、零部件使用壽命長、可降低一次性投資等優(yōu)點，適合海洋平臺的工作特點。

2 液壓修井機設計優(yōu)化

國內(nèi)某廠家初始設計的液壓模塊修井機最大行程為12 m，作業(yè)只能起下單根油管，工作效率較低。該文在原有設計基礎上進行了調(diào)整，在滿足載荷和安全性要求的前提下，將其最大行程提高到24 m，以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。具體計算過程如下。

給定液壓模塊修井機設計最大提升載荷F=90T，液壓系統(tǒng)最高壓力p=15 MPa，發(fā)動機轉(zhuǎn)速=1 900 RPM，油缸活塞桿直徑d=260 mm。

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

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

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

油缸無桿腔面積為：

油缸有桿腔面積為：

提升速度為：

下放速度為：

差動增速速比為：

下放速度與提升速度速比為：

差動工況下系統(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 油缸設計計算

舉升油缸是液壓修井機的關鍵部件，因此液壓修井機設計計算過程中，油缸的設計計算是非常重要的一個方面。

給定空心活塞桿的內(nèi)徑 m，缸筒材料選用35#鋼，屈服強度340 MPa，抗拉強度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算長度為：

活塞的最大允許行程S為：

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

2.2 調(diào)整設計參數(shù)前后液壓修井機特點對比

調(diào)整前后液壓模塊修井機對比如表1所示。

調(diào)整前后對比液壓模塊修井機特點對比如表2所示。

可見，對液壓模塊修井機參數(shù)進行調(diào)整后，雖然能滿足更高的要求，提高現(xiàn)場作業(yè)效率，但是相應的整機重量和能耗等都有所增加。在具體使用中，應根據(jù)實際需要確定修井機的參數(shù)。

3 結語

通過對液壓修井機的國外應用現(xiàn)狀的調(diào)研，對其在國內(nèi)海洋平臺上應用的前景進行分析，認為液壓修井機應用于海洋平臺上有許多得天獨厚的優(yōu)點，適合海洋平臺的工作特點。對液壓修井機的行程、油缸尺寸、油泵排量等參數(shù)進行了優(yōu)化設計，在滿足載荷要求和安全性的前提下，提高了其行程以滿足生產(chǎn)需要。優(yōu)化調(diào)整后的設計能滿足更高的作業(yè)要求，可提高現(xiàn)場作業(yè)效率，但是相應的整機重量和能耗等都有所增加，在具體使用中，應根據(jù)實際需要確定修井機的參數(shù)。

參考文獻

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

[2] 王運安，牛文杰，李寶蘊.全自動智能液壓修井機研制[J].石油礦場機械，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[M].機械工業(yè)出版社，2003：66-69.