舉升滾動式修井機滑移卡阻分析與設計優(yōu)化

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(中海油能源發(fā)展股份有限公司裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

海洋平臺修井機的滑移系統(tǒng)主要工作原理為液壓傳動，即通過液壓缸提供推力和拉力推動修井機克服摩擦阻力完成滑移活動。根據(jù)修井機與平臺滑軌之間摩擦阻力的不同，海洋平臺修井機滑移系統(tǒng)主要可分為以滑動摩擦為主要摩擦類型的插入式棘爪滑移系統(tǒng)和以滾動摩擦為主要摩擦類型的舉升滾動式滑移系統(tǒng)，見圖1。

圖1 舉升滾動式滑移系統(tǒng)組成[1]

近年來，插入式棘爪滑移系統(tǒng)以其經(jīng)濟性和可操作性的優(yōu)勢逐漸成為修井機滑移系統(tǒng)配置的主流。但由于舉升滾動式滑移系統(tǒng)對滑軌截面參數(shù)、形位偏差方面要求相對不高，且適配性極強，仍常見于可搬遷式修井作業(yè)模式中。

1 修井機滑移影響因素

修井機的舉升滾動式滑移方式中，修井機本體相對滾排采用滾動摩擦，而舉升油缸底座相對平臺滑軌則采用滑動摩擦，兩者之間摩擦阻力差距較大，加大了修井機井架中心對中轉(zhuǎn)盤中心和井口中心的難度，底座結(jié)構(gòu)很難找齊中心線，如果未能及時采取措施,則會進一步造成相關(guān)結(jié)構(gòu)、設備的損壞，甚至會造成修井機底座支腿結(jié)構(gòu)不可逆的塑性破壞。目前中海油部分平臺已出現(xiàn)過舉升滾動式滑移發(fā)生卡阻及破壞現(xiàn)象的情況，如曹妃甸作業(yè)區(qū)域的WHPD平臺(見圖2、3)和WGPA平臺，見圖4、5。

圖2 墊片被頂出，限位導向塊與滑軌上翼緣板嵌接

2 滑移卡阻的成因分析

2.1 對修井機座板的限位失效導致無法控制垂直于滑軌方向的偏移量

表1為曹妃甸11- 6油田WHPD平臺修井機發(fā)生滑移卡阻時檢測出的修井機座板外偏量，其中，最小偏移為東南座板(35、45 mm)，最大偏移為東北座板(80、92 mm)。

表1 CFD11- 6 WHPD平臺修井機下移動底座修井機座板偏移數(shù)據(jù) mm

注：①以平臺北為正北方向，作業(yè)時修井機沿滑軌作南北向滑移；②以上數(shù)據(jù)為座板外緣至滑軌翼板外緣的距離。

由表1可見，整個座板發(fā)生明顯外偏，由此推斷，對修井機座板的限位失效導致了垂直于滑軌方向的偏移過大，再進一步進行分析，造成座板的限位失效有以下兩大原因。

1)修井機座板承受載荷過大，無法有效限制撓度變形。舉升滾動式滑移常見于老舊平臺可搬遷式修井機作業(yè)，考慮到跨平臺作業(yè)的互適性以及平臺總體布置的經(jīng)濟性，在該類平臺甲板上通常未預留泥漿罐位置，在設計時往往將泥漿罐集成于修井機下移動底座支腿內(nèi)側(cè)，修井機座板在承受重載下支點反力較大，限位導向塊不易配合修井機座板有效完成對撓度變形的控制。同時考慮到某些特定作業(yè)的操作便利性，部分修井機集成的泥漿罐之間缺乏必要的剛性連接(見圖6)，泥漿罐遠端彎矩較大，也造成了修井機座板撓度變形的增大。

圖6 泥漿罐之間缺乏必要的剛性連接，導致座板撓度變形增大

2)限位導向塊結(jié)構(gòu)形式不合理，無法完全發(fā)揮限位功能。修井機向不同井位滑移時，限位導向塊螺栓未能扭緊，舉升油缸舉升后，修井機本體與滾排之間滾動摩擦阻力遠小于舉升油缸底座與平臺滑軌之間的滑動摩擦阻力，修井機本體很容易就克服摩擦阻力，彈性變形釋放，進一步推動修井機座板朝滑軌方向外偏。同時，限位導向塊常采用墊片加高的結(jié)構(gòu)，在螺栓未擰緊的情況下，墊片被頂出，未起到限位作用，導致限位導向塊和滑軌同時失效。如圖2中，平臺滑軌內(nèi)側(cè)導向塊墊片被頂出，限位導向塊與滑軌上翼緣板嵌接，該示例是限位導向塊作用失效的典型結(jié)果。

2.2 滑移姿態(tài)不同步造成平行于滑軌方向偏移過大

滑移姿態(tài)不同步不利于控制平行于滑軌方向的偏移量，而同步性累計偏差又進一步導致了滑移卡阻的發(fā)生。

1)支點反力不均衡造成滑移兩側(cè)摩擦阻力不同步。由于總體布置需要，修井機鉆臺面重量分布并不均勻，在滑移至不同井位時，重心調(diào)整較為頻繁，增大了井架對轉(zhuǎn)盤中心、底座中心的對中難度。同時，如果井口區(qū)布置偏向某一側(cè)滑軌，在運行到極限井位時，兩側(cè)支點反力嚴重不平衡，使單根滑軌局部受力過大，造成兩側(cè)摩擦阻力存在明顯差距，也會導致滑移姿態(tài)的不同步[2]。

2)平移油缸不同步使錯位累計形成較大偏移量。修井機向不同井位滑移時，底座連接平移油缸的支座出現(xiàn)側(cè)拉現(xiàn)象，導致舉升油缸底座與下移動座座板發(fā)生干涉，同時，相對側(cè)的油缸連接耳板出現(xiàn)錯位，導致滑移過程出現(xiàn)移動錯位。另外，液壓站到各油缸管線長度存在較大差別，也易造成油缸動作不同步，從而導致移動錯位。隨著滑移作業(yè)的進行，最終形成累計偏差，造成滑移卡阻。

3)操作者很難準確目測修井機的不同步情況。由于修井機采用舉升滾動式滑移，滑軌上沒有步行孔，操作者缺乏參照，難以判斷修井機滑移時的不同步，未能當機立斷采取措施。如圖5中泥漿罐的刮痕，較大程度是因為操作者未能及時發(fā)現(xiàn)滑移已出現(xiàn)故障，繼續(xù)進行作業(yè)，導致了二次破壞的發(fā)生。

2.3 滑軌自身因素加速滑移卡阻的發(fā)生

滑軌老化導致的下沉變形、新老滑軌之間水平度和同軸度的差異、相對側(cè)滑軌之間平行度的差異、滑軌潤滑性下降等滑軌自身因素的存在，也會進一步地造成修井機滑移姿態(tài)的偏移，進而導致滑移卡阻。

3 滑移卡阻的設計優(yōu)化

滑移卡阻可能由其中一個因素或者多個因素造成，因此需要綜合正確的設計手段和操作方法來實現(xiàn)有效預防。

3.1 通過增加連接結(jié)構(gòu)控制擾度變形

采取措施控制底座變形是從受力角度解決滑移卡阻問題的重點，可考慮在兩側(cè)泥漿罐之間增加連桿或者斜撐結(jié)構(gòu)，如在泥漿罐底部增設兩根水平鋼梁，修井機整體形成桁架結(jié)構(gòu)形式，以提高其穩(wěn)定性，從而利于控制底座變形。同時，針對部分特殊作業(yè)的操作便利性，可采用活動式連接(銷軸或螺栓等)，作業(yè)時方便用手動工具拆下，待作業(yè)完成后，再將連接結(jié)構(gòu)復位。

用有限元軟件模擬曹妃甸11- 6 WHPD平臺修井機在限位失效工況下有無連桿時的支腿位移，其中對邊界條件的設置見圖7，以平行于滑軌方向為X方向(東向為正)，以垂直于滑軌方向為Y方向(南向為正)，以垂直于滑軌平面為Z方向(向上為正)，1表示約束，0表示自由。在位工況下，修井機4個支腿處于鎖緊(固定)狀態(tài)，自由度均設置為111 000(簡支)；在限位失效時，部分支腿處于平面自由狀態(tài)，可模擬為放開X、Y方向約束，自由度設置為001 000。

圖7 有限元分析邊界條件的設置

表2為經(jīng)過有限元計算得出的不同失效工況下非約束支腿的X向最大位移結(jié)果，由表中可知，增加連接結(jié)構(gòu)后可有效地限制座板的撓度變形，提高修井機整機穩(wěn)定性。

表2 CFD11- 6 WHPD平臺修井機底座支腿限位失效工況下的有限元模擬對比分析 mm

3.2 通過優(yōu)化限位導向塊結(jié)構(gòu)形式增強限位能力

考慮到潤滑效果和維修便利性，限位導向塊經(jīng)常設計成中間帶墊片的可拆卸結(jié)構(gòu)(見圖8)，但實際操作證明此導向塊形式對限制舉升滾動式滑移的姿態(tài)偏移作用有限，故可將限位導向塊變更為整體式結(jié)構(gòu)(見圖9)，滑移時無須松動內(nèi)側(cè)限位螺栓，仍可保證移動時的限位功能。

圖8 加墊片式限位導向塊

圖9 整體式限位導向塊

同時考慮到限位導向塊與滑軌在失效時很容易產(chǎn)生側(cè)向摩擦，也可將限位導向塊單側(cè)預留足夠的間隙，保證在滑軌變形較大情況下的滑動，防止出現(xiàn)滑移卡阻。

3.3 通過控制支點反力降低修井機對中難度

在前期ODP研究階段，在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟可行性的前提下，減少井口數(shù)量，對稱布置井口，可有效控制滑軌單個支點承受較大反力的情況。在具體設計時，應注意對鉆進臺面總體布局的合理設置，確保載荷平均分布，對承載結(jié)構(gòu)的傳力路徑進行優(yōu)化，均衡支點反力，從而有效提高同步性。

3.4 通過電控系統(tǒng)有效控制油缸的同步性

通常，舉升滾動滑移系統(tǒng)通過電控系統(tǒng)和同步閥等來控制油缸的往返行程，可較好地保證滑移的同步性，但考慮到成本因素，很多修井機的操作閥中未安裝同步閥[3]，導致滑移同步性不易控制。因此加裝必要的操作閥對控制油缸的同步性具有重要的意義。

3.5 通過滑軌結(jié)構(gòu)標準化設計減少滑軌因素影響

針對滑軌自身因素影響滑移卡阻的問題，建議對滑軌及相關(guān)配套結(jié)構(gòu)、設施的要求形成行業(yè)性的規(guī)范文件，對結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)、截面尺寸參數(shù)、焊接精度、度量要求、建造和安裝工藝、后期維保操作等方面形成統(tǒng)一規(guī)定。在設計時嚴格按照規(guī)范、規(guī)定要求進行標準化設計，有利于控制姿態(tài)偏移和卡阻破壞。

3.6 通過設置滑移刻度標識輔助操作者完成同步性觀測

針對操作者很難完成準確目測的情況，可在修井機下移動座合適的位置設置滑移刻度標識，輔助操作者完成同步性觀測。在進行滑移作業(yè)時可以對兩側(cè)滑移進行對比，發(fā)現(xiàn)不同步情況嚴重時，操作者可以適當進行調(diào)整操作，避免不同步造成限位導向塊失效。

4 結(jié)論

由于摩擦類型不同，主流棘爪型滑移方式常見的滑移問題為劃痕和劃傷，而舉升滾動式修井機則更易出現(xiàn)滑移姿態(tài)偏移甚至滑移卡阻。針對滑移問題，國內(nèi)已有相關(guān)專題進行了較深入的研究，但均主要立足于劃痕的成因與對策，對姿態(tài)偏移和卡阻現(xiàn)象反而缺乏探討。然而，滑移卡阻除可能影響正常修井作業(yè)并造成后續(xù)經(jīng)濟損失外，更重要的是，若處理不當可導致主腿結(jié)構(gòu)塑性破壞，從而對平臺使用安全和人員人身安全造成巨大威脅。因此，對滑移卡阻現(xiàn)象進行專題研究，具有一定的前瞻性、實用性和緊迫性，而在成因分析的基礎上有針對性地從設計上進行預防性優(yōu)化，則是避免損失，保證正常作業(yè)，為平臺穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)做出貢獻的行之有效的方法。

[1] 江榮海.海洋修井機滑移系統(tǒng)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2016(14)：153- 154.

[2] 胡澤剛.海洋模塊鉆機滑軌防止劃痕技術(shù)研究[J].中國海洋平臺,2012,27(5)：8- 11.

[3] 張超.海洋修井機移動滑軌劃痕的形成原因和處理方法[J].機械工程師,2012(7)：215- 217.

[4] 王曉雷.海洋鉆修機滑靴優(yōu)化設計[J].石油工程建設,2015,44(5)：62- 64.

[5] 關(guān)雙會,武永清,劉輝，等.海洋修井機改造工程實施方案分析及總結(jié)[J].石油工程建設,2012,38(5)：11- 16.

[6] 關(guān)雙會.海洋鉆修機滑軌標準化研究及應用[J].石油工程建設,2013(2)：22- 28.

[7] 海上石油平臺修井機.第1部分：設計Q/HS 2007.1—2013[S].中國海洋石油總公司，2013.

[8] API Spec 4F.Drilling and well servicing structures [S] 2013.