獨立式液壓伸縮三節(jié)井架的研制

摘要：我公司研制的29m獨立式全液壓伸縮三節(jié)井架，為業(yè)內(nèi)首套全液壓伸縮的三節(jié)井架，其克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，運輸長度更小、起升過程安全便捷、作業(yè)配套成本大幅降低，為長慶油區(qū)存量很大的履帶式通井機提供了配套井架設(shè)備支撐。后續(xù)可推廣應(yīng)用到車載鉆修設(shè)備上。

關(guān)鍵詞：獨立式;液壓伸縮;三節(jié)井架;長慶地區(qū)

1. 背景技術(shù)

目前，石油天然氣行業(yè)修井設(shè)備主要采用自走式車裝修井機。然而在我國四川油田、長慶油田等地的油氣井多位于山區(qū)、丘陵地帶，油區(qū)道路運輸條件較差，常規(guī)的自走式車載修井機因為越野能力、轉(zhuǎn)彎半徑等原因，導(dǎo)致其通過性不佳、無法適應(yīng)該類地區(qū)的作業(yè)環(huán)境。

根據(jù)市場調(diào)研分析，油區(qū)為解決這一問題，所采取的主流解決方案如下：使用一種通過性極好的履帶式通井機替代常規(guī)修井機的絞車，配合一種獨立式兩節(jié)銷接或栓接式井架，該井架運輸時兩節(jié)折疊用平板車拖運，作業(yè)時先使用吊車協(xié)助將上下兩節(jié)連接在一起、然后整吊至一種專用井架立放車的托架上，借助井架立放車上的起升油缸推動托架起升井架到位，最后打好繃繩，井架立放車收回托架后自行駛離，履帶式通井機到位進行修井作業(yè)。該解決方案存在的主要問題如下：

1.獨立式兩節(jié)銷接或栓接的井架運輸長度較大：凈空高為29米的兩節(jié)銷接或栓接井架，運輸狀態(tài)兩節(jié)折疊后的總長度約為15.8米，平板拖車運輸時轉(zhuǎn)彎半徑較大;

2.將折疊在一起的上下兩節(jié)井架進行連接的過程費時費力，將連接在一起的井架整吊至井架立放車托架的過程安全風(fēng)險高;

3.配備的井架立放車成本高昂：常規(guī)的井架立放車主要由二類底盤、液壓油箱、前支撐、后支撐、井架托架、起升油缸、鎖緊油缸、調(diào)節(jié)油缸等組成，成本較為昂貴。

據(jù)實地了解，目前在長慶油區(qū)，這種處在服役期的履帶式通井機存量很大，為充分且安全地利用該設(shè)備資源，亟需研發(fā)一種全新的獨立式修井井架產(chǎn)品。

2. 井架技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

為解決該問題，我公司設(shè)計了一種獨立式全液壓伸縮三節(jié)井架，井架主體結(jié)構(gòu)由井架下體、中體、上體組成，均設(shè)計為前開口式桁架結(jié)構(gòu)、互相套合，同時留出上體、中體的伸縮油缸及其扶正機構(gòu)的安裝空間。井架上體與中體、中體與下體采用兩種不同類型的鎖銷，即井架下體與中體之間采用由外向內(nèi)翻的液壓動作鎖銷，井架上體與中體之間采用常規(guī)的由內(nèi)向外翻的機械自動鎖銷[1]，整體結(jié)構(gòu)合理、布局緊湊。

獨立式液壓伸縮三節(jié)井架及配套天車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其合套截面圖如圖1所示。

3. 井架的應(yīng)力分析

JJ120/29-W獨立式液壓伸縮三節(jié)井架在結(jié)構(gòu)設(shè)計、截面尺寸、型材規(guī)格等方面均進行了全新開發(fā)，井架作為API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》會標產(chǎn)品，需遵照規(guī)范對其進行結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性等方面的分析。

三節(jié)井架的上體、中體、下體均由矩形管桿件焊接而成，上體工作時插入中體一段，由中體部分支持，相應(yīng)的中體工作時插入下體一段，由下體部分支持，根據(jù)這一特征，我們把上、中、下體部分都簡化成空間鋼架模型[2]。載荷方面，根據(jù)API Spec 4F要求，將自重、鉤載、抽油桿載荷、立根載荷、風(fēng)載荷組合為5種工況;邊界條件方面，井架下體鉸接點銷軸耳板連接處放開旋轉(zhuǎn)自由度，各繃繩下部點給予固定約束、上部點放開旋轉(zhuǎn)自由度，模擬為只受拉的構(gòu)件單元。

通過仿真計算求解，過程中考慮P-Δ和P-δ效應(yīng)、結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷、剛度折減等因素，讀取井架整體結(jié)構(gòu)計算輸出結(jié)果，各構(gòu)件在上述組合載荷工況下單元綜合強度及整體穩(wěn)定性均可滿足API Spec 4F規(guī)范要求;同時，對井架各關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵連接焊縫、關(guān)鍵銷軸連接、管材連接等進行手工計算，均可滿足AISC 360-16規(guī)范要求。

4. 井架的安裝和起放

獨立式全液壓伸縮三節(jié)井架安裝及起放步驟如下：通過吊車整體起吊并與預(yù)埋在井口附近錨坑中的井架基礎(chǔ)銷接，然后吊車繼續(xù)起吊井架頂部至接近工作位置;其次將井架下體頂部的四根繃繩連接好，摘除井架下體與井架中體、井架中體與井架上體間的鎖定銷;開啟液壓站使其正常工作，操作下體的雙伸縮油缸舉升井架中體及上體，到位后操作下體的液缸鎖銷由外向內(nèi)插至工作位置;然后操作中體的單伸縮油缸舉升井架上體，到位后上體的機械式鎖銷由內(nèi)向外插至工作位置;最后按照繃繩圖掛好各繃繩并調(diào)整張力，至此井架安裝及起升完成，履帶式通井機到位穿好大繩即可開始修井作業(yè)。

5. 現(xiàn)場應(yīng)用及結(jié)語

本井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其作業(yè)方法獲得2項國家發(fā)明專利授權(quán)（公開號CN 109611031 A與CN 109577866 A）。作為業(yè)內(nèi)首套全液壓伸縮式三節(jié)井架，自2016年9月在川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司使用至今，用戶反饋服役狀況良好，尤其是對部分道路運輸條件較差的井位具有很好的適應(yīng)性，極大地克服了現(xiàn)有技術(shù)中的如下缺陷：

1.運輸長度更小、道路運輸性能更佳：運輸狀態(tài)總長度僅為12.8米，比同凈空高度的兩節(jié)銷接或栓接式井架的運輸長度短約3.0米;

2.安裝過程更為便捷、安全：三節(jié)伸縮式井架只需吊車起吊合套在一起的井架并扶正即可，此過程比更為便捷、安全，更符合油田的安全要求;

3.經(jīng)濟性更佳：配備的液壓站可以一對多地完成井架的起升、下放作業(yè)，但其綜合成本比專用井架起放車更加便宜，能夠顯著提高經(jīng)濟性。

本井架的研制得到川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司的大力支持與協(xié)助，在此表示衷心地感謝！

參考文獻：

[1]徐軍 《車裝鉆修機三節(jié)井架的研制》 2003年 第31卷 特刊 《石油機械》

[2]常玉連，劉玉泉 《鉆井井架、底座的設(shè)計計算》 北京：石油工業(yè)出版社，1992：163～164

作者簡介：方剛，1987.7，男，漢，湖北孝感，本科，中級工程師，車裝鉆修設(shè)備配套及井架設(shè)計。