FYQ-60防噴器移動裝置故障分析及改進

何玉茍，何德磊，陳勝根，萬永乾，杜 昆，李立鵬

（中海油田服務股份有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

近年來，固定式海洋石油平臺模塊鉆機在開發(fā)海洋石油方面得到普遍應用和推廣，南海東部新建模塊鉆機日益趨多。固定式海洋石油平臺一般設計有多個井槽，井槽設計主要以4×4排布或4×6排布為主。模塊鉆在進行鉆完井作業(yè)期間，分別通過上底座爬行器和下底座爬行器進行移井位作業(yè)，實現(xiàn)模塊鉆機在整個井槽排布之間進行移動和切換井口進行開發(fā)井鉆完井作業(yè)，在后期的修井作業(yè)期間也需要進行移井位作業(yè)。防噴器組是用以控制井口壓力的關鍵設備，每當切換井位、不同井段需要下套管或檢修防噴器組等井口作業(yè)時，需要通過防噴器移動裝置起吊防噴器組并將防噴器組坐回試壓樁。由于防噴器和移動裝置都是關鍵設備，為了追求鉆完井作業(yè)時效，在早些年，一般選用進口歐美知名品牌的防噴器移動裝置，隨著海洋石油模塊鉆機設備國產化進程的不斷推進，國產FYQ-60防噴器移動裝置于2021年首次在南海東部海域某油田新建模塊鉆機項目上成功應用。在該模塊鉆機項目的開發(fā)井鉆井作業(yè)期間，防噴器移動裝置出現(xiàn)提升鏈條卡阻、傳動機構損壞等故障，無法提升、下放和移動防噴器組，導致鉆完井作業(yè)時效受到影響，產生較大非生產時間損失和間接經濟損失（約4萬元/h）。作業(yè)時效是評價鉆完井作業(yè)績效的關鍵指標，對FYQ-60防噴器移動裝置故障產生的原因進行分析和總結提升，為解決故障提供幫助，同時對該裝置提出改進措施并在模塊鉆機上進行實施和驗證，取得較好的應用效果。

1 防噴器移動裝置故障及原因分析

該油田模塊鉆機配備的國產FYQ-60防噴器移動裝置采用2臺額定提升能力為30 t的氣動葫蘆，每臺氣動葫蘆安裝了1個提升氣動馬達和2個行走氣動馬達，通過壓縮空氣驅動。提升氣動馬達通過減速箱和鏈輪驅動提升鏈條，鏈條底部的大鉤可懸掛在防噴器組提升裝置上的吊耳上，實現(xiàn)對防噴器組的起升和下放；行走氣動馬達負責驅動氣動葫蘆在固定的平直軌道上行走，實現(xiàn)防噴器組的移動。氣動控制箱安裝在氣動葫蘆機體上，操作者通過操作遠程氣控手柄上的按鈕實現(xiàn)防噴器移動裝置的操作。

1.1 故障情況及處理

國產FYQ-60防噴器移動裝置首次在南海東部海域某油田新建模塊鉆機項目上應用，發(fā)生故障時，鉆井井深約3800 m，正由12-1/4英寸井眼轉8-1/2英寸井眼作業(yè)，此時為滿足井口作業(yè)需求，需將防噴器組吊離井口并坐回試壓樁。故障現(xiàn)象為防噴器移動裝置靠平臺南側的氣動葫蘆突然無法下放和上提，防噴器組被懸掛在半空，導致井口作業(yè)和鉆井作業(yè)無法繼續(xù)，由于該防噴器移動裝置未配備應急懸掛系統(tǒng)，在提升葫蘆無法工作時，平臺維修人員只能通過其他方式將約28 t的防噴器組起吊穩(wěn)固后再對提升氣動葫蘆進行檢查和維修。

檢查發(fā)現(xiàn)提升鏈條被卡阻在氣動葫蘆的鏈條進出口位置，鏈輪無法轉動，由于該氣動葫蘆未配備故障情況下自動切斷氣源的保護裝置，提升氣動馬達持續(xù)工作導致齒輪減速機構和鏈輪損壞。因井口位置進行氣動葫蘆維修是高空作業(yè)，需要搭設腳手架才能進行，故維修減速箱和鏈輪整個維修過程造成超過24 h的停工損失，直接和間接經濟損失超過100萬元。

1.2 故障原因分析

根據設備損壞情況及作業(yè)現(xiàn)場維修情況進行分析，導致該裝置產生故障的原因主要有以下3方面：

（1）導鏈架設計不合理。額定提升能力30 t的氣動葫蘆采用的是重負荷鍍銅防爆鏈條，鏈條規(guī)格為18×54，最小破斷拉力410 kN。導鏈架的出入口設計不合理，鏈條不能順利通過導鏈架進入鏈輪，是導致鏈條卡阻的直接原因，接著就會導致鏈輪無法轉動。

（2）缺少卡鏈條停車保護裝置。氣動葫蘆配備壓縮空氣驅動的氣動馬達及常閉式剎車，如果該防噴器移動裝置配備卡鏈條停車保護裝置，則不會導致齒輪箱和鏈輪受損的情況發(fā)生，也會大大減小現(xiàn)場維修難度和縮短維修時間，在很大程度上減少非生產時間損失。故而非常有必要對其進行技術改進。

（3）缺少應急懸掛裝置。7000 m海洋石油模塊鉆機所用防噴器組重量一般在25～30 t，該油田防噴器組重量約28 t，如果在起吊并移動防噴器組過程中出現(xiàn)氣動葫蘆故障導致無法提升、下放現(xiàn)象，若沒有應急懸掛裝置對防噴器的重量進行轉移就進行氣動葫蘆的維修則存在防噴器組滑落至井口甲板等非常大的作業(yè)安全風險，甚至可能給作業(yè)人員帶來人身傷害。若增加應急懸掛裝置，則可以快速轉移防噴器組的重量，快速對故障的氣動葫蘆進行維修，也可以大大縮短維修時間，減少非生產時間損失。

2 改進措施及實施

2.1 技術改進思路和方向

作業(yè)時效是評價鉆完井作業(yè)績效的關鍵指標，防噴器移動裝置作為一個特殊的井控關鍵設備，其維修造成非生產時間損失導致的鉆完井間接經濟損失或可遠大于設備維修本身的直接經濟損失。所以，提高防噴器移動裝置的可靠性、降低故障頻率是首先要考慮的因素。其次，防噴器移動裝置在設計時應盡可能考慮故障停車等安全保護裝置實現(xiàn)故障停機以實現(xiàn)對驅動馬達、減速機構等零部件的保護，如此可以減少非易損件的損壞，減小維修范圍和降低維修難度。另外，當設備發(fā)生故障，如何能更安全、更高效地進行故障排除和修復，盡量減少非生產時間損失，也是在設計和改進防噴器移動裝置這種特殊的鉆完井關鍵設備時應考慮的重要因素。

2.2 改進措施的提出和實施

（1）導鏈架的改進。為了使重負荷鏈條能順利出入導鏈架進入鏈輪或排入鏈條存放籃，結合鏈條的特點和運動軌跡，取最優(yōu)計算和選型，通過反復改進設計模型和加工制作試驗品進行試驗，得出了1個鑄造和焊接成型的一體式導鏈架模型，改進后的導鏈架本體模型如圖1所示。

圖1 改進后的導鏈架本體模型

該導鏈架增加專用的鏈條入輪引導模塊，懸掛安裝在驅動鏈輪下方，其形狀和內空模型設計剛好適合該氣動葫蘆提升鏈條順利通過。同時增加空鏈條引導進入鏈條存放籃的模型，改變鏈條進入導鏈架的角度，不僅優(yōu)化起升、下放鏈條的運動方向，也有利于避免氣葫蘆在沒有負載時由于鏈條剛性導致的鏈條堆積情況。在此基礎上，為導鏈架增加一根限位桿，為下一步實現(xiàn)卡鏈條停車保護裝置功能的實現(xiàn)提供前提條件。

（2）加裝停車保護裝置。設計和加裝停車保護裝置是在負載端出現(xiàn)卡鏈條等故障時，能實現(xiàn)自動切斷氣動馬達和常閉式剎車的氣源，以保護氣動馬達和齒輪減速箱等設備，同時實現(xiàn)應急剎車。結合氣動葫蘆的自身的氣控原理，設計一套停車保護裝置接入氣動葫蘆的氣控系統(tǒng)中，停車保護裝置控制原理如圖2所示。停車保護裝置主要包括行程開關、兩位三通頂桿滾輪閥（圖中安全限位閥）、氣控管線、快速放氣閥、彈簧、彈簧座等。

圖2 停車保護裝置控制原理

停車保護裝置的啟動是利用改進后的導鏈架自帶的限位桿來觸發(fā)，由于導鏈架是采用一端銷軸式懸掛安裝，另一端為自由端可以在一定行程范圍內上行，當出現(xiàn)卡鏈條故障時，在負載的作用下鏈條就會帶動導鏈架一同上行，直至導鏈架尾部限位桿觸碰到行程開關，使兩位三通頂桿滾輪閥動作，實現(xiàn)氣路切換，進而控制氣動馬達主控氣路，實現(xiàn)切斷氣動馬達氣源和剎車功能。為了防止鏈條微小外力或阻力造成的卡鏈條假象而導致誤動作停車，在兩位三通頂桿滾輪閥的另一端裝有一個彈簧，彈簧的預壓縮量可以調節(jié)，可以有效避免空載鏈條動作不順或其他微小外力導致的誤動作。

出于下放總行程限位功能的考慮，將一個鏈條限位塊安裝在設定長度的鏈條尾部相應位置，當鏈條下放到預設最下限位置時，限位塊會造成“卡鏈條”一樣的故障現(xiàn)象使得停車保護裝置觸發(fā)而停車，實現(xiàn)下限位保護。如此可通過停車保護裝置即可實現(xiàn)卡鏈條保護，又可實現(xiàn)下限位保護，結構簡單、增加的零部件少，經過試驗驗證，該裝置安裝簡便、觸發(fā)精準、保護功能可靠。

（3）增加應急懸掛裝置。為了最大限度減小設備維修對鉆完井作業(yè)時效的影響，結合現(xiàn)場維修條件，當氣動葫蘆等部件發(fā)生故障需要維修時能更安全、更高效地進行故障排除和修復，同時降低作業(yè)安全風險，需要將防噴器的重量從主鉤上轉移后才能進行維修作業(yè)。應急懸掛裝置由4組安全鏈條和懸掛吊耳組成。在2臺氣動葫蘆的前后兩側各增加1組26×78的安全鏈條和17 t懸掛吊耳，采用銷軸連接，應急需要時，現(xiàn)場操作簡便，不用時可以拆下，不影響正常使用。

3 結束語

防噴器移動裝置是和防噴器同等關鍵的特殊設備，發(fā)生故障時維修不便，作業(yè)風險非常高，其維修作業(yè)屬于占井口作業(yè)，對鉆完井作業(yè)時效影響很大。通過對FYQ-60防噴器移動裝置故障處理情況和故障原因的分析，總結經驗，同時為了降低設備故障頻率，提高維修效率和降低維修作業(yè)風險，發(fā)現(xiàn)該設備裝置設計制造時的不合理之處并提出改進措施，使該平臺模塊鉆機防噴器移動裝置平穩(wěn)、安全運行，得到驗證并取得很好的應用效果。

實踐證明，通過故障處理、分析原因、提出并成功實施改進措施，改進后該裝置在現(xiàn)場使用故障頻率降低90%以上，維修效率明顯提高。在今后FYQ系列防噴器移動裝置在故障處理方面具有非常重要的實踐指導意義，為國產防噴器移動裝置制造商進行技術改進和提高設備可靠性提供有利的參考。提出的改進方法在同系列產品設計和技術改進方面有推廣價值。