DYJ250海洋液壓修井機(jī)的設(shè)計(jì)

劉亮，徐文江，張有鋒，呂慧敏，張小丹，劉均讓，王琳

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司，北京 100010；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

浩瀚的海洋，占據(jù)了地球表面積的2/3以上。海底蘊(yùn)藏的石油資源約占地球石油總資源的60%以上。海洋作為一個(gè)有巨大開發(fā)潛力的寶藏，將是我國(guó)石油發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重點(diǎn)。液壓修井機(jī)可有效提高海洋油氣田采收率，助力油田增產(chǎn)[1]，其自身具有的帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)收益增長(zhǎng)和助力國(guó)家海洋油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)的特性，對(duì)滿足國(guó)家能源戰(zhàn)略需求具有深遠(yuǎn)的意義[2]。

液壓修井機(jī)主要用于常規(guī)修井作業(yè)和帶壓作業(yè)，其在國(guó)外的陸地及海洋領(lǐng)域均已得到了廣泛的應(yīng)用[3]。目前在國(guó)內(nèi)該種形式的液壓修井機(jī)已在陸地領(lǐng)域得到了大范圍的推廣[4-5]，但在海洋平臺(tái)上國(guó)產(chǎn)液壓修井機(jī)目前還未得到應(yīng)用[6]。

為突破國(guó)外海洋液壓修井機(jī)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋液壓修井作業(yè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，保障海洋油氣的勘探開發(fā)，中海油田服務(wù)股份有限公司與寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司聯(lián)合研制了首臺(tái)國(guó)產(chǎn)海洋液壓修井機(jī)，最大舉升能力2500 kN。根據(jù)海洋平臺(tái)的實(shí)際工況和需求，整套設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，具有設(shè)備質(zhì)量輕、占地面積小、作業(yè)能力強(qiáng)，移運(yùn)拆裝快速等優(yōu)點(diǎn)，主要用于海洋平臺(tái)的常規(guī)修井作業(yè)，可滿足不同平臺(tái)的作業(yè)需求。

1 海洋液壓修井機(jī)設(shè)計(jì)

DYJ250液壓修井機(jī)主要包括主機(jī)、動(dòng)力單元組成。主機(jī)是液壓修井機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和執(zhí)行元件，可以實(shí)現(xiàn)油管和井下工具的起下鉆以及磨銑等作業(yè)。作業(yè)時(shí)安裝于井口之上，吊裝時(shí)用專用吊裝鎖具整體吊裝。動(dòng)力單元集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，吊裝運(yùn)輸方便快捷。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

DYJ250海洋液壓修井機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵部件包括主體裝置、上下平臺(tái)、上承載板、下承載板、轉(zhuǎn)盤、卡瓦、桅桿、液壓動(dòng)力源、平移裝置等。

平移裝置安裝在箱型導(dǎo)軌上，箱型導(dǎo)軌與現(xiàn)有平臺(tái)導(dǎo)軌連接，平移裝置上安裝有主體裝置，主體裝置是液壓修井機(jī)的主要執(zhí)行部件，通過舉升油缸和卡瓦組的配合來實(shí)現(xiàn)鉆柱的提升和下放，通過轉(zhuǎn)盤和卡瓦的交替配合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。通過平移裝置上的滑移裝置實(shí)現(xiàn)海洋液壓修井機(jī)在橫縱向方向上的快速移動(dòng)，不需設(shè)置繃?yán)K，適應(yīng)海洋平臺(tái)作業(yè)多種布置要求。

海洋液壓修井機(jī)配置有3種類型的卡瓦，適應(yīng)不同平臺(tái)多種工況下的起下鉆修井作業(yè)要求?？ㄍ甙惭b位置可調(diào)。全液壓互鎖，防止誤操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備本質(zhì)安全，配有急停功能，保證作業(yè)安全。

箱型導(dǎo)軌分段設(shè)計(jì)，可自由組合以適應(yīng)不同平臺(tái)導(dǎo)軌跨度要求，安裝在主體裝置上的固定卡瓦安裝座高度可調(diào)節(jié)，安裝有全行程反轉(zhuǎn)矩裝置來傳遞井內(nèi)管柱的轉(zhuǎn)矩，在旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)將井內(nèi)管柱的反轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)傳遞到作業(yè)機(jī)主機(jī)的主體裝置上，防止在旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)對(duì)主體裝置上液壓油缸的損壞，實(shí)現(xiàn)液壓修井機(jī)作業(yè)安全，滿足不同平臺(tái)作業(yè)。

1.2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

最大提升載荷為2500 kN；最大下壓載荷為1100 kN；主體通徑為368 mm；適應(yīng)管柱直徑范圍為38～245 mm；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為35 kN·m；最大起升速度為0.7 m/s；環(huán)境溫度為-19～＋45 ℃；風(fēng)速：操作工況（滿鉤載）29.8 m/s，非預(yù)期風(fēng)暴自存工況（無鉤載）47.8 m/s，預(yù)期風(fēng)暴自存工況（無鉤載）67 m/s。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)計(jì)算

海洋液壓修井機(jī)的下承載板、上承載板、卡瓦座、反轉(zhuǎn)矩裝置作為液壓修井機(jī)的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。

2.1 下承載板

2.1.1 計(jì)算分析及條件

下承載板坐放在液壓修井機(jī)下部，采用鋼板焊接而成，主要承受卡瓦下壓力，液缸上提力為250 kN。下承載板底部放置在下平臺(tái)上，建立幾何模型，確定笛卡爾坐標(biāo)系，進(jìn)行詳細(xì)網(wǎng)格劃分，確定載荷邊界條件為承受來自卡瓦的下壓載荷250 kN。下承載板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬與厚度方向之比大于10，采用為殼單元進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

下承載板的最大應(yīng)力為240.9 MPa，考慮安全系數(shù)1.67，下承載板使用材料為Q460D，因此名義屈服應(yīng)力為251 MPa，應(yīng)力最大值小于材料名義屈服應(yīng)力。因此下壓工況時(shí)，下承載板強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 DYJ250海洋液壓修井機(jī)的設(shè)計(jì)

圖2 下壓工況應(yīng)力分布云圖

2.2 上承載板

2.2.1 計(jì)算分析及條件

上承載板坐放在液壓修井機(jī)下部，主要承受液缸的45 kN下壓力。建立幾何模型，確定笛卡爾坐標(biāo)系，使用四面體網(wǎng)格劃分單元，局部區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，進(jìn)行詳細(xì)網(wǎng)格劃分，確定載荷邊界條件為上承載板承受來大鉗吊臂的下壓載荷，大鉗吊臂受下壓力為45 kN。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

下壓工況時(shí)，上承載板的最大應(yīng)力為116.58 MPa，主要位于上承載板與大鉗吊臂承載板的連接處，考慮安全系數(shù)1.67，下承載板使用材料為Q235D，因此名義屈服應(yīng)力為140 MPa，應(yīng)力最大值小于材料的屈服強(qiáng)度。因此下壓工況時(shí)，上承載板強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 下壓工況應(yīng)力分布云圖

2.3 卡瓦連接板

2.3.1 計(jì)算分析及條件

卡瓦連接板位于在液壓修井機(jī)中部，通過銷軸連接，承受下壓載荷250 kN。建立幾何模型，確定笛卡爾坐標(biāo)系，對(duì)卡瓦連接板和液缸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定載荷邊界條件為承受卡瓦及管柱質(zhì)量,載荷為承受下壓載荷250 kN。液缸底部通過螺栓連接在下基板上，將液缸底部視為固定約束，卡瓦連接板和液缸耳板為鉸接。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

在卡瓦連接板承載250 kN下壓載荷時(shí)，其最大應(yīng)力為202 MPa，主要位于卡瓦橫板與連接耳板交接處，液缸最大應(yīng)力為184 MPa，位于與卡瓦連接耳板處，主承載部件安全系數(shù)取1.67?？ㄍ哌B接板、液缸連接板使用材料為Q355D，因此名義屈服應(yīng)力為210 MPa，卡瓦連接板、液缸連接板應(yīng)力最大值小于材料的名義屈服強(qiáng)度。因此卡瓦連接板、液缸連接板滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 下壓工況應(yīng)力分布云圖

圖5 液缸應(yīng)力云圖

圖6 卡瓦連接耳板應(yīng)力云圖

3 液壓修井機(jī)承載分析計(jì)算

液壓修井機(jī)主體承載結(jié)構(gòu)主要由上平臺(tái)、下平臺(tái)、桅桿、液缸、主體裝置等部件組成，主體承載材料為Q355D。風(fēng)速：操作工況為29.8 m/s，非預(yù)期風(fēng)暴自存工況為47.8 m/s，預(yù)期風(fēng)暴自存工況為62 m/s。風(fēng)向：0°，45°，90°，135°，180°，250°，270°，315°共8個(gè)方向。

3.1 工況加載

液壓修井機(jī)按照下壓、上提、非預(yù)期風(fēng)暴和預(yù)期風(fēng)暴進(jìn)行了分類，并進(jìn)行了相應(yīng)工況條件下的加載；各工況加載條件如表1所示。

表1 各工況加載條件表

3.2 載荷加載（如圖7）

圖7 載荷加載示意圖

3.3 有限元分析（如圖8～圖11）

圖8 下壓工況應(yīng)力和變形云圖

圖9 上提工況應(yīng)力和變形云圖

圖10 非預(yù)期風(fēng)暴工況下應(yīng)力和變形云圖

圖11 預(yù)期風(fēng)暴工況下應(yīng)力和變形云圖

3.4 小結(jié)

通過以上分析結(jié)果可知，在上提、下壓操作工況下，非預(yù)期風(fēng)暴工況、預(yù)期風(fēng)暴工況下液壓修井機(jī)可安全使用，性能可靠。

4 技術(shù)特點(diǎn)

DYJ250海洋液壓修井機(jī)，最大提升載荷為2500 kN，最大下壓載荷1100 kN，主體通徑為368 mm，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為35 kN·m，采用全液壓控制，主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1）快速安裝及運(yùn)輸?shù)哪K化設(shè)計(jì)。液壓修井機(jī)各模塊可整體吊裝，各模塊之間使用導(dǎo)向定位快速連接結(jié)構(gòu)形式，安裝方便快捷。

2）無繃?yán)K式導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)。叢式井作業(yè)時(shí)液壓修井機(jī)主機(jī)安裝在平移裝置上，采用導(dǎo)軌安裝，針對(duì)平臺(tái)空間小、設(shè)備多，繃?yán)K影響吊裝且滑移時(shí)無繃?yán)K固定點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無繃?yán)K結(jié)構(gòu)。液壓修井機(jī)整機(jī)高度低、抗風(fēng)性好，各部件間采用銷軸連接。

3）全行程反轉(zhuǎn)矩裝置。液壓修井機(jī)旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)通過反轉(zhuǎn)矩裝置傳遞轉(zhuǎn)矩以保護(hù)舉升油缸，傳統(tǒng)反轉(zhuǎn)矩裝置行程短，無法實(shí)現(xiàn)全行程旋轉(zhuǎn)作業(yè)。設(shè)置的隨動(dòng)反轉(zhuǎn)矩滑軌，實(shí)現(xiàn)全行程傳遞轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)高效安全作業(yè)。

4）工作窗與主體裝置的集成設(shè)計(jì)。升高窗集成于主體裝置，省去專用工作窗，有效降低整機(jī)高度；固定卡瓦安裝座在主體裝置上高度可調(diào)、可移動(dòng)設(shè)計(jì)，可調(diào)整安裝位置，適應(yīng)多種工況。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司已完成海洋液壓修井機(jī)的制造及廠內(nèi)各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括起吊裝置和吊耳載荷試驗(yàn)、動(dòng)力機(jī)液壓系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)、桅桿總成試驗(yàn)、整機(jī)空負(fù)荷試驗(yàn)、整機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)。各項(xiàng)試驗(yàn)順利完成，海洋液壓修井機(jī)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、安全、可靠。

通過對(duì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)分析計(jì)算進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)的驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果得出各項(xiàng)功能完善、連接合理、運(yùn)行正常。試驗(yàn)驗(yàn)證了海洋液壓修井機(jī)的各項(xiàng)功能和性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求，滿足海洋修井作業(yè)。

6 結(jié)論

本文對(duì)海洋液壓修井機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、主要設(shè)計(jì)參數(shù)、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、主要技術(shù)特點(diǎn)、試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。完成了海洋液壓修井機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，攻克了海洋液壓修井機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，減少安裝單元，適應(yīng)多種平臺(tái)作業(yè)；采用輕量化設(shè)計(jì)，滿足多種吊機(jī)吊裝；模塊間采用快速定位連接，快速拆裝；采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該機(jī)具有模塊化、質(zhì)量輕、占地面積小、適應(yīng)性強(qiáng)、快速作業(yè)、拆裝方便、安全可靠等特點(diǎn)。海洋液壓修井機(jī)的制造及廠內(nèi)各項(xiàng)試驗(yàn)證明各項(xiàng)性能滿足平臺(tái)使用要求，有效解決了海洋油氣田修井成本高、作業(yè)效率低等重大問題。