海洋液壓提升修井機的研究

丁輝 陳金穩 （中海油能源發展油建渤海裝備技術服務分公司 天津300452）

周懷亮 （中海油天津分公司生產部作業室 天津300452）

1 液壓提升修井機發展的現狀

近年來隨著石油工業的飛速發展，石油鉆井設備也取得了長足的進步，石油鉆機先后經歷了從機械驅動到直流電機驅動，再到目前具有代表性的交流變頻電機驅動，但人們一直都在尋求著一種既安全、可靠，又環保、節能，而且便捷的小型修井設備。

20世紀90年代初，美國庫美公司與挪威合資成立的海事液壓公司研制出了海洋9 000 m第一類液壓鉆機，實現了絞車、轉盤、泥漿泵的液壓驅動，隨后幾年由挪威的MH和意大利SoilMec公司生產了另一類液壓鉆機，以液壓油缸實現了大鉤的提升。[1]20世紀90年代中期，中石化勝利石油管理局成功研制了第一臺車載式液壓提升修井機（見圖1），開創了中國研制液壓修井機的先河，繼第一臺液壓提升修井機取得成功后，勝利石油管理局又先后研制了四臺液壓提升修井機，最大鉤載可達50 t。[2]

在中國海洋石油蓬勃發展的今天，由于受平臺承載能力、作業面積等條件的限制，對輕巧、可搬遷式修井機的需求迫在眉睫。中國海洋石油天津分公司與中國石化江漢石油四機械廠于2008年著手聯合研制適用于海洋無人平臺的HXJ90Y液壓模塊修井機，該修井機最大鉤載900 kN，額度鉤載600 kN，最大提升速度1 m/s，液壓舉升凈空高18 m，并配置了動力水龍頭、鐵鉆工等設備。

圖1 勝利石油管理局液壓修井機

2 海洋液壓提升修井機的設計思路

2.1 傳統海洋修井機的概況

海洋修井機是實現修井作業的關鍵設備。修井機是通過下管柱、井內循環作業及旋轉作業來完成對抽油桿、抽油泵等井下設備和工具的使用，實現撈沙、機械清蠟、沖砂、熱洗及循環泥漿等修井作業。[3]

目前中海油天津分公司已經擁有南陽石油二機廠、江漢石油四機廠及川油廣漢宏華等公司生產的HXJ60、HXJ90、HXJ120、HXJ135、HXJ158、HXJ180、HXJ225 等系列修井機。根據修井作業的工況需求及海洋平臺的自身結構特點，海洋石油修井機需具備如下特征[3]：結構合理、緊湊，重量相對較輕；操作方便，安全可靠，故障率低；一定的爬行能力，能夠覆蓋平臺所有井口；穩定的作業工況，能夠克服海洋惡劣氣候；一定的提升和載荷工況；具備循環泥漿工況；具備旋轉、送進作業工況；具備井控防噴作業工況。

2.2 海洋液壓提升修井機設計思路

為了解決中海油天津分公司渤海灣部分無人生產平臺的承載能力、甲板使用面積及修井機的利用率等問題，另外結合當前所宣揚的“節能減排”、“環境保護”等有關倡議，提出適用于海洋的新型液壓提升修井機的設計方案。海洋液壓提升修井機的設計思路如下：為了保證整機的穩定性，液壓提升修井機的整體固定結構仍采用傳統海洋修井機的軌道壓板式固定方式；移動方式仍采用傳統海洋修井機的爬行機構；仍采用傳統海洋修井機的井控防噴作業工況；動力源采用“電機+液泵”的方式；液壓提升修井機采用單根提升作業，降低液壓提升修井機的作業高度，提高整機的穩定性；采取多定滑輪組，獲取較大的提升高度比和提升速度；采用同步液壓油缸（2組或多組）頂升游動梁，實現游車大鉤的起升；采用液壓蓄能裝置，實現節能作業；配置動力水龍頭（配軌道）和鐵鉆工等設備。

2.3 傳統海洋修井機與海洋液壓提升修井機的對比

將傳統海洋修井機與新型海洋液壓提升修井機的性能參數、實用性及經濟性進行參照對比，具體情況見表1：

表1 傳統海洋修井機與新型海洋液壓提升修井機的對比

3 海洋液壓提升修井機的主要技術

3.1 主要驅動形式為液壓驅動

海洋液壓提升修井機的液壓系統為修井機的調整和修井作業提供液壓動力源，配置各種閥件來控制液壓系統壓力，操作各液壓機具，確保液壓系統安全運行，操作安全可靠。液壓執行元件包括兩個舉升液缸、動力水龍頭、全自動井架工、鐵鉆工、兩個井架起升油缸、兩個上移動座移動油缸、兩個下移動座移動油缸、兩臺液壓小絞車。[4]各液壓驅動執行原件見圖2。

圖2 海洋液壓修井機液壓系統執行元件

3.2 采用同步液壓油缸，實現大鉤的起升或下降

海洋液壓提升修井機主要是通過2組或多組同步油缸頂游動梁的方式，來實現游車大鉤的上升或下放，進而實現提升或下放油桿作業，此種提升方式告別了游車大鉤“頂天立地”的作業危險，節省了智能防碰裝置的購置費用。另外，液壓修井機的制動主要是通過液壓節流的方式來實現，避免了傳統手動剎把和液壓盤式剎車方式帶來的摩擦粉塵。[2]

同步液壓油缸的設計、選型依據液壓修井機的額定提升載荷及液壓源所提供的壓力，另外在油缸的設計過程中需考慮滑輪組的提升高度比及油缸安裝的穩定性。

3.3 采用定滑輪組，獲得較大的提升比

海洋液壓提升修井機通過采用多個定滑輪組成的滑輪組來實現較大的提升速率，降低鋼絲繩的承載能力，延長鋼絲繩的壽命。海洋液壓提升修井機的提升系統采用兩根死繩，而沒有快繩，兩根死繩分別固定在井架或鉆臺上，另外多個定滑輪分別安裝在修井機鉆臺上和游動梁上。提升系統結構圖見圖3。

圖3 海洋液壓修井機提升系統結構

在同步油缸提升速度一定和不增加定滑輪的情況下，游車大鉤的提升比隨著游車滑輪數增加而降低。當采用1×2游動系統時，游車大鉤有最大的提升比，但此時單根鋼絲繩的受力也最大，所以在海洋液壓提升修井機的提升系統的設計過程中，不但要考慮修井機的額定載荷和鋼絲繩的受力情況，而且還要考慮修井機的提升比及大鉤提升速率等問題。

3.4 采用液壓蓄能裝置，實現節能降耗

為了有效解決海洋液壓修井機動力機空轉浪費的能量和油管柱下放時釋放出的部分勢能，同時解決在作業過程中動力機突然出現故障造成作業終止或安全隱患，因此在海洋液壓修井機的設計構思中采用液壓蓄能裝置。

3.5 配置全自動井架工和鐵鉆工

海洋液壓修井機配置全自動井架工和鐵鉆工，機械化、自動化程度較高。全自動井架工安裝在二層臺，井架工不需要再上二層臺進行操作，安全性能好，而且全自動井架工獨特的旋轉門設計保證操作簡單，重量輕，使鉆柱排放平穩而靈活。鐵鉆工安裝在井口，可大大減少井口的作業人員，提高作業的自動化程度，降低作業的安全系數。[5]全自動井架工和鐵鉆工的結構分別見圖4和圖5。

圖4 全自動井架工

圖5 鐵鉆工

4 結束語

海洋液壓提升修井機不僅具有輕巧、安全、環保、節能、可拆遷等優點，而且還可以解決目前中海油渤海灣部分無人生產平臺的修井作業，提高無人生產平臺的產油率。海洋液壓提升修井機提出的多定滑輪組提升系統打破了傳統修井機提升系統的工作原理和結構形式，解決了傳統修井機占地面積大和結構不夠緊湊等問題；同時提出的液壓蓄能裝置不僅大大提高對系統液壓能的利用率，而且也起到了很好的節能作用。另外海洋液壓提升修井機還可以通過改造運用到壓井作業中，對于保護和維持油氣層的原始產能，減少酸化、壓裂等作業次數具有十分重要的意義。[6]■

[1]Composit Catalog of O il Field Equipment&Services[M].Published by G ulf Publishing Company，U SA，1999.

[2]顧心懌.液壓蓄能修井機[Z].中石化勝利石油管理局.

[3]尹永晶，黃榮杰.石油修井機[Z].南陽石油二機廠，2002.

[4]王峻喬，李傳斌.液壓模塊修井機[Z].江漢第四石油機械廠.

[5]張洪生，于昊，趙金峰.鐵鉆工的現狀與展望[D].蘭州理工大學，2000.

[6]謝永金，曹立明.新型不壓井作業設備的研究[J].石油機械，2007（9）：161-164.