PSW12型動力水龍頭裝置研制

鄭蕓哲,張忠家,孫 艷,王 玉,商偉偉,趙巖民

(1.天津凱德實業(yè)有限公司,天津300308;2.中原石油勘探局井下特種作業(yè)處,河南濮陽457061) *

PSW12型動力水龍頭裝置研制

鄭蕓哲1,張忠家1,孫 艷1,王 玉1,商偉偉1,趙巖民2

(1.天津凱德實業(yè)有限公司,天津300308;2.中原石油勘探局井下特種作業(yè)處,河南濮陽457061)*

進口動力水龍頭價格昂貴,技術(shù)支持和配件供應(yīng)不及時,難于滿足國內(nèi)油田鉆修井作業(yè)生產(chǎn)的需要。為了提高我國鉆修井作業(yè)工藝水平,緩解動力水龍頭市場的供需矛盾,研制了PSW12型動力水龍頭裝置。該裝置配備了大功率動力頭和大容量軟管卷筒,動力頭采用閉式靜液傳動,軟管卷筒采用開式傳動,整機為車載式或拖撬式。所有單元集成于撬體上,具有作業(yè)效率高、質(zhì)量輕、移運方便等特點。試驗結(jié)果表明:PSW12型動力水龍頭裝置能滿足國內(nèi)外鉆修井作業(yè)的工藝要求。

動力水龍頭;軟管卷筒;閉式傳動;撬裝裝置

動力水龍頭是鉆/修機的重要部件,廣泛應(yīng)用于油田鉆/修井作業(yè),能夠鉆水泥塞、橋塞,進行套銑、磨銑和開窗側(cè)鉆等作業(yè)。20世紀(jì)50年代,國外就開始了動力水龍頭裝置的研制工作。美國BOWEN公司最早開始研制和生產(chǎn)鉆井和修井用動力水龍頭,以S系列產(chǎn)品最著名。近年來,BOWEN公司研制了直流電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動的動力水龍頭[1]。 2000年,BOWEN公司并入美國 National-oilwell公司,取消了BOWEN商標(biāo),將動力水龍頭改進為輕便式液壓頂驅(qū)[2];美國BJ公司生產(chǎn)的動力水龍頭也已經(jīng)形成系列化和規(guī)模化;美國LOGAN公司研制的850 kN和1 200 kN系列產(chǎn)品在國內(nèi)市場中分布較多,均為液壓驅(qū)動。但是,國外產(chǎn)品的價格和服務(wù)費用昂貴,無法滿足國內(nèi)石油裝備市場的需求。國內(nèi)頂驅(qū)裝置成為現(xiàn)代深井鉆機的標(biāo)準(zhǔn)裝置,但在2 000 m左右的淺井鉆機中,配置頂驅(qū)較少。隨著勘探開發(fā)難度的加大,以及小井眼鉆井、煤層氣井開發(fā)和海上鉆井的需要等,要求淺井小鉆機和大型修井機配備輕便小頂驅(qū)或動力水龍頭裝置。為了適應(yīng)市場變化和需求,天津凱德實業(yè)有限公司開發(fā)研制了PSW12型液壓動力水龍頭裝置,以滿足油氣鉆井和煤層氣開發(fā)的需要,為國內(nèi)鉆井、修井市場提供頂驅(qū)裝置。本文主要從工作原理、結(jié)構(gòu)組成和使用情況等方面進行研究。

1 總體設(shè)計思路

動力水龍頭是機-電-氣-液一體化的石油機械產(chǎn)品,它的核心部件是驅(qū)動井下鉆柱旋轉(zhuǎn)的動力頭。動力頭主軸的最大扭矩和轉(zhuǎn)速、主軸通孔尺寸等必須能滿足鉆修井工藝的要求;動力頭上的提環(huán)能夠承受井下所有鉆具重力。動力水龍頭裝置的總體設(shè)計思路是:首先確定動力頭的主要參數(shù),包括動力頭驅(qū)動功率、最大扭矩、最大轉(zhuǎn)速、主軸通孔直徑、泥漿循環(huán)壓力及動力頭與鉆修井機聯(lián)結(jié)的主要尺寸;其次,依據(jù)動力頭的參數(shù)確定驅(qū)動方式及主輔液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù);最后,進行動力頭、原動機、液壓泵、液壓馬達、液壓附件及氣動或電控系統(tǒng)等計算和選型工作,并繪出總體布局圖,輸出氣動或電控-液壓控制工藝描述文件。

2 工作原理[2]

動力水龍頭撬座上的柴油發(fā)動機驅(qū)動油泵旋轉(zhuǎn),高壓油經(jīng)高壓軟管進入油馬達使其轉(zhuǎn)動,又經(jīng)變速箱把扭矩傳遞給動力短節(jié)和鉆具。連結(jié)在油路中的伺服閥可改變油馬達的供油方向和調(diào)整供油排量大小,以改變鉆具旋轉(zhuǎn)方向和扭矩大小。為防止動力頭殼體隨之轉(zhuǎn)動,需在提環(huán)銷上系2根鋼絲繩,并將其固定在繃?yán)K上,用來承受反扭矩。鉆井液通過水龍帶、鵝頸管、沖管總成和動力鉆桿短節(jié)進入鉆具水眼,進行循環(huán)。

3 技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)組成

鉆修井作業(yè)中,動力水龍頭取代機械轉(zhuǎn)盤和方鉆桿驅(qū)動井下鉆柱旋轉(zhuǎn);同時,也配合實現(xiàn)立根作業(yè),提高鉆/修井作業(yè)效率,在井下遇阻或坍塌時能及時上提鉆柱,避免井下事故發(fā)生。PSW12型動力水龍頭裝置采用液壓傳動,主軸轉(zhuǎn)速可測、可調(diào),且傳動平穩(wěn)。它由動力頭、液壓動力單元、軟管卷筒和液壓-氣動控制系統(tǒng)或電氣控制系統(tǒng)4部分組成,采用車載式或拖撬式結(jié)構(gòu)。PSW12型拖撬式動力水龍頭裝置如圖1。根據(jù)用戶需要也可采用車載式或分撬方式,將動力撬和動力頭分成2個撬。柴油發(fā)動機及其冷卻系統(tǒng)和液壓站集中在1個撬座上,動力頭、軟管卷筒和控制系統(tǒng)集中在另一個撬座上。

圖1 PSW12型拖撬式動力水龍頭裝置

4.1 動力頭

動力頭是動力水龍頭裝置的核心部件,由提環(huán)、變速箱、水龍頭組件、提環(huán)銷、動力鉆桿短節(jié)和扭矩臂等構(gòu)成。動力頭提環(huán)與普通水龍頭的提環(huán)結(jié)構(gòu)一樣,上端與游車大鉤連接,下端通過提環(huán)銷和動力頭的箱體連接。變速箱內(nèi)裝有承受井下全部鉆柱重力的主軸承,箱體上部設(shè)計有防跳軸承,下部設(shè)計有扶正軸承,用來防止主軸旋轉(zhuǎn)時中心管擺動。水龍頭組件主要包括沖管總成、密封組件和鵝頸管,與變速器通過中間結(jié)構(gòu)連接。變速驅(qū)動部分包括齒輪減速機構(gòu)和液壓馬達。作業(yè)時,液壓泵驅(qū)動液壓馬達帶動動力頭的變速機構(gòu),使主軸輸出合適的扭矩和轉(zhuǎn)速。主軸工作時,井下產(chǎn)生的反扭矩通過主軸施加在扭矩臂上,扭矩臂再將扭矩施加在繃?yán)K上[3]。繃?yán)K繃緊時,扭矩臂就限制了動力頭的反轉(zhuǎn)。

4.2 液壓動力單元

液壓動力單元由柴油發(fā)動機、柱塞泵、液壓油箱和輔助裝置構(gòu)成。柴油發(fā)動機驅(qū)動柱塞泵,柱塞泵驅(qū)動液壓馬達運轉(zhuǎn),同時,柴油發(fā)動機還驅(qū)動空氣壓縮機,給儲氣罐儲氣,保證氣動系統(tǒng)正常工作。液壓油箱實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的油液循環(huán)、存放和散熱功能。輔助裝置包括液壓油冷卻器、燃油箱和發(fā)動機的加熱裝置。

柱塞泵、液壓馬達和液壓閥件組成閉式循環(huán)系統(tǒng)。柱塞泵的流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比,并且可無級調(diào)節(jié),動力頭轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)柱塞泵的流量實現(xiàn)的。閉式回路中變量泵的出油口和馬達的進油口相連,馬達的回油口和泵的進油口相聯(lián),組成一個封閉的回路,能夠有效減小液壓油箱容積。閉式傳動原理如圖2。

圖2 閉式液壓傳動原理

4.3 軟管卷筒[4]

軟管卷筒單元主要由卷筒、變速裝置、液壓泵、液壓馬達、旋轉(zhuǎn)接頭、輔助支撐和液壓膠管等組成。需要收放液壓膠管時,柴油發(fā)動機驅(qū)動液壓泵,液壓泵驅(qū)動液壓馬達和變速裝置帶動卷筒旋轉(zhuǎn),使液壓膠管自動收起或放開。

液壓動力單元在離開井口40～50 m的距離處工作,司鉆操縱軟管卷筒方向控制閥手柄,液壓泵驅(qū)動液壓馬達使軟管卷筒正向旋轉(zhuǎn)放開液壓軟管,同時,動力頭從撬體上的本體支架移至井口,裝于井架游車大鉤上。作業(yè)完成后,司鉆操縱軟管卷筒方向控制手柄,使軟管卷筒反向旋轉(zhuǎn),將主液壓馬達和其液壓泵之間的液壓軟管整齊地收起來。

4.4 控制系統(tǒng)

動力水龍頭裝置的控制系統(tǒng)采用液壓-氣動或液壓-電氣控制2種方式,由用戶選擇,其中包括扭矩控制、轉(zhuǎn)速控制和功率控制。施工現(xiàn)場采用遠程控制,操縱液壓和氣動控制閥對液壓泵的排量和系統(tǒng)壓力進行遠程調(diào)節(jié),從而對動力頭主軸的轉(zhuǎn)速和扭矩進行設(shè)定和調(diào)節(jié)[5]。當(dāng)需要增加系統(tǒng)的功率輸出時,通過加大柴油機油門,增加功率輸出,而不需機械傳動的換擋、停車或重新啟動來調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩。

4.5 撬座單元

撬座分車載式和拖撬式。車載式和拖撬式的撬體上安裝著液壓動力單元、軟管卷筒、控制裝置、冷卻裝置、空氣壓縮機、儲氣罐、工具箱和動力頭支架及動力頭。工作時,操縱控制閥軟管卷筒正向旋轉(zhuǎn),放開液壓管線,動力頭安裝于井架大鉤的吊卡上;不工作時,軟管卷筒反向旋轉(zhuǎn),收起液壓管線,動力頭放回支架上。車載式牽引方便,速度快,移運方便;撬裝式對地面比壓小,可在松軟地面和沼澤地運行。

5 創(chuàng)新技術(shù)和特點

1) 是取代機械轉(zhuǎn)盤和方鉆桿的新型石油鉆修井裝備。

2) 輕便、機動性大,可用于開發(fā)油氣井、煤層氣井,也可用于海上平臺打樁鉆井等作業(yè)。

3) 采用液壓驅(qū)動,輸出扭矩和轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié),可監(jiān)測實際輸出扭矩。

4) 能夠?qū)崿F(xiàn)立根作業(yè),減少輔助作業(yè)時間。

5) 在井下遇阻或卡鉆時,能夠在鉆進過程中迅速上提鉆具,邊循環(huán),邊旋轉(zhuǎn)。

6 結(jié)論

PSW12型動力水龍頭采用全液壓驅(qū)動,具有傳動平穩(wěn)、操作方便、電-氣-機-液集中控制與遠程控制、輸出扭矩大和移運方便等優(yōu)點。主參數(shù)的確定充分考慮了鉆修井作業(yè)工藝和國內(nèi)外作業(yè)現(xiàn)狀,具有實用性和針對性。依據(jù)API Spec 8C—2003和我國石油鉆機頂部驅(qū)動裝置標(biāo)準(zhǔn),筆者做了動力頭拉伸載荷、動力頭扭矩加載和液壓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)等試驗,結(jié)果表明,PSW12型動力水龍頭各項參數(shù)能夠滿足油田鉆/修井作業(yè)工藝要求,即將投放市場使用。

[1] 胡 辛,劉壽軍.S-120動力水龍頭在修井作業(yè)中的應(yīng)用[J].石油機械,2002,30(7):69-70.

[2] 萬仁傅,羅英俊.采油技術(shù)手冊:第5分冊[K].北京:石油工業(yè)出版社,1989:281-288.

[3] 李銘巍.淺議國外動力水龍頭裝置的發(fā)展[J].化學(xué)工程與裝備,2008(5):91-93.

[4] 鄭蕓哲,齊明俠.基于西門子 PLC的司鉆控制系統(tǒng)[J].石油礦場機械,2008,37(5):53-56.

[5] Loganoiltools Company.PS-85 LOGAN power swivel Manual[Z].

Research and Development of PSW12 Power Swivel Unit

ZHEN G Yun-zhe1,ZHANG Zhong-jia1,SUN Yan1, WANG Yu1,SHANG Wei-wei1,ZHAO Yan-min2
(1.Tianjin Hi-Tech Enterprise Co.,L td.,Tianjin300308,China;2.Down-holl S pecial Servise Department,Zhongyuan Petroleum Ex ploration B ureau,Puyang457061,China)

The imported power swivel unit is a lot more expensive.Technical support,parts and services cannot be supplied well to satisfy the demand of oil operations in China.In order to improve the workover treatment technology level in China and relief the contradiction between few domestic equipment supply and big demand for operations,PSW12 Power Swivel unit is developed.This unit is equipped with big power head and large capacity hose reel,the power unit is equipped with closed-type statistic transmission system and hose reel is equipped with an open-type transmission.The complete unit is truck-mounted or skid-mounted structure.All units are fastened on a firm base and Operation with high efficiency,light weight,good mobility.Test demonstrated that this unit can totally meet drilling and repairing well technology.

power swivel;hose reel;circulation transform;skid mounted unit

1001-3482(2011)05-0059-04

TE926

A

2010-08-06

鄭蕓哲(1973-),女,陜西武功人,碩士,2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東),現(xiàn)從事石油鉆采裝備的研制工作,E-mail:zhyunz_2004@163.com。