250T海洋液壓修井機的研制

張小丹，張豐功，李祎，宮慧，周忠祥，楊超，王琳

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中國海洋石油集團有限公司，北京 100010；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；4.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000）

0 引言

相對于常規(guī)海洋修井機，液壓修井機具有油氣儲層保護和環(huán)境保護的優(yōu)勢[1]。國內(nèi)部分海洋油氣田正在逐步嘗試利用液壓修井機開展作業(yè)，取得良好的應(yīng)用效果[2-3]。我國在用的海洋液壓修井設(shè)備主要依賴于進口[4]，國內(nèi)部分企業(yè)也已著手開展海洋液壓修井機的研究工作[5]。

為突破液壓修井機核心部件及控制技術(shù)，保障中海油海洋油氣勘探開發(fā)，中海油田服務(wù)股份有限公司與寶石機械聯(lián)合研制開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的250T海洋液壓修井機（如圖1），該修井機實現(xiàn)了核心裝備的國產(chǎn)化，實現(xiàn)無修井機平臺的快速作業(yè)，解決了導(dǎo)管架平臺承載與甲板面積制約難題，提高了海洋油氣田修井作業(yè)經(jīng)濟性，提高油氣田采收率，實現(xiàn)邊際油田可持續(xù)發(fā)展。

圖1 250T海洋液壓修井機

1 技術(shù)方案及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 總體技術(shù)方案

250T海洋液壓修井機采用模塊化設(shè)計，主要包括主機及輔助設(shè)備。主機具備導(dǎo)軌和套管安裝兩種作業(yè)模式，最大提升載荷達250 t，單個模塊質(zhì)量不超過10 t，各模塊之間采用導(dǎo)向定位實現(xiàn)快速安裝連接，具有占地面積小、適應(yīng)性強、移運拆裝快速等特點。配套發(fā)電機撬、配電撬、空壓機撬、高壓泥漿系統(tǒng)、低壓泥漿系統(tǒng)等多項輔助設(shè)備，所有輔助設(shè)備均采用單獨成撬、頂部吊裝的結(jié)構(gòu)形式，單個輔助設(shè)備的吊裝質(zhì)量均不超過10 t，各設(shè)備之間采用軟管連接，更好地滿足快速拆裝、移運和吊裝的要求。

1.2 總體布局

250T海洋液壓修井機無固定布局模式，適用不同平臺作業(yè)，可根據(jù)目標平臺的實際布局對修井機主機及各輔助配套設(shè)備的擺放進行合理規(guī)劃，使修井機的布置滿足設(shè)備的安裝、拆卸、維修及安全作業(yè)的要求。

圖2所示為針對某目標平臺的設(shè)備布局，該目標平臺面積較小，僅為19 m×15.6 m，且平臺的東南角有一生產(chǎn)設(shè)施占據(jù)較大的平臺空間。針對該目標平臺，首先在平臺上規(guī)劃足夠的管柱排放及作業(yè)區(qū)，再將平移裝置滑靴的間距調(diào)整成該平臺導(dǎo)軌的跨距，然后依次完成主機各模塊的安裝及各輔助設(shè)備的吊裝擺放。所有設(shè)備的安裝僅靠平臺吊機完成，考慮平臺吊機的吊裝能力，將較重的單元設(shè)備，例如動力撬、BOP控制撬、泵撬、主機動力撬等布置在距吊機較近的位置，將值班房、柴油撬等較輕設(shè)備布置在距吊機較遠的位置。經(jīng)過合理布局，該布置方式完全能夠滿足該平臺修井作業(yè)的需求。

圖2 250T海洋液壓修井機平面布置圖

1.3 海洋液壓修井機主機

海洋液壓修井機主機（如圖2）主要包括下平臺、舉升裝置、上平臺、桅桿等單元模塊。為減輕吊裝質(zhì)量，主機的液壓動力系統(tǒng)分為動力端和液力端兩個功能模塊，兩個模塊之間利用定位裝置快速定位，利用萬向軸快速連接。

液壓修井機主機配套固定卡瓦組、游動卡瓦組，可實現(xiàn)帶壓作業(yè)時提升和下壓管柱。同時液壓修井機配置液壓轉(zhuǎn)盤，可以在輕管柱或重管柱狀態(tài)下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè)。根據(jù)平臺的承載和作業(yè)空間，修井機主機可選擇軌道安裝式（如圖3）和套管安裝式（如圖4）。

圖3 軌道安裝式

圖4 套管安裝式

圖5 主體裝置與下平臺快速連接

圖6 下平臺與平移裝置快速連接

圖7 主體裝置

圖8 全行程反轉(zhuǎn)矩裝置

圖9 帶旋轉(zhuǎn)密封筒的全液壓轉(zhuǎn)盤

1）軌道安裝式。軌道安裝式為將平移裝置座放到平臺的滑移導(dǎo)軌上，再將修井機主機安裝到平移裝置上，其特點是修井機主機在平臺各井口之間移動時無需拆裝主機，通過平臺上的滑移導(dǎo)軌及平移裝置，可實現(xiàn)主機在橫向及縱向上各個井口間的快速移動，尤其適用于叢式井的作業(yè)。采用軌道安裝式，主機不需設(shè)置繃繩；同時，主機在平移裝置上可實現(xiàn)水平方向上4個方向的安裝，可靈活布置管子堆場在平臺上的位置，適應(yīng)海洋平臺作業(yè)多種布置要求。

平移裝置的底座采用分段設(shè)計，分為不同長度的3段，在減小吊裝單元質(zhì)量的同時，通過不同長度的分段組合，可實現(xiàn)3～21 m多種導(dǎo)軌跨度組合，滿足不同平臺上縱向滑移軌道的跨距需求。

2）套管安裝式。套管安裝式為將主機直接安裝到井口套管頭上，在套管頭從下往上依次安裝防噴器組、輔助支撐、導(dǎo)流管和主機。輔助支撐用于輔助承載井內(nèi)管柱載荷，減少套管承載，保證作業(yè)安全。

套管安裝式主機占地面積小，尤其適用于空間較小的平臺作業(yè)。采用套管安裝式，僅需在主機上設(shè)置6根繃繩。

1.4 海洋液壓修井機主要技術(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38～245 mm；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為35 kN·m；最大起升速度為0.7 m/s；最大下放速度為0.8 m/s；舉升行程為3.3 m；桅桿凈空高26 m；桅桿起吊質(zhì)量為10 t；主機液壓壓力為21 MPa；立管壓力為35 MPa；氣源壓力為1 MPa。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全模塊化及快速連接設(shè)計

250T海洋液壓修井機的主機及輔助設(shè)備均采用模塊化設(shè)計。

主機的下平臺、舉升裝置、上平臺等單元模塊之間均設(shè)有導(dǎo)向定位裝置，利用銷軸耳板等連接方式實現(xiàn)主機的快速拆裝，減輕現(xiàn)場工作強度，滿足海洋平臺吊裝及快速移運安裝的作業(yè)要求。

輔助設(shè)備按其功能單獨成撬，可根據(jù)平臺布局靈活布置。采用頂部吊裝型式，實現(xiàn)輔助設(shè)備的快速吊裝移運。

2.2 工作窗與主體裝置集成設(shè)計

在起下電纜作業(yè)時，由于電纜不能通過卡瓦，因此通常需在固定卡瓦下設(shè)置工作窗來進行電纜解卡作業(yè)，從而造成整機高度較高。為降低整機的高度，將工作窗集成于主體裝置上，省去專用工作窗，從而有效降低整機高度。

為適應(yīng)不同工況作業(yè)，固定卡瓦安裝座在主體裝置上的安裝高度可調(diào)，從而使作業(yè)更加靈活。

2.3 全行程反轉(zhuǎn)矩裝置

旋轉(zhuǎn)作業(yè)時，為避免管柱對轉(zhuǎn)盤的反轉(zhuǎn)矩直接施加到舉升油缸上而造成對油缸的損傷，專門設(shè)置了全行程反轉(zhuǎn)矩裝置傳遞井內(nèi)管柱的轉(zhuǎn)矩，該反轉(zhuǎn)矩裝置設(shè)置隨動反轉(zhuǎn)矩滑軌，可在旋轉(zhuǎn)作業(yè)時將井內(nèi)管柱的反轉(zhuǎn)矩實時傳遞到作業(yè)機主機的主體裝置上，在舉升油缸運行時全行程傳遞轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)高效安全作業(yè)。

2.4 帶旋轉(zhuǎn)密封筒的全液壓轉(zhuǎn)盤

250T海洋液壓修井機配套全液壓轉(zhuǎn)盤，其368 mm的通徑為同類型最大通徑，采用4個液壓馬達驅(qū)動，最大轉(zhuǎn)矩可達35 kN·m，其特點是對卡瓦的控制油路通過液壓轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)密封筒裝置后接到卡瓦上。旋轉(zhuǎn)作業(yè)時，液壓系統(tǒng)通過液壓轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)密封筒裝置向卡瓦持續(xù)供油，無需拆卸移動卡瓦管線，確保旋轉(zhuǎn)作業(yè)時卡瓦一直處于鎖緊狀態(tài)，作業(yè)更加安全可靠。

3 海洋液壓修井機技術(shù)特點

250T海洋液壓修井機包括修井機主機及輔助設(shè)備，配套齊全、功能完善、作業(yè)能力強，可實現(xiàn)最大上提載荷2500 kN，同時配套液壓轉(zhuǎn)盤，最大旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可達35 kN·m。與常規(guī)修井機相比，海洋液壓修井機具有以下技術(shù)特點：

1）配置相對簡單。常規(guī)修井機通常配置絞車、轉(zhuǎn)盤、井架、底座及整套提升系統(tǒng)，組成較為復(fù)雜，而海洋液壓修井機的主機一般僅包括舉升油缸、卡瓦、轉(zhuǎn)盤、工作平臺及桅桿等設(shè)備，配置相對簡單。

2）操作維護簡便。常規(guī)修井機的控制對象較多，尤其是對于交流變頻控制系統(tǒng)，對操作人員的要求較高。海洋液壓修井機采用全液壓控制，對修井機的所有操作集成在上工作平臺，控制對象少，對操作人員的要求較低，操作維護簡便。

3）適應(yīng)性強。常規(guī)修井機一般針對具體目標平臺進行設(shè)計，導(dǎo)軌間距固定，輔助配套設(shè)備與主機相對位置固定。海洋液壓修井機可根據(jù)不同平臺導(dǎo)軌間距進行調(diào)整，輔助配套設(shè)備也可根據(jù)平臺實際布局擺放，適用于不同平臺。

4）產(chǎn)品質(zhì)量輕，占地面積小。常規(guī)修井機的井架和底座等吊裝模塊通常質(zhì)量較大，設(shè)備安裝時，通常需要大型吊裝設(shè)備輔助，且主體部分的占地面積較大。海洋液壓修井機的單元吊裝質(zhì)量不超過10 t，一般僅利用平臺自身的吊機即可完成設(shè)備的安裝，適應(yīng)性更強。

4 出廠試驗

根據(jù)海洋液壓修井機的實際工況及載荷能力，對主機及配套設(shè)備進行多項試驗，關(guān)鍵試驗全部通過船級社現(xiàn)場見證。

4.1 修井機主機空載試驗

該項試驗主要是為了檢驗空載情況下修井機主機各部分的運行情況，主要進行了舉升油缸動作試驗、卡瓦開關(guān)試驗、轉(zhuǎn)盤空轉(zhuǎn)試驗、桅桿起升試驗，試驗結(jié)果表明：

1）舉升系統(tǒng)的四油缸和雙油缸兩種工作模式切換靈活，在兩種工作模式下，舉升油缸的同步性良好，無不同步及爬行現(xiàn)象；由于油缸兩端設(shè)有緩沖裝置，在油缸行程的終止階段無液壓沖擊現(xiàn)象。上工作平臺操作臺上設(shè)置的舉升油缸控制手柄，可對油缸的運行實現(xiàn)無級調(diào)速，運行過程中可對油缸在任意位置制動并鎖緊。正常運行時，油缸的上行速度和下行速度均符合設(shè)計的要求。

2）卡瓦動作反應(yīng)靈敏，開關(guān)快速平穩(wěn)，能夠有效避免卡瓦關(guān)閉時等待時間過長而造成的油管相對卡瓦滑脫現(xiàn)象。

3）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，反應(yīng)迅速，運行時轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。

4）桅桿起升平穩(wěn)，無頓挫現(xiàn)象，到位后能夠自動鎖緊。

4.2 主機載荷試驗

為驗證250T海洋液壓修井機作業(yè)能力及承載能力，對主機進行了全負載上提、下壓試驗及最大轉(zhuǎn)矩載荷試驗。

全負載上提和下壓試驗過程中，舉升油缸伸縮靈活，各設(shè)備運行平穩(wěn)，無劇烈振動現(xiàn)象；卡瓦對管柱的夾持可靠，無相對打滑現(xiàn)象。最大轉(zhuǎn)矩載荷試驗過程中，各設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，主機無扭轉(zhuǎn)及晃動現(xiàn)象。

同時對主機進行了整體平移試驗，試驗過程中，主機整體移運平穩(wěn)，各平移油缸無卡阻及不同步的現(xiàn)象。

此外，還針對平移裝置、輔助支撐、桅桿等設(shè)備分別進行了最大負荷試驗，試驗中測得的應(yīng)力值均在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，試驗后各設(shè)備均無變形等現(xiàn)象，符合設(shè)計的要求。

4.3 聯(lián)調(diào)試驗

在完成主機及各輔助設(shè)備單項試驗的基礎(chǔ)上，模擬海洋修井作業(yè)工況，對整套海洋液壓修井機及輔助設(shè)備進行了聯(lián)調(diào)測試。從配套設(shè)備的啟動到主機上管柱、甩管柱、管柱上卸扣、主機起下管柱、旋轉(zhuǎn)起下管柱等全過程進行了試驗。

聯(lián)調(diào)試驗過程中，主機運行平穩(wěn)，各單元部件反應(yīng)靈敏，無卡阻等異常現(xiàn)象。各輔助設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，均無異常報警現(xiàn)象。

試驗結(jié)果表明，主機各功能模塊功能完善，配合度高，各輔助設(shè)備運行正常，配置合理，完全能夠滿足海洋修井作業(yè)的需求。

5 結(jié)論

1）250T海洋液壓修井機采用模塊化設(shè)計，各單元部件之間快速連接，具有占地面積小、安裝移運快速等特點；

2）通過各項試驗表明，250T海洋液壓修井機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，整體強度足夠，操作靈活、可靠，反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，各項功能性試驗均符合設(shè)計要求；

3）250T海洋液壓修井機功能齊全，輔助設(shè)備配置合理，功能完善，能夠?qū)嵤┢鹣鹿苤⒕残蘩砑霸霎a(chǎn)措施等井下作業(yè)，很好地滿足目前海洋平臺的實際作業(yè)需求；

4）該修井機需經(jīng)海洋平臺工業(yè)性試驗后再進行必要的完善。