DYJ150型海洋帶壓作業機研制

王 鑫 張樹立 劉悅蕾 王豐良 趙志成 李 根

(1.煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司 2.天津渤海杰瑞石油裝備有限公司)

0 引 言

全球海洋油氣資源豐富，海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34%[1-3]，其中開發和擁有先進的海洋石油裝備是有效開發海洋油氣資源的有力武器和重要標志[4]。雖然我國攻克了一些海洋油氣裝備的技術難題[5]，但是與國外相比還有很大的差距。如我國目前在役的深水鉆井平臺中，90%以上的鉆井裝備為國外進口設備，這種狀況嚴重制約了我國海洋油氣勘探開發的進程[6]。

帶壓作業作為一種新型的修完井作業技術，具有環保性好、作業效率高等特點，在各大油田進行了廣泛推廣使用[7-8]。目前，國內相關企業和單位通過對帶壓作業機及其關鍵部件進行國產化制造和應用[9-13]，已經積累了較多的技術經驗[14-18]。隨著陸地環境帶壓作業技術的不斷成熟，海洋帶壓作業的需求也將越來越大。

雖然海洋帶壓作業機與陸地帶壓作業機的基本原理相似，但受海洋環境氣象復雜多變、生產和作業環境空間限制、平臺吊裝和防爆要求苛刻、環保要求高等諸多不利因素的影響[19-20]，海洋環境用帶壓作業需具備更高的安全可靠性、便捷性和經濟性，陸地帶壓作業機并不適合直接應用在海洋平臺上。海洋環境用帶壓作業機主要面臨如下問題：海洋平臺吊機載荷有限，不適合直接起吊陸地用帶壓作業機；旋轉系統和游動卡瓦組拆卸麻煩，無工作窗，工具串起下不方便；舉升/下壓系統載荷小、作業能力不足，使用壽命短；旋轉系統扭矩小、轉速低，轉盤反扭矩直接作用在舉升下壓系統的液缸杠桿上，容易導致油缸密封失效，使用壽命短等。

煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司依托山東省泰山產業領軍人才工程項目，通過綜合研究海洋環境下帶壓作業工況，于2018年開始研制適用于海洋平臺作業的DYJ150型帶壓作業機。

1 DYJ150型帶壓作業機

1.1 總體結構

DYJ150型帶壓作業機主要由舉升/下壓系統、旋轉系統、工作窗、上平臺、下平臺、中間平臺、游動卡瓦組、固定卡瓦組、全通徑卡瓦組、伸縮桅桿、大鉗吊臂、游動管線橋架及防噴器組等模塊和系統組成。模塊間采用快速安裝和拆卸的連接結構，每個模塊可獨立運輸和吊裝，單體模塊質量輕，運輸尺寸小，滿足海洋平臺上快速安裝和拆卸的需求，總體結構如圖1所示。

1—井口穩定器；2—安全防噴器組；3—伸縮籠梯；4—下工作閘板防噴器；5—平衡放噴系統；6—上工作閘板防噴器；7—環形防噴器；8—工作窗平臺；9—全通徑卡瓦組；10—工作窗；11—下平臺；12—固定卡瓦組；13—舉升/下壓系統；14—籠梯；15—維護平臺；16—旋轉系統；17—上平臺；18—桅桿平臺；19—游動管線橋架；20—大鉗吊臂；21—伸縮桅桿；22—液壓大鉗；23—副控制箱；24—主控制箱；25—游動卡瓦組；26—伸縮式油管防撓裝置。圖1 DYJ150型帶壓作業機總體結構圖Fig.1 Overall structure of DYJ150 snubbing unit

1.2 工作原理

游動卡瓦組安裝在旋轉系統的旋轉心軸上，心軸旋轉時驅動游動卡瓦組以及被卡瓦夾持的管柱旋轉；旋轉系統安裝在舉升/下壓系統的游動窗板上，旋轉系統、游動窗板和游動卡瓦組共同組成了游動裝置總成，如圖2所示。

在舉升/下壓系統液缸的作用下，游動裝置總成上下往復運動，使其所載管柱同時具備上下運動和旋轉運動的復合運動能力，滿足帶壓起下管柱、帶壓鉆塞及帶壓打撈等多種作業的動力需求。舉升/下壓系統結構如圖3所示。

舉升/下壓系統內部安裝有位置不變的固定卡瓦組，配合游動卡瓦組將管柱連續下入到井筒內部或起出到井口外部。舉升下壓系統下部的工作窗內安裝有全通徑卡瓦組，可允許大直徑井下工具直接通過，方便井下工具在工作窗內拆卸。

1—游動卡瓦組；2—旋轉系統；3—游動窗板。圖2 游動裝置總成Fig.2 Traveling device assembly

1—翼形梯螺紋螺母；2—液缸活塞桿；3—舉升液缸；4—卡瓦推拉液缸支架；5—固定卡瓦組；6—卡瓦推拉液缸；7—導向耳板；8—導向板；9—桅桿U形槽下支撐座；10—平臺安裝導向樁。圖3 舉升/下壓系統結構示意圖Fig.3 Schematic structure of lifting/lowering system

伸縮桅桿用于將地面油管單根起吊到上平臺，或將油管下放到地面；液壓鉗吊臂懸掛液壓動力鉗，用于油管之間上扣或卸扣。

1.3 主要技術參數

額定舉升載荷：1 500 kN；

額定下壓載荷：840 kN；

通徑尺寸：356 mm；

旋轉系統扭矩(低速擋位)：30 000 N·m；

旋轉系統扭矩(高速擋位)：15 000 N·m；

旋轉系統轉速(低速擋位)：60 r/min；

旋轉系統轉速(高速擋位)：120 r/min；

防噴器壓力等級：103.5 MPa；

桅桿額定載荷：50 kN；

桅桿有效高度：16 m；

平衡絞車1額定載荷：10 kN；

平衡絞車2額定載荷：15 kN；

大鉗吊臂額定載荷：20 kN。

1.4 結構特點

(1)整機采用模塊化設計方案，模塊之間可快速安裝和快速拆卸。所有模塊取得船級社吊裝認證，單體模塊質量不大于8 t，滿足海洋平臺吊機的承載能力要求和船級社檢驗要求，方便海上吊裝，施工效率高。

(2)游動窗板與舉升/下壓系統液缸采用翼形梯螺紋螺母連接，使用榔頭敲擊即可將游動裝置總成固定在舉升液缸活塞桿上，或從活塞桿上拆卸下來，提高設備安裝拆卸效率。相對于傳統常規螺紋使用扭矩扳手緊固的連接方式，安裝拆卸效率可提高50%以上。另外，從帶壓作業機頂部起下大直徑長井下工具串，需要將游動裝置總成拆卸下來，該連接方式同樣也提高了起下大直徑長井下工具串時，拆卸和安裝游動裝置總成的作業效率。

(3)固定卡瓦組采用液壓推拉式固定方案，打開卡瓦側門，操作液壓控制手柄即可將卡瓦快速拉離井口中心或推送到井口中心，既解決了卡瓦處于井口中心時，大直徑井下工具不能直接通過的問題，又解決了因卡瓦質量大，人工推拉費時費力的問題。同時，卡瓦推拉液缸采用可折疊式固定支架，推拉卡瓦時將支架展開，運輸時將支架折疊起來，既滿足卡瓦推拉需求，又不占用運輸和維修空間。

(4)舉升/下壓系統內部設置有可旋轉攀登梯，常規狀態用于平臺之間人員上下，方便安裝和檢修設備。當起下大直徑長工具串需要將固定卡瓦組拉離井口中心時，可以將旋轉攀登梯旋轉到一側，為固定卡瓦組提供推拉空間。

(5)桅桿下支撐座采用非等長U形槽結構，安裝桅桿時，在重力作用下將桅桿下固定軸沿U形槽長擋邊插入到U形槽內，有效解決桅桿晃動難以安裝的問題；桅桿上支撐采用長度可調式結構，通過調節上支撐長度調整桅桿的傾斜角度，有效解決了桅桿安裝誤差導致吊鉤偏離井口中心的問題；桅桿上支撐設計有安全防脫裝置，可有效防止人員因過度調節上支撐長度，導致桅桿與上支撐脫開而造成安全事故。桅桿上支撐結構圖如圖4所示。

1—內絲調整套筒；2—防脫外套筒；3—防脫銷；4—調整絲桿；5—防脫內套筒；6—上支撐固定座。圖4 桅桿上支撐結構示意圖Fig.4 Schematic diagram for upper support structure of mast

2 關鍵技術

2.1 高可靠性大噸位舉升/下壓系統

舉升/下壓系統是帶壓作業機的關鍵核心部件之一，承載著修井作業中所有管柱的重力和旋轉作業中的扭矩，在整個修完井作業中持續運轉時間最長。在停止和啟動時，其所載管柱重力產生的慣性作用力，將對舉升/下壓系統產生巨大的沖擊力。而且海洋惡劣的作業環境也或加重帶壓作業機的附加沖擊載荷，其工作的可靠性、穩定性直接決定著帶壓作業施工安全。因此，舉升/下壓系統需要有更長的使用壽命和較大的設備安全系數。

DYJ150型帶壓作業機額定舉升載荷1 500 kN，下壓載荷840 kN。綜合考慮設備靜載荷、風浪和振動等導致的各種作業附加載荷，采用3倍的安全系數，建立舉升/下壓系統力學模型。對其結構進行力學分析，獲得了舉升/下壓系統的應力云圖，如圖5所示。

圖5 舉升/下壓系統應力云圖Fig.5 Stress nephogram of lifting/lowering system

舉升/下壓系統液缸全部伸出時，游動卡瓦組至固定卡瓦組之間的管柱無支撐高度達5 m以上，在840 kN的下壓載荷作用下，管柱容易因撓性變形而被壓癟甚至壓斷。為解決此問題，在舉升/下壓系統中增設有伸縮式油管防撓裝置，如圖6所示。由圖6可知，內套管內置在外套管的內部，與舉升/下壓裝置同步運動、往復伸縮，在舉升液缸的全行程區域內對油管進行扶正，防止油管因撓性變形而被壓斷。

1—外套管；2—內套管。圖6 伸縮式油管防撓裝置Fig.6 Telescopic tubing anti-deflection device

2.2 高速大扭矩旋轉系統

旋轉系統是帶壓作業機另一個極其重要的核心部件，是鉆塞、磨銑、打撈及套管側鉆等施工作業中旋轉動力的來源。高速大扭矩下持續旋轉的可靠性將直接影響著施工作業的安全可靠性，中途停轉或者動力不足很容易造成旋轉系統卡鉆，甚至導致作業失敗。

與陸地采用油脂潤滑轉盤不同，為滿足海洋環境下穩定可靠地持續輸出30 kN·m、120 r/min的大扭矩高轉速旋轉動力，該旋轉系統采用油浴式潤滑結構形式，增強散熱效果、減小轉盤磨損量。旋轉系統結構如圖7所示。

1—旋轉系統心軸；2—旋轉工作筒；3—旋轉系統殼體(潤滑油箱)。圖7 油浴潤滑式旋轉系統及旋轉工作筒Fig.7 Oil-bath lubrication rotary system and rotary working barrel

為防止卡瓦液壓管線被扯斷，常規旋轉系統作業前必須讓施工人員將卡瓦液壓控制管線從卡瓦本體上拆卸下來，防止旋轉作業時將卡瓦控制管線扯斷。該旋轉系統上設計有旋轉工作筒，旋轉工作筒中內置液壓旋轉密封，可在卡瓦組旋轉的同時為其提供控制動力；無需管線插拔，有效防止施工人員因未斷開控制管線而導致潛在作業風險。

常規修井機的旋轉系統固定在鉆臺面上，工作時僅提供旋轉動力，不會隨管柱上下運動。本研究的旋轉系統安裝在游動窗板上方，在舉升/下壓系統的作用下，與井內管柱一起上下運動。在提供旋轉動力的同時，還要承受管柱產生的1 500 kN重力或840 kN重力載荷，以及其他附加載荷，作業工況比常規修井機更為惡劣。在對旋轉系統進行力學分析時，綜合考慮旋轉系統承受的反扭作用力、管柱載荷和各種附加載荷，獲得旋轉系統心軸和殼體的應力云圖，如圖8和圖9所示。

圖8 旋轉系統心軸應力云圖Fig.8 Mandrel stress nephogram of rotary system

圖9 旋轉系統殼體應力云圖Fig.9 Shell stress nephogram of rotary system

在舉升/下壓系統帶動管柱和游動裝置總成上下往復運行的過程中會產生較大的振動沖擊力，造成設備嚴重抖動，加快舉升油缸密封失效；旋轉系統工作時產生的超大反扭力，也會直接作用在舉升液缸的杠桿上，加快油缸密封失效，從而導致整機壽命嚴重縮短。

為減小作用在舉升液缸上的反扭力和附加沖擊力，延長其使用壽命，增強其作業安全可靠性，在DYJ150型帶壓作業機內部設置了一套承扭導向裝置，如圖10所示。由圖10可知，承扭導向梁固定在外圍平臺框架上，C形導向槽固定在舉升窗板的兩側。在承扭導向梁和C形導向槽的配合作用下，將游動裝置總成產生的大部分反扭作用力和附加沖擊力傳遞到舉升機外圍框架上，有效減小了作用在舉升油缸杠桿上的橫向載荷。

1—游動卡瓦組；2—旋轉系統；3—舉升窗板；4—C形導向槽；5—承扭導向梁。圖10 承扭導向裝置結構圖Fig.10 Structural diagram of torsion-bearing guide piece

2.3 多功能工作窗

為提高作業效率，在不拆卸游動裝置總成和不推拉固定卡瓦組的情況下，快速完成中短工具串起下作業，在舉升/下壓系統下部設置了多功能工作窗。工作窗內置有全通徑承重卡瓦和全通徑下壓卡瓦，在安裝或拆卸井下工具時，分別用于承受管重力或管輕載荷。因全通徑卡瓦的內腔大于井下工具直徑，在無需移動卡瓦的情況下，便可使大直徑井下工具直接通過。工作窗結構和全通徑卡瓦結構如圖11和圖12所示。

1—導向輪固定座；2—導向輪；3—全通徑下壓卡瓦；4—全通徑承重卡瓦；5—上扣/卸扣輔助液缸；6—平臺固定耳板。圖11 多功能工作窗Fig.11 Multifunctional work window

1—卡瓦座；2—卡瓦轉軸；3—卡瓦連桿；4—卡瓦體；5—卡瓦牙板；6—側門。圖12 全通徑卡瓦Fig.12 Full bore slip

為減輕作業人員勞動強度，在工作窗內設置有專用上扣和卸扣輔助液缸，通過液缸拉動井口工具，快速拆卸或安裝工作窗內的工具串；上扣和卸扣輔助液缸與工作窗中心線平行布置，不占用平臺內部空間；工作窗內設置多個導向輪固定座，可根據井下工具的高度選擇最佳固定高度。

2.4 模塊化結構設計

DYJ150型帶壓作業機的舉升/下壓系統、工作窗、游動裝置總成、上平臺、下平臺、工作窗平臺、伸縮桅桿、大鉗吊臂、游動管線橋架及籠梯等模塊全部采用快速安裝和拆卸設計。

如圖3和圖11所示，舉升/下壓系統和工作窗對接處創新使用導向板導向和銷軸孔精確定位的結構形式。舉升/下壓系統下端設置有下寬內窄的導向板和導向耳板，將舉升/下壓系統安裝到工作窗上部時，導向板和導向耳板自動引導舉升/下壓系統中心與工作窗中心同心，防止舉升裝置與工作窗水平竄動，便于油管和工具通過。同時，導向板也自動引導各固定耳板中心自動找正，通過銷軸將舉升下壓系統和工作窗精準固定在一起。

類似地，上平臺與舉升/下壓系統之間采用導向套筒與導向樁配合的方式，也實現了兩者之間的快速定位和固定。平臺、梯子、伸縮桅桿、大鉗吊臂及游動管線橋架等其余各模塊也均采用銷軸快拆和快裝的連接方式，提高分體結構快速組裝的作業效率。

3 性能測試

2021年在廠內進行了性能測試。2022年在大慶油田某區塊2口井進行了工業性應用施工。

3.1 模塊化組裝效率測試

DYJ150型帶壓作業機采用模塊化快速安裝和拆卸的技術方案，成套設備現場吊裝和安裝用時僅2 d，相對于國外類似帶壓作業機3 d的組裝時間，作業效率提高30%以上。

以舉升/下壓系統和工作窗模塊化組裝為例，在導向板和導向耳板的共同作用下，舉升/下壓系統中心與工作窗中心、固定耳板軸孔自動快速找正，插入4個大直徑限位銷軸便完成了兩者的快速組對，整個組對時間僅為1 h；而國外類似分體結構在設備組對時，需要人工扶正對準舉升/下壓系統和工作窗之間的固定螺栓孔，并穿入16個螺栓，再對每個螺栓施加扭矩緊固，安裝時間需2～3 h。

3.2 舉升機功能性試驗

在5、10、15和21 MPa不同液壓油供油壓力下，測試舉升/下壓系統舉升載荷和下壓載荷，試驗數據如圖13所示。由圖13可知，21 MPa下最大舉升載荷和最大下壓載荷分別為1 522 kN和841 kN，滿足額定舉升載荷1 500 kN和額定下壓載荷840 kN的設計要求。

圖13 舉升載荷和下壓載荷測試數據Fig.13 Lifting/lowering load test data

在5 、10 、15和21 MPa不同液壓油供油壓力下，測試旋轉系統在低擋位和高擋位時的扭矩輸出能力，試驗數據如圖14所示。由圖14可知，21 MPa時低擋位和高擋位時的最大輸出扭矩分別為30 032和15 179 N·m，達到低擋扭矩30 000 N·m和高擋扭矩15 000 N·m的設計要求。

圖14 旋轉系統扭矩測試數據Fig.14 Torque test data of rotary system

分別在發動機轉速500、1 000、1 500和2 100 r/min的工況下，測試旋轉系統在低擋位和高擋位時的最大轉速，試驗數據如圖15所示。由圖15可知，發動機轉速為2 100 r/min時，低擋位和高擋位的最大轉速分別為63和121 r/min，滿足旋轉系統低速擋位轉速60 r/min、高擋位轉速120 r/min的設計要求。

圖15 旋轉系統轉速測試數據Fig.15 Rotary speed test data of rotary system

4 結 論

(1)模板化運輸和吊裝方案，單體質量不超過8 t，并取得船級社吊裝認證，解決了海洋吊機起重能力受限，不能起吊重型貨物的問題。

(2)舉升/下壓系統額定舉升載荷1 500 kN、額定下壓載荷840 kN，滿足復雜井施工的作業需求。可以同時活動多個封隔器，應用范圍廣，作業性能強。舉升下壓系統出井制動、入井制動控制靈敏，能夠很好地控制復雜井下工具串的起下速度，工作穩定可靠。

(3)旋轉系統采用油浴式潤滑和冷卻系統，可在30 kN·m大扭矩或120 r/min的高轉速下，提供連續旋轉動力，滿足長時間帶壓鉆塞、帶壓磨銑等特種作業需求。旋轉系統配置的旋轉工作筒，實現了旋轉作業中卡瓦控制管線免插拔，提高了作業效率，減輕了勞動強度。

(4)多功能工作窗使帶壓作業機在管重和管輕不同工況下，具備夾持管柱后快速安裝和拆卸中短工具串的能力。內置的輔助上扣和卸扣油缸，滿足復雜井下工具串快速上扣或卸扣的需求，有效減輕人員勞動強度。