海洋液压提升修井机的研究

丁辉 陈金稳 （中海油能源发展油建渤海装备技术服务分公司 天津300452）

周怀亮 （中海油天津分公司生产部作业室 天津300452）

1 液压提升修井机发展的现状

近年来随着石油工业的飞速发展，石油钻井设备也取得了长足的进步，石油钻机先后经历了从机械驱动到直流电机驱动，再到目前具有代表性的交流变频电机驱动，但人们一直都在寻求着一种既安全、可靠，又环保、节能，而且便捷的小型修井设备。

20世纪90年代初，美国库美公司与挪威合资成立的海事液压公司研制出了海洋9 000 m第一类液压钻机，实现了绞车、转盘、泥浆泵的液压驱动，随后几年由挪威的MH和意大利SoilMec公司生产了另一类液压钻机，以液压油缸实现了大钩的提升。[1]20世纪90年代中期，中石化胜利石油管理局成功研制了第一台车载式液压提升修井机（见图1），开创了中国研制液压修井机的先河，继第一台液压提升修井机取得成功后，胜利石油管理局又先后研制了四台液压提升修井机，最大钩载可达50 t。[2]

在中国海洋石油蓬勃发展的今天，由于受平台承载能力、作业面积等条件的限制，对轻巧、可搬迁式修井机的需求迫在眉睫。中国海洋石油天津分公司与中国石化江汉石油四机械厂于2008年着手联合研制适用于海洋无人平台的HXJ90Y液压模块修井机，该修井机最大钩载900 kN，额度钩载600 kN，最大提升速度1 m/s，液压举升净空高18 m，并配置了动力水龙头、铁钻工等设备。

图1 胜利石油管理局液压修井机

2 海洋液压提升修井机的设计思路

2.1 传统海洋修井机的概况

海洋修井机是实现修井作业的关键设备。修井机是通过下管柱、井内循环作业及旋转作业来完成对抽油杆、抽油泵等井下设备和工具的使用，实现捞沙、机械清蜡、冲砂、热洗及循环泥浆等修井作业。[3]

目前中海油天津分公司已经拥有南阳石油二机厂、江汉石油四机厂及川油广汉宏华等公司生产的HXJ60、HXJ90、HXJ120、HXJ135、HXJ158、HXJ180、HXJ225 等系列修井机。根据修井作业的工况需求及海洋平台的自身结构特点，海洋石油修井机需具备如下特征[3]：结构合理、紧凑，重量相对较轻；操作方便，安全可靠，故障率低；一定的爬行能力，能够覆盖平台所有井口；稳定的作业工况，能够克服海洋恶劣气候；一定的提升和载荷工况；具备循环泥浆工况；具备旋转、送进作业工况；具备井控防喷作业工况。

2.2 海洋液压提升修井机设计思路

为了解决中海油天津分公司渤海湾部分无人生产平台的承载能力、甲板使用面积及修井机的利用率等问题，另外结合当前所宣扬的“节能减排”、“环境保护”等有关倡议，提出适用于海洋的新型液压提升修井机的设计方案。海洋液压提升修井机的设计思路如下：为了保证整机的稳定性，液压提升修井机的整体固定结构仍采用传统海洋修井机的轨道压板式固定方式；移动方式仍采用传统海洋修井机的爬行机构；仍采用传统海洋修井机的井控防喷作业工况；动力源采用“电机+液泵”的方式；液压提升修井机采用单根提升作业，降低液压提升修井机的作业高度，提高整机的稳定性；采取多定滑轮组，获取较大的提升高度比和提升速度；采用同步液压油缸（2组或多组）顶升游动梁，实现游车大钩的起升；采用液压蓄能装置，实现节能作业；配置动力水龙头（配轨道）和铁钻工等设备。

2.3 传统海洋修井机与海洋液压提升修井机的对比

将传统海洋修井机与新型海洋液压提升修井机的性能参数、实用性及经济性进行参照对比，具体情况见表1：

表1 传统海洋修井机与新型海洋液压提升修井机的对比

3 海洋液压提升修井机的主要技术

3.1 主要驱动形式为液压驱动

海洋液压提升修井机的液压系统为修井机的调整和修井作业提供液压动力源，配置各种阀件来控制液压系统压力，操作各液压机具，确保液压系统安全运行，操作安全可靠。液压执行元件包括两个举升液缸、动力水龙头、全自动井架工、铁钻工、两个井架起升油缸、两个上移动座移动油缸、两个下移动座移动油缸、两台液压小绞车。[4]各液压驱动执行原件见图2。

图2 海洋液压修井机液压系统执行元件

3.2 采用同步液压油缸，实现大钩的起升或下降

海洋液压提升修井机主要是通过2组或多组同步油缸顶游动梁的方式，来实现游车大钩的上升或下放，进而实现提升或下放油杆作业，此种提升方式告别了游车大钩“顶天立地”的作业危险，节省了智能防碰装置的购置费用。另外，液压修井机的制动主要是通过液压节流的方式来实现，避免了传统手动刹把和液压盘式刹车方式带来的摩擦粉尘。[2]

同步液压油缸的设计、选型依据液压修井机的额定提升载荷及液压源所提供的压力，另外在油缸的设计过程中需考虑滑轮组的提升高度比及油缸安装的稳定性。

3.3 采用定滑轮组，获得较大的提升比

海洋液压提升修井机通过采用多个定滑轮组成的滑轮组来实现较大的提升速率，降低钢丝绳的承载能力，延长钢丝绳的寿命。海洋液压提升修井机的提升系统采用两根死绳，而没有快绳，两根死绳分别固定在井架或钻台上，另外多个定滑轮分别安装在修井机钻台上和游动梁上。提升系统结构图见图3。

图3 海洋液压修井机提升系统结构

在同步油缸提升速度一定和不增加定滑轮的情况下，游车大钩的提升比随着游车滑轮数增加而降低。当采用1×2游动系统时，游车大钩有最大的提升比，但此时单根钢丝绳的受力也最大，所以在海洋液压提升修井机的提升系统的设计过程中，不但要考虑修井机的额定载荷和钢丝绳的受力情况，而且还要考虑修井机的提升比及大钩提升速率等问题。

3.4 采用液压蓄能装置，实现节能降耗

为了有效解决海洋液压修井机动力机空转浪费的能量和油管柱下放时释放出的部分势能，同时解决在作业过程中动力机突然出现故障造成作业终止或安全隐患，因此在海洋液压修井机的设计构思中采用液压蓄能装置。

3.5 配置全自动井架工和铁钻工

海洋液压修井机配置全自动井架工和铁钻工，机械化、自动化程度较高。全自动井架工安装在二层台，井架工不需要再上二层台进行操作，安全性能好，而且全自动井架工独特的旋转门设计保证操作简单，重量轻，使钻柱排放平稳而灵活。铁钻工安装在井口，可大大减少井口的作业人员，提高作业的自动化程度，降低作业的安全系数。[5]全自动井架工和铁钻工的结构分别见图4和图5。

图4 全自动井架工

图5 铁钻工

4 结束语

海洋液压提升修井机不仅具有轻巧、安全、环保、节能、可拆迁等优点，而且还可以解决目前中海油渤海湾部分无人生产平台的修井作业，提高无人生产平台的产油率。海洋液压提升修井机提出的多定滑轮组提升系统打破了传统修井机提升系统的工作原理和结构形式，解决了传统修井机占地面积大和结构不够紧凑等问题；同时提出的液压蓄能装置不仅大大提高对系统液压能的利用率，而且也起到了很好的节能作用。另外海洋液压提升修井机还可以通过改造运用到压井作业中，对于保护和维持油气层的原始产能，减少酸化、压裂等作业次数具有十分重要的意义。[6]■

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

[2]顾心怿.液压蓄能修井机[Z].中石化胜利石油管理局.

[3]尹永晶，黄荣杰.石油修井机[Z].南阳石油二机厂，2002.

[4]王峻乔，李传斌.液压模块修井机[Z].江汉第四石油机械厂.

[5]张洪生，于昊，赵金峰.铁钻工的现状与展望[D].兰州理工大学，2000.

[6]谢永金，曹立明.新型不压井作业设备的研究[J].石油机械，2007（9）：161-164.