举升滚动式修井机滑移卡阻分析与设计优化

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(中海油能源发展股份有限公司装备技术有限公司，天津 300452)

海洋平台修井机的滑移系统主要工作原理为液压传动，即通过液压缸提供推力和拉力推动修井机克服摩擦阻力完成滑移活动。根据修井机与平台滑轨之间摩擦阻力的不同，海洋平台修井机滑移系统主要可分为以滑动摩擦为主要摩擦类型的插入式棘爪滑移系统和以滚动摩擦为主要摩擦类型的举升滚动式滑移系统，见图1。

图1 举升滚动式滑移系统组成[1]

近年来，插入式棘爪滑移系统以其经济性和可操作性的优势逐渐成为修井机滑移系统配置的主流。但由于举升滚动式滑移系统对滑轨截面参数、形位偏差方面要求相对不高，且适配性极强，仍常见于可搬迁式修井作业模式中。

1 修井机滑移影响因素

修井机的举升滚动式滑移方式中，修井机本体相对滚排采用滚动摩擦，而举升油缸底座相对平台滑轨则采用滑动摩擦，两者之间摩擦阻力差距较大，加大了修井机井架中心对中转盘中心和井口中心的难度，底座结构很难找齐中心线，如果未能及时采取措施,则会进一步造成相关结构、设备的损坏，甚至会造成修井机底座支腿结构不可逆的塑性破坏。目前中海油部分平台已出现过举升滚动式滑移发生卡阻及破坏现象的情况，如曹妃甸作业区域的WHPD平台(见图2、3)和WGPA平台，见图4、5。

图2 垫片被顶出，限位导向块与滑轨上翼缘板嵌接

2 滑移卡阻的成因分析

2.1 对修井机座板的限位失效导致无法控制垂直于滑轨方向的偏移量

表1为曹妃甸11- 6油田WHPD平台修井机发生滑移卡阻时检测出的修井机座板外偏量，其中，最小偏移为东南座板(35、45 mm)，最大偏移为东北座板(80、92 mm)。

表1 CFD11- 6 WHPD平台修井机下移动底座修井机座板偏移数据 mm

注：①以平台北为正北方向，作业时修井机沿滑轨作南北向滑移；②以上数据为座板外缘至滑轨翼板外缘的距离。

由表1可见，整个座板发生明显外偏，由此推断，对修井机座板的限位失效导致了垂直于滑轨方向的偏移过大，再进一步进行分析，造成座板的限位失效有以下两大原因。

1)修井机座板承受载荷过大，无法有效限制挠度变形。举升滚动式滑移常见于老旧平台可搬迁式修井机作业，考虑到跨平台作业的互适性以及平台总体布置的经济性，在该类平台甲板上通常未预留泥浆罐位置，在设计时往往将泥浆罐集成于修井机下移动底座支腿内侧，修井机座板在承受重载下支点反力较大，限位导向块不易配合修井机座板有效完成对挠度变形的控制。同时考虑到某些特定作业的操作便利性，部分修井机集成的泥浆罐之间缺乏必要的刚性连接(见图6)，泥浆罐远端弯矩较大，也造成了修井机座板挠度变形的增大。

图6 泥浆罐之间缺乏必要的刚性连接，导致座板挠度变形增大

2)限位导向块结构形式不合理，无法完全发挥限位功能。修井机向不同井位滑移时，限位导向块螺栓未能扭紧，举升油缸举升后，修井机本体与滚排之间滚动摩擦阻力远小于举升油缸底座与平台滑轨之间的滑动摩擦阻力，修井机本体很容易就克服摩擦阻力，弹性变形释放，进一步推动修井机座板朝滑轨方向外偏。同时，限位导向块常采用垫片加高的结构，在螺栓未拧紧的情况下，垫片被顶出，未起到限位作用，导致限位导向块和滑轨同时失效。如图2中，平台滑轨内侧导向块垫片被顶出，限位导向块与滑轨上翼缘板嵌接，该示例是限位导向块作用失效的典型结果。

2.2 滑移姿态不同步造成平行于滑轨方向偏移过大

滑移姿态不同步不利于控制平行于滑轨方向的偏移量，而同步性累计偏差又进一步导致了滑移卡阻的发生。

1)支点反力不均衡造成滑移两侧摩擦阻力不同步。由于总体布置需要，修井机钻台面重量分布并不均匀，在滑移至不同井位时，重心调整较为频繁，增大了井架对转盘中心、底座中心的对中难度。同时，如果井口区布置偏向某一侧滑轨，在运行到极限井位时，两侧支点反力严重不平衡，使单根滑轨局部受力过大，造成两侧摩擦阻力存在明显差距，也会导致滑移姿态的不同步[2]。

2)平移油缸不同步使错位累计形成较大偏移量。修井机向不同井位滑移时，底座连接平移油缸的支座出现侧拉现象，导致举升油缸底座与下移动座座板发生干涉，同时，相对侧的油缸连接耳板出现错位，导致滑移过程出现移动错位。另外，液压站到各油缸管线长度存在较大差别，也易造成油缸动作不同步，从而导致移动错位。随着滑移作业的进行，最终形成累计偏差，造成滑移卡阻。

3)操作者很难准确目测修井机的不同步情况。由于修井机采用举升滚动式滑移，滑轨上没有步行孔，操作者缺乏参照，难以判断修井机滑移时的不同步，未能当机立断采取措施。如图5中泥浆罐的刮痕，较大程度是因为操作者未能及时发现滑移已出现故障，继续进行作业，导致了二次破坏的发生。

2.3 滑轨自身因素加速滑移卡阻的发生

滑轨老化导致的下沉变形、新老滑轨之间水平度和同轴度的差异、相对侧滑轨之间平行度的差异、滑轨润滑性下降等滑轨自身因素的存在，也会进一步地造成修井机滑移姿态的偏移，进而导致滑移卡阻。

3 滑移卡阻的设计优化

滑移卡阻可能由其中一个因素或者多个因素造成，因此需要综合正确的设计手段和操作方法来实现有效预防。

3.1 通过增加连接结构控制扰度变形

采取措施控制底座变形是从受力角度解决滑移卡阻问题的重点，可考虑在两侧泥浆罐之间增加连杆或者斜撑结构，如在泥浆罐底部增设两根水平钢梁，修井机整体形成桁架结构形式，以提高其稳定性，从而利于控制底座变形。同时，针对部分特殊作业的操作便利性，可采用活动式连接(销轴或螺栓等)，作业时方便用手动工具拆下，待作业完成后，再将连接结构复位。

用有限元软件模拟曹妃甸11- 6 WHPD平台修井机在限位失效工况下有无连杆时的支腿位移，其中对边界条件的设置见图7，以平行于滑轨方向为X方向(东向为正)，以垂直于滑轨方向为Y方向(南向为正)，以垂直于滑轨平面为Z方向(向上为正)，1表示约束，0表示自由。在位工况下，修井机4个支腿处于锁紧(固定)状态，自由度均设置为111 000(简支)；在限位失效时，部分支腿处于平面自由状态，可模拟为放开X、Y方向约束，自由度设置为001 000。

图7 有限元分析边界条件的设置

表2为经过有限元计算得出的不同失效工况下非约束支腿的X向最大位移结果，由表中可知，增加连接结构后可有效地限制座板的挠度变形，提高修井机整机稳定性。

表2 CFD11- 6 WHPD平台修井机底座支腿限位失效工况下的有限元模拟对比分析 mm

3.2 通过优化限位导向块结构形式增强限位能力

考虑到润滑效果和维修便利性，限位导向块经常设计成中间带垫片的可拆卸结构(见图8)，但实际操作证明此导向块形式对限制举升滚动式滑移的姿态偏移作用有限，故可将限位导向块变更为整体式结构(见图9)，滑移时无须松动内侧限位螺栓，仍可保证移动时的限位功能。

图8 加垫片式限位导向块

图9 整体式限位导向块

同时考虑到限位导向块与滑轨在失效时很容易产生侧向摩擦，也可将限位导向块单侧预留足够的间隙，保证在滑轨变形较大情况下的滑动，防止出现滑移卡阻。

3.3 通过控制支点反力降低修井机对中难度

在前期ODP研究阶段，在综合考虑技术、经济可行性的前提下，减少井口数量，对称布置井口，可有效控制滑轨单个支点承受较大反力的情况。在具体设计时，应注意对钻进台面总体布局的合理设置，确保载荷平均分布，对承载结构的传力路径进行优化，均衡支点反力，从而有效提高同步性。

3.4 通过电控系统有效控制油缸的同步性

通常，举升滚动滑移系统通过电控系统和同步阀等来控制油缸的往返行程，可较好地保证滑移的同步性，但考虑到成本因素，很多修井机的操作阀中未安装同步阀[3]，导致滑移同步性不易控制。因此加装必要的操作阀对控制油缸的同步性具有重要的意义。

3.5 通过滑轨结构标准化设计减少滑轨因素影响

针对滑轨自身因素影响滑移卡阻的问题，建议对滑轨及相关配套结构、设施的要求形成行业性的规范文件，对结构材料材质、截面尺寸参数、焊接精度、度量要求、建造和安装工艺、后期维保操作等方面形成统一规定。在设计时严格按照规范、规定要求进行标准化设计，有利于控制姿态偏移和卡阻破坏。

3.6 通过设置滑移刻度标识辅助操作者完成同步性观测

针对操作者很难完成准确目测的情况，可在修井机下移动座合适的位置设置滑移刻度标识，辅助操作者完成同步性观测。在进行滑移作业时可以对两侧滑移进行对比，发现不同步情况严重时，操作者可以适当进行调整操作，避免不同步造成限位导向块失效。

4 结论

由于摩擦类型不同，主流棘爪型滑移方式常见的滑移问题为划痕和划伤，而举升滚动式修井机则更易出现滑移姿态偏移甚至滑移卡阻。针对滑移问题，国内已有相关专题进行了较深入的研究，但均主要立足于划痕的成因与对策，对姿态偏移和卡阻现象反而缺乏探讨。然而，滑移卡阻除可能影响正常修井作业并造成后续经济损失外，更重要的是，若处理不当可导致主腿结构塑性破坏，从而对平台使用安全和人员人身安全造成巨大威胁。因此，对滑移卡阻现象进行专题研究，具有一定的前瞻性、实用性和紧迫性，而在成因分析的基础上有针对性地从设计上进行预防性优化，则是避免损失，保证正常作业，为平台稳产、增产做出贡献的行之有效的方法。

[1] 江荣海.海洋修井机滑移系统研究[J].中国高新技术企业,2016(14)：153- 154.

[2] 胡泽刚.海洋模块钻机滑轨防止划痕技术研究[J].中国海洋平台,2012,27(5)：8- 11.

[3] 张超.海洋修井机移动滑轨划痕的形成原因和处理方法[J].机械工程师,2012(7)：215- 217.

[4] 王晓雷.海洋钻修机滑靴优化设计[J].石油工程建设,2015,44(5)：62- 64.

[5] 关双会,武永清,刘辉，等.海洋修井机改造工程实施方案分析及总结[J].石油工程建设,2012,38(5)：11- 16.

[6] 关双会.海洋钻修机滑轨标准化研究及应用[J].石油工程建设,2013(2)：22- 28.

[7] 海上石油平台修井机.第1部分：设计Q/HS 2007.1—2013[S].中国海洋石油总公司，2013.

[8] API Spec 4F.Drilling and well servicing structures [S] 2013.