浅层稠油开采用全液压斜直井修井机研制

摘要：目前国内用于油田浅层稠油开采中的斜直井修井机技术相对落后，还不能满足现场作业的要求。提出了全液压斜直井修井机的设计方案和技术参数；对该修井机的主要零部件和系统（如液压系统、游动吊卡、抓管机、可调底座、支架、接送管装置、油管对中及上卸扣装置等）进行了详细设计。全液压斜直井修井机经过试制和一年多的现场应用，结果表明：其结构设计合理，使用安全可靠，减少了作业人员，大幅降低了作业人员劳动强度。

关键词：斜直井修井；全液压修井机；游动吊卡；管柱上卸扣；油管输送

中图分类号：TE935文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.009

世界稠油储量和开采比较多的国家有委内瑞拉、美国、加拿大和中国，各国每年稠油的产量在1 000～3 000万t。在我国，稠油主要集中分布在辽河油田、胜利油田、河南油田和新疆油田。新疆油田是我国很重要的稠油开发区，根据国内稠油分类标准，新疆油田已探明稠油储量可分为普通稠油、特稠油和超调油，分别占稠油探明储量的44.8%、31.6%和23.6%。稠油埋藏深度变化不大，且一般都比较浅，在140～700 m之间。稠油粘度高，密度大，开采中流动阻力大，不仅驱替效率低，而且体积扫油效率也低［1-2］。为了提高采收率，通常采用打水平井的工艺方法，根据新疆油田稠油埋藏深度情况，宜采用打斜直井的钻井工艺［3-4］。但是，在修井时则需要斜直井修井机完成小修和大修作业。在国外斜直井应用较早、较多的国家主要是加拿大和美国，以加拿大应用较多。1985年加拿大东北钻井公司研制了双井架斜直井修井机，该修井机倾斜角度40°～90°，额定载荷440 kN；后来Failing供应公司研制了单斜井架斜直井修井机，采用机械臂来传送油管；美国Cardwell公司在普通自走修井机基础上研制了5台斜直井修井机，其倾斜角度40°～90°，最大钩载616 kN，井架侧面设置二层平台排放管柱，井架用来立放油管［5-8］。在国内有斜直井应用的油田为河南油田，河南油田斜直井作业机用于井斜范围15°～45°、井深2 000 m以内斜井小修作业，采用传统人工操作的方式进行作业［9］。针对目前国内斜直井修井机技术发展相对落后，且不能满足现场作业要求的现状，笔者研发了一种用于浅层斜直井作业的新型全液压斜直井修井机，其主体结构为撬装结构。该斜直井修井机的主要特点是结构紧凑，安全可靠、可一个人进行修井作业操作，不仅大幅减少了作业人员，还降低了操作人员的劳动强度。本文介绍了XXJJ20Y型全液压斜直井修井机的设计、制造及现场应用情况，供相关设计人员、使用者及管理人员参考。

第53卷第2期张端光：浅层稠油开采用全液压斜直井修井机研制石油矿场机械2024年3月1总体方案及技术参数

XXJ20Y型全液压斜直井修井机主要由液压动力系统、井架及链传动系统、底座、井口对中系统、管柱上卸扣系統、油管接送系统、液压控制系统、电控及操作系统组成，整体采用撬装结构，如图1所示。

该修井机的主要特点：①结构紧凑，使用安全可靠；②一个人可以完成修井作业操作，大幅减少了作业人员50%以上；③管柱上卸扣、输送时采用机械化操作，减少作业人员的劳动强度70%以上。

结合新疆油田稠油开采的实际井况、载荷等情况，确定XXJ20Y型全液压修井机的技术参数如下：

2主要部件及系统设计

2.1液压系统

XXJ20Y型斜直井修井机液压系统分为两部分，即主液压系统和辅助液压系统。主液压系统由Rexroth变量液压泵（型号：A11VO95LRDS/10R-NSD12K01，公称压力 35 MPa，最高压力 45 MPa）驱动，保证动力液压马达和上卸扣油管钳马达的正常工作［10］；辅助液压系统由定量齿轮泵（型号：CBHB-F528-AF，公称压力20 MPa，最高压力 25MPa）驱动，完成固定及游动卡瓦油缸、抓管机起升油缸、井架起升油缸、摆动液缸、机械手油缸、对中油缸、井口液压卡瓦油缸、支腿调节油缸等的正常工作，液压系统的工作原理如图2所示。

液压站包括油箱、油箱支架、液位计、液位控制器、数字温度开关、防爆加热器、过滤器、测压管线、压力表、滤油器、散热电机、电机、主油泵、副油泵、油箱管路等。

阀组A包括井架起升液压缸组件、底座前后移动液压缸组件、两个底座左右移动液压缸组件、防喷器升降液压缸组件（备用）、四个支腿液压缸组件、一个备用的液压管线接口、测压管线、压力表、溢流阀和换向阀。

阀组B包括机械手起升液压缸组件、机械手微型夹紧液压缸组件、排管液压缸组件、摆动液压缸组件、油管钳液压缸、油管钳上下移动液压缸组件、上钻抓管液压缸组件、小绞车起放液压缸、液压卡瓦油缸组件、游动卡瓦油缸组件、一个备用的液压管线接口、测压管线、压力表、溢流阀和换向阀。

阀组C包括提升下压马达组件、油管钳泵组件和一个备用的油管钳备钳。

提升下压马达组件包括双向变量齿轮泵、溢流阀、换向阀。

油管钳泵组件包括油管钳双向泵、溢流阀、换向阀和同步阀。

2.2液压游动吊卡

由于斜直井的井口中心线不是垂线，与水平方向成40°～70°，那么斜直井修井机吊卡的运行轨迹也是与水平方向成40°～70°，故斜直井修井机的游动吊卡设计成闭式液压吊卡，具体结构如图3所示。它主要由吊卡本体、卡瓦、喇叭导向口、油缸和滚轮组成，通过调节螺栓与套筒滚子链相连，由链条、链轮、链轮轴座与修井机井架顶部的液压马达系统相连，构成修井机的传动系统。闭式液压吊卡通过滚轮与井架上的导轨相连，形成与井架主腿平行的运动轨迹，它可在小修和大修作业时完成夹持和悬挂油管柱，并满足不同规格，不同类型油管的夹持要求。有效提高操作效率，降低作业成本，减轻劳动强度，并提高操作的安全性性。

2.3抓管机

井机底座的后端，与支架共用一个旋转轴［11-13］。在起管作业时，主臂通过举升液压缸驱动，由水平位置旋转45°～65°至工作位置。在主臂旋转举升的过程中，摆臂也同时由摆动液压缸驱动旋转至垂直于副臂的位置，然后两个液抓管钳张开钳口，抓住管子后并夹紧，再将油管从井架上放至水平位置，由油管接送装置将油管输送到管架上，完成起管作业，下管作业的过程与起管相反。

2.4底座

底座是用于斜直井修井机的地面摆放定位，安装修井机的支撑部件，具有水平面的前后、左右移动功能和旋转功能［14-15］。底座的对中调节分为纵向调节和横向调节，底座横向可调整范围0～200 mm，纵向可调整范围0～600 mm。底座采用内外相嵌的双层结构，内层底座经调节后，用螺栓固定在外层大底座上。底座上安装支腿2个侧支腿横向调节油缸和2个前后油缸，通过油缸的伸缩使上撬座前后、左右平移及旋转，实现水平面对中，主体结构如图5所示。

2.5井架总成

井架总成主要由井架体、起升油缸、撑杆、链轮组、折叠式吊车、液压钳移动导轨、防喷器支架等组成。井架的总长为14 917 mm，宽度为1 160 mm，高度为700 mm。适应45°～60°的井斜角度。井架上端安装动力驱动轴总成，下端安装在固定轴上，且井架可绕固定轴旋转。井架下端底平面连接两个举升油缸用于起升井架；井架下端上平面设置有闭式液压吊卡导轨，便于闭式液压吊卡往复移动。井架中部下侧设置有2根机械支撑杆，它的作用是固定井，且能够使井架工作时满足45°～60°的井斜角度要求。井架整体模型如图6所示。

井架上端安装动力驱动轴，驱动轴设置有顶紧螺栓，确保链条松紧合适。井架下端上平面设置有导轨，井架上斜面的型钢内侧翼板上安装可更换的滑块做导轨。井架上端两侧各有一个绷绳固定耳座。井架下端有随井架拉运的操作平台，并充分考虑了现场液压卡瓦、液压油管钳的拉运与安装，并设计井口安装的辅助装置。

2.6油管接送装置

油管接送装置在起管时，接收来自抓管机输的油管，并将其送到油管架上，完成起管作业；在下管时，将油管架上的油管一根一根地输送到抓管机上，完成下管作业［16-17］。

油管接送装置由两排管桥、可调支腿、液压抓管手、抓管手液缸、油管架及固定装置组成，管桥一端固定在上撬座的立柱上，一端通过伸缩支腿立于地面，两排管桥立柱间用连杆连接，整体结构如图7所示。该系统拉运时可翻转固定于修井机侧面，随修井机整体拉运。

油管对中、上卸扣装置是斜直井修井机设计的关键部分，其作用是在下管时，扶正下入油管，使其与井口油管的对中，并完成油管的上扣；起管时，完成油管的卸扣，扶正油管，方便抓管机接入油管［18］。该装置主要由扶管对中器、油管钳、油管钳移动导轨、固定装置、缓冲装置（上下、前后各一個）、行程油缸，导向喇叭口、对中油缸等组成，结构如图8所示。油管对中及上卸扣装置整体焊接在井架上，更换油管钳时，只需要将油管钳沿移动导轨方向取出即可。

3现场应用

XXJ20Y型全液压斜直井修井机于2019-10完成设计， 2020-08完成制造、厂内试车，2020-10进入新疆油田现场，现场作业场景如图9所示。经过现场试验、完善，已完成10多次浅层稠油斜直井的起下管作业，现场应用表明其各项技术指标均达到设计要求。

该全液压斜直井修井机结构设计合理、使用安全可靠；且降低作业人员60%以上，降低作业人员劳动强度70%以上，满足了新疆油田稠油开发过程中修井作业的要求。

4结论

1）为了满足油田浅层开采工艺的需要，设计XXJ20Y型全液压斜直井修井机，采用全液压的控制方式，应用送管机器手、排管机器手、液控开口油管钳，液压吊卡、液压游动滑车、液压卡瓦等先进的作业工具，实现了从上卸扣、起管、下管、排管等工作由一个人来完成的工作模式。

2）XXJ20Y型全液压斜直井修井机在国内首次以油田井场电力为动力源的基础上进行设计，整体撬装式结构，开创了石油修井机低碳环保设计的先例，确立了未来石油修井机低碳环保设计的基本方向。

3）XXJ20Y型全液压斜直井修井机的成功研发，解决了我国浅层稠油开采过程中修井作业装备的技术难题，同时为开发动自动化斜直井修井机的设计提供了的技术支撑和储备。

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