馬永剛,丁曉鵬,李國(guó)宏,陳國(guó)黨,胡 軍

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730070;2.塔里木油田a.第三勘探公司;b.第一勘探公司,新疆庫(kù)爾勒841000) *

石油鉆機(jī)用防噴器裝卸系統(tǒng)研制及應(yīng)用

馬永剛1,丁曉鵬1,李國(guó)宏1,陳國(guó)黨2a,胡 軍2b

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730070;2.塔里木油田a.第三勘探公司;b.第一勘探公司,新疆庫(kù)爾勒841000)*

針對(duì)現(xiàn)代新型電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)理念及現(xiàn)場(chǎng)要求,研制出了全液壓控制、1人單工位操作就可完成鉆機(jī)防噴器組吊裝對(duì)中工作的防噴器裝卸系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理、實(shí)施方案,并著重從液壓控制上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及使用情況表明:該系統(tǒng)完全適應(yīng)當(dāng)前電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的要求,利用該系統(tǒng)安裝和拆卸防噴器組,省時(shí)、省力、安全、高效,具有較好的推廣應(yīng)用前景。

鉆機(jī);鉆機(jī)配套;防噴器組;裝卸系統(tǒng);安裝

新型電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在鉆井生產(chǎn)活動(dòng)中,不僅要通過先進(jìn)的鉆井技術(shù)及優(yōu)良的鉆機(jī)配套設(shè)備來提高生產(chǎn)效率、降低成本,鉆機(jī)搬遷安裝的速度也是重要手段之一。隨著石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展,油井不斷加深,井下油氣壓力越來越高,對(duì)鉆井井口防噴器組的安全要求也日趨增高,使得防噴器組的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,質(zhì)量更大[1-4],對(duì)安裝防噴器組的專用配套設(shè)備也提出了更高的要求。過去現(xiàn)場(chǎng)多采用手拉葫蘆或用鉆井大鉤放至鉆臺(tái)下提起防噴器組的安裝方式,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,且不安全。防噴器組的安裝已經(jīng)成為鉆井中必須的工作,對(duì)于高度6～9 m、總質(zhì)量40～55 t的防噴器組,要求安裝精度在毫米范圍內(nèi),各油田無疑均要求有一套能安全、快速、準(zhǔn)確裝卸防噴器組的防噴器裝卸系統(tǒng)。國(guó)外雖已有相應(yīng)的產(chǎn)品,但由于井架底座結(jié)構(gòu)的不同,不能直接采用。由此,研發(fā)了一套全液壓僅1人單工位(液壓控制箱)就可完成操作的防噴器裝卸系統(tǒng)(專利號(hào): 201020266947.4),可以大大降低裝卸井口防噴器組的勞動(dòng)強(qiáng)度,保證安裝質(zhì)量,確保安全生產(chǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)鉆井防噴器裝卸系統(tǒng)的研究制造起步約在20世紀(jì)60年代,至今已開發(fā)了多種系列。例如, J.D.NEU HAUSL.P公司[5]和 INGERSOLLRAND公司[6]的產(chǎn)品提升能力為100～1 000 kN,動(dòng)力有氣動(dòng)和液壓2種驅(qū)動(dòng)形式,提升部件用鋼絲繩或高強(qiáng)度鏈條。國(guó)外幾家公司的此類產(chǎn)品是機(jī)械行業(yè)的通用起重設(shè)備,同時(shí)也能夠適應(yīng)海洋石油平臺(tái)等環(huán)境惡劣的石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)工作,但由于價(jià)格昂貴,國(guó)內(nèi)陸地鉆機(jī)很少使用。

國(guó)內(nèi)過去的在用鉆機(jī)底座設(shè)計(jì)得較低,無法配裝較高尺寸的防噴器組,鉆井現(xiàn)場(chǎng)通常采用下挖井口來彌補(bǔ)底座高度的不足,防噴器組安裝采用手拉葫蘆,勞動(dòng)強(qiáng)度大,安全性差。2000年前后,開始考慮為電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)配套防噴器移運(yùn)裝置、鉆臺(tái)下小車移運(yùn)裝置或電動(dòng)葫蘆吊升移運(yùn)裝置,但這些產(chǎn)品滿足不了新型鉆機(jī)的配套要求和HSE要求[7-8]。2003年,筆者開始研究設(shè)計(jì)液壓防噴器裝卸系統(tǒng),并于2005年獲得中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)公司基金項(xiàng)目資助。自2006年第1臺(tái)樣機(jī)在遼河油田長(zhǎng)北項(xiàng)目ZJ70D鉆機(jī)上試驗(yàn)成功以來,截至2009-12,已有22臺(tái)配套在新型電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)上。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)鉆井防噴器裝卸系統(tǒng)的研究制造已普遍受到關(guān)注,這類產(chǎn)品將向提升能力更強(qiáng)、自動(dòng)化程度更高和更好地滿足 HSE要求方向發(fā)展[3-4]。

2 結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)參數(shù)

鉆機(jī)用防噴器裝卸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)方案如圖1。

圖1 防噴器裝卸系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)

將防噴器組的安裝分解為2個(gè)主要?jiǎng)幼?①將防噴器組提升以及下放;②將防噴器組提起后移送并放置到井口。

防噴器組提升及下放是通過滑輪和鋼絲繩將液壓缸活塞桿水平移動(dòng)改變?yōu)榇怪币苿?dòng),即為升降作業(yè)。為了使鋼絲繩兩端提吊力平衡,在2個(gè)動(dòng)滑輪之間的一根鋼絲繩中部要繞過一個(gè)固定在吊裝裝置骨架上的平衡滑輪。

防噴器組提起后移送采用液壓馬達(dá)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾輪在軌道上水平移動(dòng),通過滾輪架、支架體和吊裝裝置骨架來實(shí)現(xiàn)所起吊設(shè)備的水平移動(dòng)。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

額定提升載荷 600 kN

提升高度 3.2 m

提升速度(額定載荷時(shí)) 0.8 m/min

下放速度 1.6 m/min

水平行走速度 11 m/min

液壓系統(tǒng)額定工作壓力 21 MPa

液壓系統(tǒng)額定工作流量 120 L/min

2.3 液壓系統(tǒng)技術(shù)方案[9-10]

設(shè)計(jì)了2套液壓系統(tǒng)控制流程,其液壓原理如圖2～3所示,2套系統(tǒng)均能完成預(yù)定的操作。

圖2 第1套液壓系統(tǒng)控制原理

圖3 第2套液壓系統(tǒng)控制原理

為比較2套系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),用2套方案各制做了1臺(tái)樣機(jī),在廠內(nèi)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 2套系統(tǒng)在理論上均有可取之處,功能上都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3.1 第1套液壓系統(tǒng)

用多路換向閥作為主動(dòng)作閥,簡(jiǎn)單易于安裝,現(xiàn)有的工程機(jī)械大多采用這種結(jié)構(gòu)的多路閥。但多路換向閥會(huì)隨著閥芯磨損或油的污染使液壓油的泄漏增加、保壓性能將降低,而且現(xiàn)有的多路閥均由單手柄、單閥桿的三位六通閥組合而成,以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙回路或多回路的控制。存在的問題主要是在性能方面不能實(shí)現(xiàn)雙回路或多回路之間的復(fù)合動(dòng)作,這在工程機(jī)械的使用中將嚴(yán)重影響機(jī)械的作業(yè)效率,并加大操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。在制造成本方面,由于采用的是單閥桿結(jié)構(gòu),閥體和閥桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)、制造要求精度高,生產(chǎn)成本也較高。

2.3.2 第2套液壓系統(tǒng)

控制閥件均采用工程閥,工程閥以其外形美觀、安裝尺寸小、動(dòng)作靈活及設(shè)計(jì)集成閥板時(shí)安裝方便等優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)前液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常被優(yōu)先選用。該液壓系統(tǒng)采用的幾個(gè)工程控制閥件的作用及特點(diǎn)如下:

a) 平衡閥在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中作為液壓缸液壓鎖是必不可少的,平衡閥在液壓系統(tǒng)中的主要作用就是防止負(fù)載過大引起液壓缸和馬達(dá)的“失控”或管線破裂。

b) 分流集流閥的作用是使液壓系統(tǒng)由1個(gè)出口向2個(gè)執(zhí)行元件供應(yīng)相同的流量(等量分流),以實(shí)現(xiàn)2個(gè)執(zhí)行元件的速度保持同步或定比關(guān)系;集流閥的作用則是從2個(gè)執(zhí)行元件收集等流量或按比例的回油量,以實(shí)現(xiàn)其間的速度同步或定比關(guān)系。分流集流閥則兼有分流閥和集流閥的功能,所以在2個(gè)完全獨(dú)立的起吊裝置間安裝分流集流閥是非常有必要的,它是2個(gè)完全獨(dú)立的起吊裝置在前行或后退時(shí)保證同步的有力保障[11]。

c) 雙向節(jié)流閥采用滑閥式結(jié)構(gòu),流量調(diào)整為手調(diào)式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,同時(shí)由于在閥芯兩端用液壓平衡原理,因此調(diào)節(jié)力矩小,操作輕便,在液壓系統(tǒng)中對(duì)油路進(jìn)行調(diào)整節(jié)流,以改變執(zhí)行元件的工作速度。液壓流程中設(shè)計(jì)安裝此閥的效果是明顯的,它使得在系統(tǒng)工作中液壓缸、液壓馬達(dá)的動(dòng)作速度可以調(diào)節(jié)到相對(duì)合理的位置上[12]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

a) 液壓缸活塞桿的水平運(yùn)動(dòng)要轉(zhuǎn)變?yōu)檠b卸系統(tǒng)的升降運(yùn)動(dòng)。

b) 每套裝置能獨(dú)立完成行走和升降工作。

c) 移動(dòng)小車及減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊,且工作要平穩(wěn),噪聲小;液壓缸骨架采用整體焊接后加工的工藝,液壓缸活塞桿前端為整體軸結(jié)構(gòu)。

d) 有2個(gè)起升液壓缸同時(shí)工作,因此就要求2液壓缸以及2套動(dòng)滑輪、平衡輪、靜滑輪和鋼絲繩的動(dòng)作同步,以便裝卸工作平穩(wěn)。

e) 移動(dòng)小車具有較大的牽引力,配備了多個(gè)液壓馬達(dá),因此要求多個(gè)液壓馬達(dá)及其滾輪動(dòng)作同步,使裝卸系統(tǒng)的水平移動(dòng)平穩(wěn)。

f) 為實(shí)現(xiàn)防噴器組的升降作業(yè)和水平移動(dòng)作業(yè)功能,液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須將2個(gè)完全獨(dú)立的吊裝裝置有機(jī)地結(jié)合起來。

4 技術(shù)難點(diǎn)

2個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)是完全獨(dú)立的,其同步主要靠液壓流程來解決,根據(jù)前幾臺(tái)裝置的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看,2個(gè)液壓缸的同步不是本裝置的主要技術(shù)問題,因?yàn)?個(gè)裝置靠液壓缸起升重物時(shí)其載荷是基本平衡的,在起升過程中自找平衡,即使從液壓回路上不考慮2個(gè)液壓缸的同步動(dòng)作,也不會(huì)影響整個(gè)設(shè)備的使用,在最終確定這部分的液壓回路時(shí)去掉了2個(gè)液壓缸的同步閥。但在系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的同步將至關(guān)重要,2個(gè)裝置在軌道上行走時(shí),是靠馬達(dá)提供的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力,每個(gè)裝置上分布著4只主動(dòng)滾輪和4只從動(dòng)滾輪,在行走過程中不能保證每個(gè)主動(dòng)滾輪上的載荷相同,而且每個(gè)裝置上分布2個(gè)馬達(dá),結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立,油路并聯(lián)連接,載荷自找平衡。但相互獨(dú)立的2個(gè)裝置上的馬達(dá)就必須做到同步動(dòng)作,否則將會(huì)出現(xiàn)1個(gè)裝置行走,1個(gè)裝置不動(dòng),載荷輕的走,載荷重的不走,控制起來非常麻煩,只能單個(gè)控制,很難實(shí)現(xiàn)同時(shí)動(dòng)作,這是液壓流程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看,2套系統(tǒng)都達(dá)到了預(yù)期的功能要求,考慮到生產(chǎn)加工以及維修方便的問題,本防噴器裝卸系統(tǒng)采用第2套液壓原理圖作為產(chǎn)品的液壓控制圖。

5 試驗(yàn)及應(yīng)用

由于防噴器裝卸系統(tǒng)是針對(duì)石油鉆機(jī)使用過程中吊裝防噴器組而專門配備的,在廠內(nèi)進(jìn)行設(shè)備試驗(yàn)時(shí)有相當(dāng)?shù)碾y度無法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用狀態(tài),也很難找到如此大噸位的重物進(jìn)行起吊試驗(yàn)。故在廠內(nèi)進(jìn)行了流程試驗(yàn)、無載荷試驗(yàn)和拉力靜載荷試驗(yàn)后,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

2006-03,在陜西榆林進(jìn)行了設(shè)備的工業(yè)性試驗(yàn),配套在遼河石油勘探局ZJ70D型鉆機(jī)上,進(jìn)行了空載荷的所有動(dòng)作試驗(yàn),結(jié)果起升平穩(wěn),行走靈活;在安裝防噴器時(shí)進(jìn)行了雙閘板防噴器(質(zhì)量13.8 t)、單閘板防噴器(質(zhì)量6.7 t)、環(huán)形防噴器(質(zhì)量7.2 t)及整體組合后(約質(zhì)量36 t)的起吊安裝,整個(gè)過程完全符合現(xiàn)場(chǎng)的安裝要求,也證明了設(shè)備完全能符合ZJ70D型鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的使用。

由于現(xiàn)場(chǎng)的使用沒有考核到設(shè)備最大載荷2× 300 kN,所以2006-09又委托蘭州蘭石起重設(shè)備檢測(cè)站為該防噴器裝卸系統(tǒng)做了整體性能考核試驗(yàn),2個(gè)起吊裝置分別做了50、100、150、200、250、300 kN的起吊試驗(yàn)及載荷下的行走試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),工作性能良好,控制系統(tǒng)操作靈活、可靠,各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

截至2009-12,生產(chǎn)的防噴器裝卸系統(tǒng)已有22套服務(wù)于鉆機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),使用狀態(tài)良好,得到了現(xiàn)場(chǎng)用戶的一致好評(píng)。

6 結(jié)論

1) 該系統(tǒng)完全滿足現(xiàn)代新型電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的配套使用要求,具有優(yōu)良的特性,安裝維護(hù)簡(jiǎn)便,操作簡(jiǎn)單,安全可靠。

2) 該系統(tǒng)的研制成功,為油田提供了安全、可靠的石油鉆井防噴器安裝、拆卸的理想產(chǎn)品,大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,具有良好的社會(huì)效益。

[1] 王子磊,綦耀升,宋忠坤,等.修井用雙閘板防噴器的選型設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(6):58-61.

[2] 王媛媛,李 俊,趙志斌,等.手動(dòng)電纜剪切雙閘板防噴器的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(9):86-88.

[3] 陳麗霞,劉清友,單代偉,等.防噴器控制系統(tǒng)故障樹的建立與定性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(10): 64-67.

[4] 肖力彤,宋振華,鄭 泳,等.Cameron結(jié)構(gòu)的防噴器殼體有限元分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(2):38-40.

[5] J D NEUHAUS.P公司.http://www.jdneuhaus.co.uk/ products/index_hoists.htm.(2007-05-18)[2008-03-10].

[6] INGERSOLLRAND公司.http://www.irtools.com/ lifting/index.aspx.(2006-10-12)[2008-03-10].

[7] 王延文,王 鑫,王軍山.石油鉆井防噴器拆裝裝置的研制與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2006,30(3):33-35.

[8] 蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司.油氣井防噴器組安裝裝置:中國(guó),03281046.6.7[P].2004-11-24.

[9] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)——液壓控制閥件:第 4卷[K].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:365-613.

[10] 張利平.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:89-92.

[11] 全球閥門網(wǎng).分流集流閥的工作原理[EB/OL].http://www.famens.com/tech/display.asp?id=1392 (2006-04-10)[2008-03-10].

[12] 漢特姆閥門制造有限公司.雙向節(jié)流閥使用說明書[K10L]http://www.buy-valve.com/ps.asp?ig= 210(2007-09-15)[2008-03-10].

Development and Application of BOP Assembly and Disassembly System in Drilling Rig

MA Yong-gang1,DING Xiao-peng1,LI Guo-hong1;CHEN Guo-dong2a,HU Jun2b
(1.L anpec Technologies Limited,L anzhou730070,China;2.a.No.3Drilling Company; b.No.1Drilling Company,Tarim Oilf ield,Korla841000,China)

Aiming at the design idea and on-site requirement of new electricity drilling rig,a set of full-hydra controlled assembly and disassembly system,which operated by only one person in single position,was developed to complete installing and aligning process of BOP set.Its structure, technical principle,operational scheme are introduced,and hydraulic control part is detailed in the system;the system has met the requirement of current electricity drilling rig completely according to on-site test and field operation situation,which has the advantage in saving time,saving labor, safety,high performance in assembly and disassembly process.Consequently,it has wide application in oil fields.

drilling rig;rig system;BOP set;assembly and disassembly system;installing

1001-3482(2010)12-0064-04

TE921.5

A

2010-05-20

中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)公司科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(SINOMACH06科008號(hào))

馬永剛(1975-),男,陜西咸陽人,高級(jí)工程師,主要從事石油鉆井設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。