蓋永革，古青海，江正清

（1.中國石油大學（華東），山東 青島266555；2.中石化勝利石油工程有限公司a.井下作業(yè)公司；b.鉆井工藝研究院，山東 東營257000）①

修井作業(yè)是提高原油采收率的重要措施。目前，可供海上油田選擇的修井設(shè)施主要包括平臺模塊鉆機，即1個平臺需鉆較多的開發(fā)井時，選擇平臺模塊鉆機完成鉆完井工作，后期作為該油田修井設(shè)施等［1］。綜合考慮投資成本，海上部分采油平臺不適合安裝固定的修井設(shè)備，修井作業(yè)主要依靠鉆井船重新就位或?qū)Ｓ霉ぷ鞔瑏硗瓿伞Ｄ壳?，移動式修井設(shè)施的生產(chǎn)任務繁重，無法滿足海上修井作業(yè)的需求，許多油井不能及時進行修井作業(yè)，影響了淺海油田的石油開發(fā)，而且移動式修井設(shè)施的作業(yè)成本較高。目前，僅渤海海域就建有13座無修井機采油平臺，所以研制簡易、輕型、模塊化、修井作業(yè)成本低的海上組裝式修井裝置是非常必要的。

1 海上修井裝置的發(fā)展趨勢

在國內(nèi)，海洋修井機經(jīng)過近20a的發(fā)展，已初步形成系列化，功能上基本能滿足海洋油田的需求。為適應不同海域環(huán)境、不同平臺類型、不同作業(yè)方式以及特殊作業(yè)的需要，我國海洋修井機目前呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢，例如可搬遷式、小模塊化海洋修井機和海洋模塊鉆機等［2］。近年研制成功了多功能海洋3 000m鉆修機，標志著我國海洋石油鉆采裝備研制能力取得重大進展，該鉆修井機集鉆井、完井、修井3項功能于一體，適用于自升式、自航式海洋多功能鉆井船作業(yè)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，全部實現(xiàn)模塊化和高移運性，可滿足海上作業(yè)現(xiàn)場頻繁拆卸、移運和安裝的需要，能大幅提高海洋油氣勘探開發(fā)的工作效率。

通過引進、國產(chǎn)化、再創(chuàng)新，目前我國海上采油平臺已普遍裝備了國產(chǎn)海洋鉆修井機，但在整機的設(shè)計水平、防腐工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量控制和管理水平、廠家提供的隨機技術(shù)資料等方面與國外海洋鉆修機相比仍存在一定差距［3］，在針對不同平臺類型、特殊要求而研制的鉆修機與國外存在較大差距，例如國外已針對單井或無承載能力采油平臺開發(fā)出液壓簡易修井裝置（如圖1），國內(nèi)尚未見類式修井裝置研制的相關(guān)報道。

圖1 國外的海上簡易修井裝置

鉆修井設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、運移性以及設(shè)計上的統(tǒng)一性等影響著石油工業(yè)相關(guān)工程的安全與穩(wěn)定性，同時也決定著工程的成本投入水平。因此，設(shè)備更加安全可靠，壽命較長，性能更優(yōu)；更趨機械化、自動化、智能化，設(shè)備的高效節(jié)能特性更為突出；能夠滿足不同環(huán)境條件之下的作業(yè)需求等是未來鉆修井設(shè)備發(fā)展的主要方向［5］。

2 海上組裝式修井裝置總體方案

2.1 技術(shù)要求

設(shè)計的海上組裝式修井裝置符合石油鉆機和修井機標準 GB／T 23505—2009、API相關(guān)標準及中國海洋石油總公司企業(yè)標準Q／HS 2007。采用模塊化設(shè)計，自升式井架，模塊質(zhì)量小于5t。裝置作業(yè)時采油平臺僅承受修井裝置的自重力，管柱與提拔載荷可分配到井口上。

主要技術(shù)參數(shù)［6－7］：

名義小修井深（2″外加厚油管）4 000m

名義大修井深（2″鉆桿）3 200m

額定鉤載 600kN

最大鉤載 900kN

絞車功率 275kW

井架高度 30m（22m）

二層臺安裝高度單根（雙根）8.5m（16.5m）

有效繩數(shù) 6根

鋼絲繩直徑 26mm

大鉤最大起升速度 1.2m／s

整機總質(zhì)量 50t

2.2 總體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)整體要求和主要技術(shù)參數(shù)，通過技術(shù)調(diào)研和分析研究，確定了總體結(jié)構(gòu)方案，如圖2。包括縱橫向移動工作臺、自升式井架、電機直驅(qū)絞車、電機直驅(qū)鉆盤、天車臺、游動系統(tǒng)、司鉆控制房及井口連接組件等。

圖2 海上組裝式修井裝置結(jié)構(gòu)方案

特點：

1） 通過液壓驅(qū)動使底座橫向及縱向移動，可進行叢式井作業(yè)。

2） 采油平臺僅承受海上簡易修井裝置的自重力，作業(yè)過程中的起升重力和作業(yè)管柱的重力由井口承擔。

3） 井架為自升式結(jié)構(gòu)，利用梯形基礎(chǔ)座的油缸進行井架的起升操作。井架分段、分片制造，便于運輸，節(jié)約運輸成本，且安裝簡便、起升平穩(wěn)、工作可靠。

4） 工作臺移動、井架起升、井口承載控制等均采用液壓技術(shù)，充分發(fā)揮液壓驅(qū)動的優(yōu)勢。在液壓件的選用、液壓系統(tǒng)和閥板的設(shè)計上均以高可靠性和節(jié)能為原則，減小裝機功率?？紤]液壓系統(tǒng)工作的非同時性，可采用統(tǒng)一的液壓泵站，提高設(shè)備的利用率。

5） 絞車、轉(zhuǎn)盤采用低速大扭矩交流電機直接驅(qū)動，較少了傳動環(huán)節(jié)，效率高、維修方便，控制方便。

6） 游車、天車等均采用相關(guān)標準規(guī)定的通用件，性能可靠。

7） 操作室采用側(cè)掛室安裝，減小工作臺的面積?？刂品绞讲捎眉锌刂萍斑h程氣控操作相結(jié)合的方案。

8） 井架設(shè)計有4個繃繩點，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定是否安裝繃繩。

9） 整機結(jié)構(gòu)為模塊化設(shè)計，模塊質(zhì)量均小于5t，適用于采油平臺小型吊車安裝的需要。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

3.1 橫縱向移動式工作臺

橫縱向移動式工作臺由橫向工作臺、橫向移動導軌、橫向支腿、縱向工作臺、縱向移動導軌、支撐油缸等組成，結(jié)構(gòu)方案如圖3。

圖3 橫縱向移動式工作臺結(jié)構(gòu)方案

3.1.1 技術(shù)特點

1） 橫縱向移動式工作臺由6個油缸支撐，每個支撐油缸下部連接4個滾輪，通過驅(qū)動機構(gòu)可使修井機整體沿軌道移動，以對準待修井井口。每組滾輪設(shè)置軌道制動器，可使鉆臺與軌道相互固定。

2） 支撐油缸活塞伸出，可使工作臺整體上升。在整體沿著軌道前后移動過程中其下端的重力傳遞短節(jié)不與井口法蘭發(fā)生干涉碰撞。對準井眼后，油缸活塞縮回，使工作臺整體下移，接近井口法蘭時停止下移，并微調(diào)井口重力傳遞短節(jié)下部的法蘭，使螺栓孔對準，穿上法蘭螺栓；進一步下放鉆臺，使井口連接短節(jié)法蘭與井口法蘭接觸，再固定法蘭螺栓。

3） 6個支撐油缸采用同步控制回路和穩(wěn)壓控制回路：同步回路確保工作臺起落時6個支撐油缸伸縮同步平穩(wěn)；穩(wěn)壓控制回路則用于分配載荷，即支撐油缸以承擔修井機自重力為主，起升過程的其余重力由井口參與負擔。具體原理是：隨著鉤載的上升，支撐油缸內(nèi)的油壓隨之上升，達到設(shè)定數(shù)值后，穩(wěn)壓回路起作用，排出少量油液從而維持缸內(nèi)油壓不變（即承載力不再增加）。通過與工作臺固連的重力傳遞短節(jié)必然將多出的載荷轉(zhuǎn)移到井口上，這樣做的目的在于控制采油平臺自身承受的載荷，不至于過載。

4） 移動工作臺采用單元構(gòu)件設(shè)計，每個單元構(gòu)件質(zhì)量不超過5t，以利于在采油平臺上安裝。轉(zhuǎn)盤及重力傳替短節(jié)安裝于橫向工作臺上。

3.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

油缸支撐力根據(jù)作業(yè)平臺的允許承受載荷設(shè)定

縱向工作臺長寬尺寸 9 600mm×8 980mm

橫向工作臺長寬尺寸 9 600mm×6 000mm

工作臺平均移動速度 0.3m／min

驅(qū)動液缸最大理論推力 800（200×4）kN

3.2 自升式井架

自升式井架由天車臺、頂部井架單元、中間井架單元、提升基礎(chǔ)架、二層臺組成，結(jié)構(gòu)方案如圖4。

3.2.1 技術(shù)特點

井架整體為龍門架結(jié)構(gòu)，各井架單元為矩形桁架結(jié)構(gòu)，提升基礎(chǔ)架為梯形結(jié)構(gòu)，提升基礎(chǔ)架與縱向工作臺通過銷軸連接。用吊車依次將各井架單元送入提升基礎(chǔ)架內(nèi)，進行自提升安裝。底部井架單元固定在提升基礎(chǔ)架內(nèi)與縱向工作臺通過銷軸連接。各井架單元之間通過銷軸連接，根據(jù)自升式井架高度需要，中間井架單元可以為一組或多組。天車通過螺栓或銷軸與頂部井架單元上端連接，二層臺根據(jù)安裝高度的需要通過螺栓或銷軸與中間井架單元連接。

圖4 自升式井架結(jié)構(gòu)方案

3.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

大鉤最大載荷（3×4輪系、無風載、無立根）900kN

井架工作高度（由鉆臺面至天車梁下面）30m

頂部開襠（正面）2.0m

底部開襠（正面）3.0m

二層臺安裝高度單根（雙根 ）8.5m（16.5m）

立根容量（3.5in鉆桿10m單根／20m雙根）1 200m／2 400m

井架允許風力

①保全設(shè)備（鉤載為零 二層臺無立根）47.8m／s

②等候天氣（鉤載為零 二層臺站滿立根）36m／s

③起放井架 8.3m／s

配套天車型號 TC－90

井架起升液壓油缸額定載荷 240kN

井架各單元尺寸與質(zhì)量

首節(jié)井架尺寸1 500mm×1 000mm×6 000mm，質(zhì)量1 890kg

中間井架尺寸1 500mm×1 000mm×4 000mm，質(zhì)量1 450kg

提升基礎(chǔ)架尺寸6 500mm×2 020mm×5 900mm，質(zhì)量2 500kg

3.3 絞車

絞車采用交流變頻電驅(qū)動技術(shù)，依據(jù)SY／T5532—2010《石油鉆機絞車》技術(shù)規(guī)范設(shè)計。JC18／P型絞車由1臺交流變頻電機、單邊液壓盤式剎車裝置、絞車滾筒、集成式自動送鉆與應急裝置、底座等部件組成，如圖5。

圖5 電機直驅(qū)單軸絞車結(jié)構(gòu)

3.4 轉(zhuǎn)盤

依據(jù)SY5080—2004，《石油鉆機和修井機用轉(zhuǎn)盤》標準設(shè)計ZP100型轉(zhuǎn)盤。采用交流變頻電機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 ZP100型交流驅(qū)動轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)

4 井架強度校核

4.1 載荷工況

根據(jù)API Spec 4F標準，修井機井架設(shè)計計算應遵循以下工況。

1） 有繃繩、前面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

2） 有繃繩、前面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

3） 有繃繩、側(cè)面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

4） 有繃繩、側(cè)面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

5） 無繃繩、前面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

6） 無繃繩、前面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

7） 無繃繩、側(cè)面來風（風速47.8m／s）、無立根載荷組合工況。

8） 無繃繩、側(cè)面來風（風速36m／s）、滿立根載荷組合工況。

4.2 計算結(jié)果

采用ANSYS有限元分析軟件建立井架模型，施加載荷并計算［8］，結(jié)果如表1～2。該井架滿足API規(guī)定的安全系數(shù)要求。

表1 有繃繩時井架的計算結(jié)果

表2 無繃繩時井架的計算結(jié)果

4 結(jié)論

1） 海上組裝式修井裝置設(shè)計有橫縱向移動式工作臺，滿足叢式井組的作業(yè)需要。自升式井架為龍門架結(jié)構(gòu)，各井架單元采用矩形桁架結(jié)構(gòu)，用吊車依次將每個井架單元送入安裝在底座上的提升基礎(chǔ)架內(nèi)，進行自提升安裝，占用平臺面積小，適應天氣能力強。各部分均采用模塊化設(shè)計，最大模塊質(zhì)量5t，運輸、吊裝方便，滿足采油平臺小型吊裝的要求。可根據(jù)采油平臺的承載能力設(shè)定修井裝置作用在采油平臺的最大載荷。

2） 有限元計算分析表明該修井裝置滿足API規(guī)定的安全系數(shù)要求。

3） 本文的研究成果為下一步研制海上組裝式修井裝置奠定了基礎(chǔ)。

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［6］GB／T 23505—2009，石油鉆機和修井機［S］.

［7］GB／T 25428—2010，鉆井和采油設(shè)備 鉆井和修井井架、底座［S］.

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