淺層稠油開采用全液壓斜直井修井機(jī)研制

摘要：目前國內(nèi)用于油田淺層稠油開采中的斜直井修井機(jī)技術(shù)相對落后，還不能滿足現(xiàn)場作業(yè)的要求。提出了全液壓斜直井修井機(jī)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)參數(shù)；對該修井機(jī)的主要零部件和系統(tǒng)（如液壓系統(tǒng)、游動吊卡、抓管機(jī)、可調(diào)底座、支架、接送管裝置、油管對中及上卸扣裝置等）進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。全液壓斜直井修井機(jī)經(jīng)過試制和一年多的現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明：其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使用安全可靠，減少了作業(yè)人員，大幅降低了作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：斜直井修井；全液壓修井機(jī)；游動吊卡；管柱上卸扣；油管輸送

中圖分類號：TE935文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.02.009

世界稠油儲量和開采比較多的國家有委內(nèi)瑞拉、美國、加拿大和中國，各國每年稠油的產(chǎn)量在1 000～3 000萬t。在我國，稠油主要集中分布在遼河油田、勝利油田、河南油田和新疆油田。新疆油田是我國很重要的稠油開發(fā)區(qū)，根據(jù)國內(nèi)稠油分類標(biāo)準(zhǔn)，新疆油田已探明稠油儲量可分為普通稠油、特稠油和超調(diào)油，分別占稠油探明儲量的44.8%、31.6%和23.6%。稠油埋藏深度變化不大，且一般都比較淺，在140～700 m之間。稠油粘度高，密度大，開采中流動阻力大，不僅驅(qū)替效率低，而且體積掃油效率也低［1-2］。為了提高采收率，通常采用打水平井的工藝方法，根據(jù)新疆油田稠油埋藏深度情況，宜采用打斜直井的鉆井工藝［3-4］。但是，在修井時則需要斜直井修井機(jī)完成小修和大修作業(yè)。在國外斜直井應(yīng)用較早、較多的國家主要是加拿大和美國，以加拿大應(yīng)用較多。1985年加拿大東北鉆井公司研制了雙井架斜直井修井機(jī)，該修井機(jī)傾斜角度40°～90°，額定載荷440 kN；后來Failing供應(yīng)公司研制了單斜井架斜直井修井機(jī)，采用機(jī)械臂來傳送油管；美國Cardwell公司在普通自走修井機(jī)基礎(chǔ)上研制了5臺斜直井修井機(jī)，其傾斜角度40°～90°，最大鉤載616 kN，井架側(cè)面設(shè)置二層平臺排放管柱，井架用來立放油管［5-8］。在國內(nèi)有斜直井應(yīng)用的油田為河南油田，河南油田斜直井作業(yè)機(jī)用于井斜范圍15°～45°、井深2 000 m以內(nèi)斜井小修作業(yè)，采用傳統(tǒng)人工操作的方式進(jìn)行作業(yè)［9］。針對目前國內(nèi)斜直井修井機(jī)技術(shù)發(fā)展相對落后，且不能滿足現(xiàn)場作業(yè)要求的現(xiàn)狀，筆者研發(fā)了一種用于淺層斜直井作業(yè)的新型全液壓斜直井修井機(jī)，其主體結(jié)構(gòu)為撬裝結(jié)構(gòu)。該斜直井修井機(jī)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠、可一個人進(jìn)行修井作業(yè)操作，不僅大幅減少了作業(yè)人員，還降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。本文介紹了XXJJ20Y型全液壓斜直井修井機(jī)的設(shè)計(jì)、制造及現(xiàn)場應(yīng)用情況，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員、使用者及管理人員參考。

第53卷第2期張端光：淺層稠油開采用全液壓斜直井修井機(jī)研制石油礦場機(jī)械2024年3月1總體方案及技術(shù)參數(shù)

XXJ20Y型全液壓斜直井修井機(jī)主要由液壓動力系統(tǒng)、井架及鏈傳動系統(tǒng)、底座、井口對中系統(tǒng)、管柱上卸扣系統(tǒng)、油管接送系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電控及操作系統(tǒng)組成，整體采用撬裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

該修井機(jī)的主要特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)緊湊，使用安全可靠；②一個人可以完成修井作業(yè)操作，大幅減少了作業(yè)人員50%以上；③管柱上卸扣、輸送時采用機(jī)械化操作，減少作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度70%以上。

結(jié)合新疆油田稠油開采的實(shí)際井況、載荷等情況，確定XXJ20Y型全液壓修井機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

2主要部件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1液壓系統(tǒng)

XXJ20Y型斜直井修井機(jī)液壓系統(tǒng)分為兩部分，即主液壓系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)。主液壓系統(tǒng)由Rexroth變量液壓泵（型號：A11VO95LRDS/10R-NSD12K01，公稱壓力 35 MPa，最高壓力 45 MPa）驅(qū)動，保證動力液壓馬達(dá)和上卸扣油管鉗馬達(dá)的正常工作［10］；輔助液壓系統(tǒng)由定量齒輪泵（型號：CBHB-F528-AF，公稱壓力20 MPa，最高壓力 25MPa）驅(qū)動，完成固定及游動卡瓦油缸、抓管機(jī)起升油缸、井架起升油缸、擺動液缸、機(jī)械手油缸、對中油缸、井口液壓卡瓦油缸、支腿調(diào)節(jié)油缸等的正常工作，液壓系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

液壓站包括油箱、油箱支架、液位計(jì)、液位控制器、數(shù)字溫度開關(guān)、防爆加熱器、過濾器、測壓管線、壓力表、濾油器、散熱電機(jī)、電機(jī)、主油泵、副油泵、油箱管路等。

閥組A包括井架起升液壓缸組件、底座前后移動液壓缸組件、兩個底座左右移動液壓缸組件、防噴器升降液壓缸組件（備用）、四個支腿液壓缸組件、一個備用的液壓管線接口、測壓管線、壓力表、溢流閥和換向閥。

閥組B包括機(jī)械手起升液壓缸組件、機(jī)械手微型夾緊液壓缸組件、排管液壓缸組件、擺動液壓缸組件、油管鉗液壓缸、油管鉗上下移動液壓缸組件、上鉆抓管液壓缸組件、小絞車起放液壓缸、液壓卡瓦油缸組件、游動卡瓦油缸組件、一個備用的液壓管線接口、測壓管線、壓力表、溢流閥和換向閥。

閥組C包括提升下壓馬達(dá)組件、油管鉗泵組件和一個備用的油管鉗備鉗。

提升下壓馬達(dá)組件包括雙向變量齒輪泵、溢流閥、換向閥。

油管鉗泵組件包括油管鉗雙向泵、溢流閥、換向閥和同步閥。

2.2液壓游動吊卡

由于斜直井的井口中心線不是垂線，與水平方向成40°～70°，那么斜直井修井機(jī)吊卡的運(yùn)行軌跡也是與水平方向成40°～70°，故斜直井修井機(jī)的游動吊卡設(shè)計(jì)成閉式液壓吊卡，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。它主要由吊卡本體、卡瓦、喇叭導(dǎo)向口、油缸和滾輪組成，通過調(diào)節(jié)螺栓與套筒滾子鏈相連，由鏈條、鏈輪、鏈輪軸座與修井機(jī)井架頂部的液壓馬達(dá)系統(tǒng)相連，構(gòu)成修井機(jī)的傳動系統(tǒng)。閉式液壓吊卡通過滾輪與井架上的導(dǎo)軌相連，形成與井架主腿平行的運(yùn)動軌跡，它可在小修和大修作業(yè)時完成夾持和懸掛油管柱，并滿足不同規(guī)格，不同類型油管的夾持要求。有效提高操作效率，降低作業(yè)成本，減輕勞動強(qiáng)度，并提高操作的安全性性。

2.3抓管機(jī)

井機(jī)底座的后端，與支架共用一個旋轉(zhuǎn)軸［11-13］。在起管作業(yè)時，主臂通過舉升液壓缸驅(qū)動，由水平位置旋轉(zhuǎn)45°～65°至工作位置。在主臂旋轉(zhuǎn)舉升的過程中，擺臂也同時由擺動液壓缸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)至垂直于副臂的位置，然后兩個液抓管鉗張開鉗口，抓住管子后并夾緊，再將油管從井架上放至水平位置，由油管接送裝置將油管輸送到管架上，完成起管作業(yè)，下管作業(yè)的過程與起管相反。

2.4底座

底座是用于斜直井修井機(jī)的地面擺放定位，安裝修井機(jī)的支撐部件，具有水平面的前后、左右移動功能和旋轉(zhuǎn)功能［14-15］。底座的對中調(diào)節(jié)分為縱向調(diào)節(jié)和橫向調(diào)節(jié)，底座橫向可調(diào)整范圍0～200 mm，縱向可調(diào)整范圍0～600 mm。底座采用內(nèi)外相嵌的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層底座經(jīng)調(diào)節(jié)后，用螺栓固定在外層大底座上。底座上安裝支腿2個側(cè)支腿橫向調(diào)節(jié)油缸和2個前后油缸，通過油缸的伸縮使上撬座前后、左右平移及旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水平面對中，主體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.5井架總成

井架總成主要由井架體、起升油缸、撐桿、鏈輪組、折疊式吊車、液壓鉗移動導(dǎo)軌、防噴器支架等組成。井架的總長為14 917 mm，寬度為1 160 mm，高度為700 mm。適應(yīng)45°～60°的井斜角度。井架上端安裝動力驅(qū)動軸總成，下端安裝在固定軸上，且井架可繞固定軸旋轉(zhuǎn)。井架下端底平面連接兩個舉升油缸用于起升井架；井架下端上平面設(shè)置有閉式液壓吊卡導(dǎo)軌，便于閉式液壓吊卡往復(fù)移動。井架中部下側(cè)設(shè)置有2根機(jī)械支撐桿，它的作用是固定井，且能夠使井架工作時滿足45°～60°的井斜角度要求。井架整體模型如圖6所示。

井架上端安裝動力驅(qū)動軸，驅(qū)動軸設(shè)置有頂緊螺栓，確保鏈條松緊合適。井架下端上平面設(shè)置有導(dǎo)軌，井架上斜面的型鋼內(nèi)側(cè)翼板上安裝可更換的滑塊做導(dǎo)軌。井架上端兩側(cè)各有一個繃?yán)K固定耳座。井架下端有隨井架拉運(yùn)的操作平臺，并充分考慮了現(xiàn)場液壓卡瓦、液壓油管鉗的拉運(yùn)與安裝，并設(shè)計(jì)井口安裝的輔助裝置。

2.6油管接送裝置

油管接送裝置在起管時，接收來自抓管機(jī)輸?shù)挠凸埽⑵渌偷接凸芗苌?，完成起管作業(yè)；在下管時，將油管架上的油管一根一根地輸送到抓管機(jī)上，完成下管作業(yè)［16-17］。

油管接送裝置由兩排管橋、可調(diào)支腿、液壓抓管手、抓管手液缸、油管架及固定裝置組成，管橋一端固定在上撬座的立柱上，一端通過伸縮支腿立于地面，兩排管橋立柱間用連桿連接，整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。該系統(tǒng)拉運(yùn)時可翻轉(zhuǎn)固定于修井機(jī)側(cè)面，隨修井機(jī)整體拉運(yùn)。

油管對中、上卸扣裝置是斜直井修井機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，其作用是在下管時，扶正下入油管，使其與井口油管的對中，并完成油管的上扣；起管時，完成油管的卸扣，扶正油管，方便抓管機(jī)接入油管［18］。該裝置主要由扶管對中器、油管鉗、油管鉗移動導(dǎo)軌、固定裝置、緩沖裝置（上下、前后各一個）、行程油缸，導(dǎo)向喇叭口、對中油缸等組成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。油管對中及上卸扣裝置整體焊接在井架上，更換油管鉗時，只需要將油管鉗沿移動導(dǎo)軌方向取出即可。

3現(xiàn)場應(yīng)用

XXJ20Y型全液壓斜直井修井機(jī)于2019-10完成設(shè)計(jì)， 2020-08完成制造、廠內(nèi)試車，2020-10進(jìn)入新疆油田現(xiàn)場，現(xiàn)場作業(yè)場景如圖9所示。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)、完善，已完成10多次淺層稠油斜直井的起下管作業(yè)，現(xiàn)場應(yīng)用表明其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該全液壓斜直井修井機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、使用安全可靠；且降低作業(yè)人員60%以上，降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度70%以上，滿足了新疆油田稠油開發(fā)過程中修井作業(yè)的要求。

4結(jié)論

1）為了滿足油田淺層開采工藝的需要，設(shè)計(jì)XXJ20Y型全液壓斜直井修井機(jī)，采用全液壓的控制方式，應(yīng)用送管機(jī)器手、排管機(jī)器手、液控開口油管鉗，液壓吊卡、液壓游動滑車、液壓卡瓦等先進(jìn)的作業(yè)工具，實(shí)現(xiàn)了從上卸扣、起管、下管、排管等工作由一個人來完成的工作模式。

2）XXJ20Y型全液壓斜直井修井機(jī)在國內(nèi)首次以油田井場電力為動力源的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體撬裝式結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了石油修井機(jī)低碳環(huán)保設(shè)計(jì)的先例，確立了未來石油修井機(jī)低碳環(huán)保設(shè)計(jì)的基本方向。

3）XXJ20Y型全液壓斜直井修井機(jī)的成功研發(fā)，解決了我國淺層稠油開采過程中修井作業(yè)裝備的技術(shù)難題，同時為開發(fā)動自動化斜直井修井機(jī)的設(shè)計(jì)提供了的技術(shù)支撐和儲備。

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