XXJ20Y電動斜直井修井機的研制與應用

周華 劉牧洲 陳波 郭新維 艾白布·阿不力米提

為滿足斜直水平井修井作業需求和驗證斜直井作業工藝參數，研制了XXJ20Y電動斜直井修井機。介紹了修井機的主要結構和原理，提出將油管作業空間由后端移至機身內的思路。創新對中方法和油管運移及擺放路線，設計相應的整機對中結構、井架結構和抓管、移管、排管結構。應用Pro/E和ANSYS Workbench 15.0等主流分析軟件對井架和底座等關鍵零部件進行了三維建模和強度校核。該修井機進行了小規模的試驗應用，達到了較高的自動化水平，操作手1人就可完成管柱起下作業，配合人員大幅減少，安全性提高；利用井場電源驅動，尾氣零排放、噪聲低，綠色環保；優化了油管運移結構及流程。該修井機的研制可為斜井修井機、電動修井機的研制和常規修井機的自動化改造提供借鑒。

電動；斜直井修井機；對中結構；多向移動；自動排放

Development and Application of XXJ20Y Electric

Workover Rig for Slant Well

In order to meet the requirements of workover operation of slant horizontal wells and verify the technological parameters of slant well operation，a XXJ20Y electric workover rig for slant well was developed.The main structure and principle of the workover rig were introduced，and the idea of moving the tubing operation space from the back end to the body was proposed.The alignment method and tubing transportation and placement routes were innovated，and corresponding overall alignment structure，derrick geometry and pipe grabbing，moving and racking structures were innovated.The mainstream analysis software such as Pro/E and ANSYS Workbench 15.0 were used to conduct 3D modeling and strength check on key parts such as derrick and substructure.The workover rig was tested and applied on a small scale，achieving a high automation level： one operator can complete roundtrip of pipe string，greatly reducing the number of cooperating personnel and improving safety.The workover rig was driven by power at well site，realizing zero exhaust emission，low noise and environmental protection.The development of the workover rig，especially the innovated tubing transportation structure and process，provides reference for the development of slant well workover rig and electric workover rig as well as the automation transformation of conventional workover rigs.

electric；slant well workover rig；alignment structure；multidirectional movement；automatic emission

0 引 言

在全球經濟高速發展的大背景之下，對石油烴類能源的市場需求日益增大，而作為不可再生能源的常規油藏產量將逐年下降，動用難度更大的非常規稠油油藏越來越受重視。據有關文獻記載，世界稠油資源量約8 150億t，占全球石油資源量的70%，主要分布在委內瑞拉、加拿大、俄羅斯、美國、中國［1］，是公認的21世紀最為現實、最具前景的接替資源。如何最大限度地把稠油、超稠油開采出來，是世界石油界面臨的共同課題［2］。

新疆準噶爾盆地稠油資源豐富，且是具有重要特殊用途的環烷基稠油，已探明的稠油油藏儲量高達12億t，主要分布在中國石油新疆油田公司的一區至九區和紅山嘴、百口泉、風城等區塊［3］，埋深130～650 m。稠油以熱采為主，前期通過蒸汽吞吐和蒸汽驅工藝的推廣應用，資源的采收率已達到30%的瓶頸。2014年新疆油田通過引入驅泄復合理念，形成了垂直井-水平井（VHSD）、水平井-水平井（SAGD）工藝，將稠油采收率由30%提高到50%以上［4-6］，取得了顯著的開發效果。但對于埋深小于250 m的超淺層稠油資源采用常規水平井VHSD和SAGD的方式存在一定風險和難度：①井眼曲率大（水垂比過大，達到甚至超過3∶1），鉆完井難度大；②井眼曲率大及熱采過程中套管高溫膨脹，易造成井口抬升、偏移，影響井筒完整性；③井眼曲率大，造成大排量泵入井困難、工況復雜。為此，新疆油田改進水平井井身結構，將水平井的垂直段改為斜直段進行VHSD的工藝試驗并取得了成功，目前已鉆成6口斜直水平井，單井日產原油10～20 t。

國內外斜直水平井（或斜井）數量有限，主要在加拿大和中國河南油田，專用的修井機數量少、技術進步慢。國內大慶油田、河南油田存在少量斜井［7］及斜井修井機，其操作方式比較原始。為滿足前期的修井作業需求和驗證斜直井作業工藝參數，科研人員將1臺40 t直井修井機進行改造，改變井架支撐結構、增加游車軌道、增加電動絞車提供注入力，制造了1臺簡易的工程試驗機。試驗機與井口的對中困難，需要反復立放井架和調整位置才能完成井架游車軸線和井口軸線保持一致，對中時間長、對中精度低。由于井口傾斜，原有液壓鉗使用困難，導致修井作業難度增大，作業人員多、勞動強度大、作業時間長、作業危險因素多、副管入井困難，難以滿足油田提出的綠色、安全、高效修井作業需求。為此，筆者所在團隊設計了全新的XXJ20Y電動全液壓斜直井修井機。

1 技術分析

1.1 結構

新疆油田斜直水平井下泵深度淺，作業時起下油管數量少、載荷輕，修井機需要的功率小，所以XXJ20Y斜直井修井機設計成橇裝結構，采用井場電源電力驅動，全液壓控制。將管柱運移、擺放作業軌跡移到作業機前端，縮短運移路線，便于抓管、排管機構的集中布置和油管運移路線與流程的銜接。底座設計成嵌套結構，結合井架的旋轉，可實現作業機與井筒的三維對中。修井機結構如圖1所示，主要由井架、底座及支撐裝置、機械臂、游吊系統、液壓鉗及導軌、排管系統、動力及控制系統、輔助設備組成。

1.2 工作原理

1.2.1 整機

整機拉運至井場后擺放到斜井的傾斜方向，立井架、對中井口、井口準備后即可進行作業。起油管作業主要過程為：將排管系統的管橋調整為“外低里高”狀態→游動卡瓦卡住油管上端→井口固定卡瓦松開→游動卡瓦提升管柱后固定卡瓦卡緊管柱→液壓鉗上升進行卸扣→液壓鉗下降→機械臂上旋卡住油管→游動卡瓦松開并上升離開油管接箍→機械臂下旋至水平位置后松開油管→排管系統管鉤將油管撥至管橋→油管自動滾至管橋外側。下油管作業主要過程為將排管系統的管橋調整為“外高里低”狀態，油管自動滾至里側→排管系統管鉤將油管撥至機械臂的抓手里→機械臂抓住油管上旋至井架中心→游動卡瓦下行卡住油管接箍→機械臂抓手張開→游動卡瓦下降將油管下端送入井筒內油管接箍→液壓鉗上升進行擰扣→機械臂機械下旋→液壓鉗下降→井口固定卡瓦松開→游動卡瓦下降將管柱送入井筒→井口固定卡瓦卡住管柱。整個油管的起下作業過程均由操作手操作液壓閥件來進行控制，大幅減少了井口作業人員數量，提高了起下油管作業過程的速度和安全性。

1.2.2 井架

因為油管及機械臂抓手從中間穿過，井架設計成15 m高的前開口門框型結構，井架截面尺寸為1 200 mm×800 mm，立柱材料為空心方鋼120 mm×8 mm;主要橫撐和斜撐材料為100 mm×6 mm，材質均為Q345B。井架各桿之間焊縫進行超聲波探傷檢測，確保焊接可靠。井架上端安裝液壓馬達，中間設計有游車導軌，下端設計有液壓鉗導軌。按照井架設計標準設計二維CAD圖紙，借助于PRO/E三維參數化設計平臺建立井架三維模型（見圖2）。

為了確保井架滿載作業安全，以ANSYS Workbench 15.0有限元軟件為平臺，根據節點及邊界設定等效性原則，主要考慮恒定載荷、工作載荷、風載荷，完成井架休整工況、不同角度起升工況下的強度分析，結果見表1。此外，還進行井架動力學分析，研究模態計算原理，建立運動微分方程，進行不同角度起升工況下井架模態分析，計算出井架前六階模態分析的頻率，校核井架的共振安全性結果見表2。

由表1可見：修井機處于休整工況時，井架主體部件所承載的最大等效應力值δmax=39 MPa，遠低于井架構件材料Q345B最大許用應力值216 MPa。修井機井架在4種不同作業角工況下滿載作業所承載的最大等效應力值分別為183.84、189.16、190.03及188.04 MPa，均小于井架主體部件材料Q345B最大許用應力值216 MPa。此計算結果表明：在不同傾斜角度的修井作業工況中，該型斜井修井機井架均能夠滿足實際工程靜強度需求。

由表2可見：正常修井工況下，不論是正面迎風（①正吹）還是側面吹風（②側吹），井架第1階頻率值均低于其固有振型頻率，井架第2階模態振型頻率值明顯高于其固有頻率，表明在外界激勵作用下，修井機井架不會產生共振現象；前2階均呈現出不同的變形形態，說明井架在實際作業中不會發生明顯的共振現象，修井機井架結構能夠正常工作；井架第3階、第4階、第5階及第6階振動頻率均未達到共振條件。其他作業角度正常修井工況及預期風暴和非預期風暴條件下也進行了詳細的分析計算（數據略），結果表明井架設計安全可靠。

1.2.3 底座及支撐裝置

底座為承載部件，不僅為設備其他部件提供安裝平臺，還能實現修井機與斜井對中功能。底座主體設計為嵌套式結構（見圖3），大底座內嵌套有活動小底座，通過油缸的伸縮推動小底座在大底座內縱向移動。大底座設有2個橫向移位機構，移位機構由垂直伸縮油缸和水平伸縮油缸組成，可以調整大底座的水平度和左右位置，甚至可以利用移位機構油缸鉸座的間隙實現大底座在水平面內的小角度旋轉?；顒有〉鬃O有三角架和支撐鉸座，用于安裝機械臂、支架和支撐裝置。大底座前端安裝液壓泵站，側面安裝排管機構。支撐裝置由2根有伸縮功能的支撐桿組成，支撐桿一端與井架腰部鉸接，一端與底座的支撐鉸座連接。支撐鉸座設有4個連接孔，分別對應45°、50°、55°、60°這4個作業角。底座主體采用Q235B材質的型鋼組焊而成，并進行了靜力學和動力學分析（數據略），整體性能優于支架。

底座與井口對中原理：修井機吊放到斜井前方大概位置后，通過橫向移位機構的4個垂直伸縮支腿調整底座平面的水平度;如底座中心線與斜井筒投影不重合，可單獨調整橫向移位機構，使底座小角度旋轉，先使中心線與斜井投影平行，再調整兩個移位機構橫向移動，使底座中心線與斜井筒投影重合；再調節井架角度使之與井筒角度相同，最后調整活動小底座前后位置，實現井架作業中心與井筒中心的完全重合，從而實現作業機與目標斜井筒的空間多方位對中。

1.2.4 機械臂

機械臂主要由主臂、副臂、擺臂、抓手、連接桿、調節桿、限位臂等組成（見圖4）。副臂、擺臂、連接桿組成平行四邊形機構，由1個油缸來驅動，平行四邊形機構整體安裝在主臂上。主臂旋轉可將油管一次移位，由水平位置運送到傾斜作業位置（或由傾斜作業位置運送到水平位置），擺臂旋轉驅動四邊形機構擺動，可將油管在水平位置狀態和傾斜作業位置狀態進行二次油管移位，便于繞過支撐桿或繞過井架橫撐，解決油管與支撐桿或井架下橫撐相干涉的問題。抓手、主臂、擺臂均由相應的油缸來驅動。

1.2.5 游吊系統

游吊系統主要由帶減速器的液壓馬達、鏈輪、鏈條、游車及卡瓦、驅動軸等組成（見圖5）。其工作原理為：馬達驅動鏈輪帶動雙鏈環運動，鏈環中安裝游車，游車內安裝卡瓦，卡瓦及游車上提或下壓油管上端的接箍來對管柱提供上提或注入力。游車兩側安裝導輪，導輪在導軌內運動，導軌為游車提供支撐和限位。為防止鏈條過長下垂，與鏈條接觸的托板上設計尼龍材質墊板以保護鏈條，墊板可更換。更換管體卡瓦后可以卡住油管管體的任意位置施加注入力，避免小直徑油管加壓入井時失穩彎曲。

1.2.6 液壓鉗及其浮動安裝導軌

斜直井修井作業時因管柱處于傾斜狀態，與普通直井修井作業差異大，操作難度和危險性顯著增加，必須實現高度機械化作業以確保作業安全，故設計了液壓控制的液壓鉗導軌（見圖6）。將開式液壓鉗安裝于導軌內，管柱上提或下放過程中液壓鉗下放到最低點，需要上卸扣時油缸推動液壓鉗上升到工作位置。以修井作業線為z軸建立一個傾斜的坐標系，導軌在x、y、z這3個方向都設有減震彈簧，使得液壓鉗在x、y、z這3個方向都有一定的浮動空間，能有效消除因制造、安裝、對中及操作誤差引起的作業管柱與液壓鉗中心不重合因素而導致的液壓鉗損壞或管柱損傷。

1.2.7 排管系統

因XXJ20Y斜直井修井機用于超淺層稠油區塊，下泵深度不超過200 m，作業油管數量少，需求的排管面積小，故將排管系統集成于修井機上。排管系統由兩排升降式多功能管橋架、撥管器等組成（見圖7）。管橋架傾角可調±5°；油管容量為28根，滿足一般作業的管柱擺放；管橋折疊式設計，運輸時折疊至底座上；管橋內側設有撥管器，實現單管分離，便于抓取。

1.2.8 驅動及控制系統

采用電液驅動系統，可以實現低能耗、零排放、低噪聲和自動控制，符合綠色低碳的行業發展方向。依據管柱載荷及井場電網實際，確定整機功率為37 kW。綜合考慮驅動對象的功率需求和執行順序、傳遞效率等因素，采用一機帶兩泵方式。主泵（最大35 MPa）為帶功率限制的負載敏感變量控制模式，驅動控制液壓馬達起升/下壓管柱和液壓鉗上/卸扣；輔泵（最大25 MPa）采用恒壓定量泵，驅動控制井架起升油缸、各底座油缸、機械臂油缸、擺臂油缸、抓手、扶正器、液壓鉗導軌、懸吊馬達、游動卡瓦、固定卡瓦等小型執行元件，用于對中、上卸扣、井架立放及其他輔助功能和動作（控制原理見圖8）。為方便操作和確保安全，將液壓控制分臺下部分和臺上部分。修井機的對中和井架立放操作在臺下，管柱作業的各項操作在臺上。涉及到要求同步的執行機構管路上設置同步閥，游動卡瓦與固定卡瓦等關鍵執行元件設有液壓鎖止和保壓元件，以防系統泄壓導致管柱滑落入井。

1.2.9 輔助設備

除前述主要部件外，為確保作業安全、提高其作業便捷性能，修井機還配備了固定卡瓦、扶正器、液壓加熱/散熱裝置、游車感應與限位裝置、照明與電氣系統、輔助懸吊裝置、操作平臺、扶梯、繃緊裝置等輔助設備，使之具備修井機所需的各項基本功能。

1.3 主要技術參數

XXJ20Y斜直井修井機主要技術參數見表3。

1.4 技術特點

（1）井場電源驅動、節能環保。為國內首臺電動橇裝液壓斜井修井機，無燃油消耗，綠色低碳。整機已申報發明專利：CN202011044127.5。

（2）井口對中結構可靠、方便快捷。底座設計為嵌套結構，整機具有3個方向的移動功能及2個平面內旋轉功能，能實現全方位井口對中。高度調整范圍0～200 mm；縱向調整范圍0～600 mm；橫向調整范圍0～200 mm（可多次）；水平面旋轉0°～3°（可多次）；主架縱向垂直面旋轉0°～70°。

（3）具備管柱加壓功能，保證管柱下入水平段。設計夾持式加壓結構，可夾持管柱任意位置提供注入力，避免管柱失穩彎曲。額定注入力50 kN，最大可達120 kN。

（4）液壓鉗浮動上卸扣技術。研發了液壓鉗浮動導軌，采用組合彈簧支撐結構，液壓鉗在導軌內既能限位又有一定的浮動空間，保證油管螺紋與液壓鉗齒輪的使用壽命。

（5）高度機械化，降低勞動強度，實現井口減人。修井機集成管橋，設計了油管轉運與自動擺放裝置，操作手1人就能實現油管起下作業（見圖9），減少井口作業人員。

2 現場應用

2020年完成了1臺樣機的制造，2020—2022年在新疆油田多口斜直水平井進行了8井次檢泵作業、1次副管入井作業和1次打撈作業，實現了正常情況下油管起下、上卸扣、運移、擺放一系列操作只需要操作手1人即可完成的目標。單根油管的起和下平均作業時間約2 min 41 s；修井機具有搶裝防噴單根功能，搶噴操作時間在5 min以內；副管水平段的單根注入時間不超過3 min；立井架和對中方便，10 min內可完成；起下抽油桿和抽油泵可人工輔助完成。樣機功能參數滿足修井要求，作業工藝能有效指導斜直井的修井作業。集成的油管移運與自動擺放裝置非常實用，管柱作業無需配合人員，與國內現有的斜井修井機比減少二層平臺和井口作業人員4人，對中時間由2 h減至5 min，副管入井時間由7～8 d減少為4 d，作業安全性和管柱入井效率大幅提高。

3 結 論

（1）針對井深淺、載荷小的淺層稠油斜直井作業工況，將修井機設計成橇裝和電驅結構，利用井場的抽油設備電源供電，無需單獨配動力源，實現了零排放的綠色修井。

（2）全液壓控制及油管抓取移位與自動排放機構能提高修井作業的機械化和自動化水平，實現了井口操作人員的大幅減少，可為小型自動化修井機的研發和改造提供借鑒。

（3）可多向移動的底座結構和對中操作方式結構可靠、操作快捷。充分利用了斜井獨有特點，將井架設計成前開口的門型結構，將油管的運移與擺放空間設置到修井機機身前端，結構緊湊，能縮小油管移動角度（距離），有效縮短作業時間。斜置的液壓鉗實現了多向浮動固定功能，能有效降低因制造、安裝、對中及操作誤差的影響，保護油管螺紋和液壓鉗驅動齒輪，提高油管及液壓鉗的使用壽命。

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