淺層稠油開采用全液壓斜直井修井機研制

摘要：目前國內用于油田淺層稠油開采中的斜直井修井機技術相對落后，還不能滿足現場作業的要求。提出了全液壓斜直井修井機的設計方案和技術參數；對該修井機的主要零部件和系統（如液壓系統、游動吊卡、抓管機、可調底座、支架、接送管裝置、油管對中及上卸扣裝置等）進行了詳細設計。全液壓斜直井修井機經過試制和一年多的現場應用，結果表明：其結構設計合理，使用安全可靠，減少了作業人員，大幅降低了作業人員勞動強度。

關鍵詞：斜直井修井；全液壓修井機；游動吊卡；管柱上卸扣；油管輸送

中圖分類號：TE935文獻標識碼：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瑞拉、美國、加拿大和中國，各國每年稠油的產量在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區，根據國內稠油分類標準，新疆油田已探明稠油儲量可分為普通稠油、特稠油和超調油，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完成小修和大修作業。在國外斜直井應用較早、較多的國家主要是加拿大和美國，以加拿大應用較多。1985年加拿大東北鉆井公司研制了雙井架斜直井修井機，該修井機傾斜角度40°～90°，額定載荷440 kN；后來Failing供應公司研制了單斜井架斜直井修井機，采用機械臂來傳送油管；美國Cardwell公司在普通自走修井機基礎上研制了5臺斜直井修井機，其傾斜角度40°～90°，最大鉤載616 kN，井架側面設置二層平臺排放管柱，井架用來立放油管［5-8］。在國內有斜直井應用的油田為河南油田，河南油田斜直井作業機用于井斜范圍15°～45°、井深2 000 m以內斜井小修作業，采用傳統人工操作的方式進行作業［9］。針對目前國內斜直井修井機技術發展相對落后，且不能滿足現場作業要求的現狀，筆者研發了一種用于淺層斜直井作業的新型全液壓斜直井修井機，其主體結構為撬裝結構。該斜直井修井機的主要特點是結構緊湊，安全可靠、可一個人進行修井作業操作，不僅大幅減少了作業人員，還降低了操作人員的勞動強度。本文介紹了XXJJ20Y型全液壓斜直井修井機的設計、制造及現場應用情況，供相關設計人員、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研制石油礦場機械2024年3月1總體方案及技術參數

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

該修井機的主要特點：①結構緊湊，使用安全可靠；②一個人可以完成修井作業操作，大幅減少了作業人員50%以上；③管柱上卸扣、輸送時采用機械化操作，減少作業人員的勞動強度70%以上。

結合新疆油田稠油開采的實際井況、載荷等情況，確定XXJ20Y型全液壓修井機的技術參數如下：

2主要部件及系統設計

2.1液壓系統

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

液壓站包括油箱、油箱支架、液位計、液位控制器、數字溫度開關、防爆加熱器、過濾器、測壓管線、壓力表、濾油器、散熱電機、電機、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包括機械手起升液壓缸組件、機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°，那么斜直井修井機吊卡的運行軌跡也是與水平方向成40°～70°，故斜直井修井機的游動吊卡設計成閉式液壓吊卡，具體結構如圖3所示。它主要由吊卡本體、卡瓦、喇叭導向口、油缸和滾輪組成，通過調節螺栓與套筒滾子鏈相連，由鏈條、鏈輪、鏈輪軸座與修井機井架頂部的液壓馬達系統相連，構成修井機的傳動系統。閉式液壓吊卡通過滾輪與井架上的導軌相連，形成與井架主腿平行的運動軌跡，它可在小修和大修作業時完成夾持和懸掛油管柱，并滿足不同規格，不同類型油管的夾持要求。有效提高操作效率，降低作業成本，減輕勞動強度，并提高操作的安全性性。

2.3抓管機

井機底座的后端，與支架共用一個旋轉軸［11-13］。在起管作業時，主臂通過舉升液壓缸驅動，由水平位置旋轉45°～65°至工作位置。在主臂旋轉舉升的過程中，擺臂也同時由擺動液壓缸驅動旋轉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，下管作業的過程與起管相反。

2.4底座

底座是用于斜直井修井機的地面擺放定位，安裝修井機的支撐部件，具有水平面的前后、左右移動功能和旋轉功能［14-15］。底座的對中調節分為縱向調節和橫向調節，底座橫向可調整范圍0～200 mm，縱向可調整范圍0～600 mm。底座采用內外相嵌的雙層結構，內層底座經調節后，用螺栓固定在外層大底座上。底座上安裝支腿2個側支腿橫向調節油缸和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，實現水平面對中，主體結構如圖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45°～60°的井斜角度。井架上端安裝動力驅動軸總成，下端安裝在固定軸上，且井架可繞固定軸旋轉。井架下端底平面連接兩個舉升油缸用于起升井架；井架下端上平面設置有閉式液壓吊卡導軌，便于閉式液壓吊卡往復移動。井架中部下側設置有2根機械支撐桿，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動軸，驅動軸設置有頂緊螺栓，確保鏈條松緊合適。井架下端上平面設置有導軌，井架上斜面的型鋼內側翼板上安裝可更換的滑塊做導軌。井架上端兩側各有一個繃繩固定耳座。井架下端有隨井架拉運的操作平臺，并充分考慮了現場液壓卡瓦、液壓油管鉗的拉運與安裝，并設計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，接收來自抓管機輸的油管，并將其送到油管架上，完成起管作業；在下管時，將油管架上的油管一根一根地輸送到抓管機上，完成下管作業［16-17］。

油管接送裝置由兩排管橋、可調支腿、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，整體結構如圖7所示。該系統拉運時可翻轉固定于修井機側面，隨修井機整體拉運。

油管對中、上卸扣裝置是斜直井修井機設計的關鍵部分，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、油管鉗移動導軌、固定裝置、緩沖裝置（上下、前后各一個）、行程油缸，導向喇叭口、對中油缸等組成，結構如圖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軌方向取出即可。

3現場應用

XXJ20Y型全液壓斜直井修井機于2019-10完成設計， 2020-08完成制造、廠內試車，2020-10進入新疆油田現場，現場作業場景如圖9所示。經過現場試驗、完善，已完成10多次淺層稠油斜直井的起下管作業，現場應用表明其各項技術指標均達到設計要求。

該全液壓斜直井修井機結構設計合理、使用安全可靠；且降低作業人員60%以上，降低作業人員勞動強度70%以上，滿足了新疆油田稠油開發過程中修井作業的要求。

4結論

1）為了滿足油田淺層開采工藝的需要，設計XXJ20Y型全液壓斜直井修井機，采用全液壓的控制方式，應用送管機器手、排管機器手、液控開口油管鉗，液壓吊卡、液壓游動滑車、液壓卡瓦等先進的作業工具，實現了從上卸扣、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在國內首次以油田井場電力為動力源的基礎上進行設計，整體撬裝式結構，開創了石油修井機低碳環保設計的先例，確立了未來石油修井機低碳環保設計的基本方向。

3）XXJ20Y型全液壓斜直井修井機的成功研發，解決了我國淺層稠油開采過程中修井作業裝備的技術難題，同時為開發動自動化斜直井修井機的設計提供了的技術支撐和儲備。

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