劉銘強(qiáng)

（江蘇油田分公司工程技術(shù)服務(wù)中心設(shè)備管理科，江蘇揚(yáng)州 225265）

0 前言

江蘇油田素有油井打在花園里的油田之稱(chēng)，其地處于長(zhǎng)三角區(qū)域，因區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口密集，村鎮(zhèn)密布，水網(wǎng)交錯(cuò)縱橫，自古以來(lái)就是江南魚(yú)米之鄉(xiāng)的繁榮地區(qū)。由于受地理位置特殊性的影響，油田作業(yè)裝備的發(fā)展始終以“安全、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)”為中心線(xiàn)進(jìn)行推進(jìn)。近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步、企業(yè)管理者愈加重視環(huán)保問(wèn)題。通過(guò)技術(shù)人員的努力攻關(guān)，許多環(huán)保、高效設(shè)備得到了引進(jìn)、研發(fā)和推廣，使油田一線(xiàn)作業(yè)操作環(huán)境得到了顯著改善。

1 高效作業(yè)裝備的研究與應(yīng)用情況

1.1 無(wú)繃?yán)K修井機(jī)

作業(yè)機(jī)是油田井下作業(yè)施工設(shè)備，主要功能是起下管柱。由于江蘇油田油區(qū)內(nèi)水網(wǎng)眾多、道路狹小、井場(chǎng)面積小、油井周邊農(nóng)田、魚(yú)塘密布，所以作業(yè)機(jī)的選型配置直接影響其利用率和作業(yè)時(shí)效。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究和引進(jìn)，作業(yè)機(jī)從最初的“單節(jié)井架+長(zhǎng)軸距”模式逐步向“雙節(jié)井架+短軸距”轉(zhuǎn)變，主要代表機(jī)型有2種。

（1）“單節(jié)井架+長(zhǎng)軸距”代表機(jī)型。如JHX5241TXJ修井機(jī)，主要產(chǎn)自江漢四機(jī)廠(chǎng)，采用單節(jié)井架配置，井架高16 m，額定鉤載40 t，整機(jī)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）是 14.1 m×2.5 m×3.98 m，整車(chē)重約24 t。

（2）“雙節(jié)井架+短軸距”代表機(jī)型。如ES5253TXJ修井機(jī)，主要產(chǎn)自南陽(yáng)二機(jī)廠(chǎng)，額定鉤載40 t，采用雙節(jié)井架配置，井架高17 m，整機(jī)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）是10.3 m×2.5 m×3.9 m。采用單發(fā)動(dòng)機(jī)配置，功率241 kW。由于車(chē)體較小，拐彎半徑小，能較好的適應(yīng)水網(wǎng)區(qū)域道路條件，相比“單節(jié)井架+長(zhǎng)軸距”機(jī)型，其駕駛操作性好，抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間短，工作效率高，自2009年投用后已成為“熱門(mén)機(jī)型”。

以上2種機(jī)型在現(xiàn)場(chǎng)就位前，需要通過(guò)旋地錨固定4根防風(fēng)繃?yán)K，用于保障作業(yè)機(jī)施工時(shí)的穩(wěn)定性。旋地錨是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，主要體現(xiàn)在：?jiǎn)T工勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要多人協(xié)作才能旋動(dòng)地錨；施工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，受井場(chǎng)土層影響旋地錨時(shí)間少時(shí)需要 2～4 h，多時(shí)則要 6～8 h。

（3）存在安全風(fēng)險(xiǎn)。旋地錨過(guò)程中對(duì)土層下方的物體難以探測(cè)，存在極大地安全隱患。要解決人工旋地錨的問(wèn)題，一是引進(jìn)地錨機(jī)，實(shí)施機(jī)械鉆地錨。二是引進(jìn)無(wú)繃?yán)K修井機(jī)，無(wú)需旋地錨。2種方法對(duì)比，前者要購(gòu)置設(shè)備，還要配置相關(guān)人員，而且水鄉(xiāng)區(qū)域農(nóng)田多，地錨機(jī)無(wú)法進(jìn)入，所以選擇后者更為適宜。

（4）通過(guò)縝密研究后，在引進(jìn)無(wú)繃?yán)K修井機(jī)時(shí)，框定了7個(gè)要素：①作業(yè)機(jī)是國(guó)家免征公告產(chǎn)品，能夠正常進(jìn)行注冊(cè)上牌。②作業(yè)機(jī)整體尺寸應(yīng)控制在13 m×2.5 m×4 m以?xún)?nèi)。③作業(yè)機(jī)選用8×4（車(chē)輪總數(shù)×驅(qū)動(dòng)輪數(shù)）二類(lèi)底盤(pán)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率>240 kW，尾氣排放要達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。④井架采用雙節(jié)井架（≥17 m），而且是前開(kāi)口型。⑤整機(jī)額定載荷400 kN，最大靜載675 kN，大鉤起升速度 0～1.5 m/s，鋼絲繩直徑22 mm。⑥作業(yè)動(dòng)力傳遞路線(xiàn)設(shè)定為：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)—分動(dòng)箱—傳動(dòng)軸—液力變速器—角傳動(dòng)減速箱—絞車(chē)—大鉤。⑦具備井架強(qiáng)化機(jī)構(gòu)，具有防風(fēng)、防前傾翻、防側(cè)傾翻以及天車(chē)防碰等裝置。

根據(jù)以上要素引進(jìn)了5臺(tái)無(wú)繃?yán)K修井機(jī)，自2014年投用后已累計(jì)施工近300口井。施工時(shí)無(wú)需旋地錨，大幅度降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，少打1000多根地錨，節(jié)省時(shí)間>3000 h，大大提高了施工效率。

1.2 作業(yè)機(jī)械化裝置

自從修井作業(yè)工藝誕生以來(lái)，油井作業(yè)操作方式就是依靠人力與作業(yè)機(jī)配合進(jìn)行起下管柱施工?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，需要4名工人配合著進(jìn)行，其中1名負(fù)責(zé)操作機(jī)器，2名井口工負(fù)責(zé)倒換吊卡和油管上卸扣，1名場(chǎng)地工負(fù)責(zé)撬油管。主要存在以下問(wèn)題。

（1）勞動(dòng)強(qiáng)度大。場(chǎng)地工需要不停地搬抬油管，井口工來(lái)回倒換吊卡，尤其是大修側(cè)鉆等帶鉆臺(tái)施工作業(yè)，管桿向高平臺(tái)輸送難度非常大。

（2）操作環(huán)境惡劣。因?yàn)槭情L(zhǎng)期在露天操作，所以需頻繁接觸原油和污水。

（3）具有一定危險(xiǎn)性。工人在送管過(guò)程中存在著砸傷、擠傷等安全問(wèn)題。

1.3 開(kāi)展工藝優(yōu)化工作

（1）采用框架結(jié)構(gòu)，將液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)融入到機(jī)體內(nèi)部，成為一體化設(shè)計(jì)。

（2）將整體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）控制在 9 m×1.4 m×1.5 m 以?xún)?nèi)，方便運(yùn)輸與裝卸。

（3）對(duì)主舉升液壓缸等主要部件進(jìn)行重新選型，以滿(mǎn)足實(shí)際需求。例如，主舉升液壓缸的選型，需滿(mǎn)足以下要求：

依據(jù)所需的最大作用力Fmax以及最大工作行程來(lái)確定。根據(jù)油缸的工作特點(diǎn)，先計(jì)算出Fi，見(jiàn)式（1）。

式中：Fi—— —第 i級(jí)活塞缸壓力

Pi——液壓系統(tǒng)額定工作壓力，MPa

η——系統(tǒng)效率，通常選0.8

G—— —設(shè)備重量（按5000 kg計(jì)算）

Di—— —液壓缸內(nèi)徑，mm

按照液壓設(shè)備常用的工作壓力來(lái)選取Pi值。Pi值越高，對(duì)密封的要求也越高，成本亦隨之上升。根據(jù)機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及其工作特點(diǎn)，取 Pi＝10 MPa。

根據(jù)輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主舉升液壓缸工作角度α范圍是14.15°～49.53°，在最小角度時(shí)，液壓缸垂直方向分力最小，水平方向分力最大。計(jì)算Fmax，見(jiàn)式（2）。

計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D1，見(jiàn)式（3）。根據(jù)計(jì)算值可選取缸筒內(nèi)徑尺寸。

根據(jù)缸筒內(nèi)徑尺寸系列（GB/T 2348—1993），取液壓缸內(nèi)徑 D1＝100 mm。

在單桿活塞中，活塞桿直徑d值可由D1和λv求得，標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的 λv系列值為 1.06，1.12，1.25，1.4，1.6，2，2.5 和 5，為了減少活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊，取λv≤1.6。見(jiàn)式（4）。

根據(jù)液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（GB/T 2348—1993），選取活塞桿直徑為63 mm。選取的液壓缸額定壓力要>10 MPa，內(nèi)徑為100 mm。除了對(duì)管桿自動(dòng)輸送機(jī)的優(yōu)化研究外，還在井口操作上應(yīng)用了氣動(dòng)卡瓦、對(duì)開(kāi)式吊卡等特殊輔助工具，并研制了環(huán)保井口操作平臺(tái)，平臺(tái)安裝在防噴器上方，工作面采用格柵踏網(wǎng)設(shè)計(jì)，防滑且便于油管內(nèi)的介質(zhì)流入到工作面下方的集污盒。平臺(tái)周?chē)O(shè)計(jì)了可拆卸防護(hù)欄、上臺(tái)梯子以及逃生通道。

由管桿自動(dòng)輸送機(jī)、環(huán)保井口操作平臺(tái)、氣動(dòng)卡瓦和對(duì)開(kāi)式吊卡等組成的高效作業(yè)裝置，在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用后（圖1），單根油管從輸送到入井時(shí)間約為1 min，打破了傳統(tǒng)的作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)了井口單人操作、管桿自動(dòng)輸送的新方式，大幅度降低了工作強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率。

1.4 作業(yè)機(jī)液路高效控制裝置

圖1 高效作業(yè)機(jī)械化裝置應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

為及時(shí)回收作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的污水，在現(xiàn)場(chǎng)配置了液動(dòng)排污泵。由于作業(yè)機(jī)只有一支液壓輸出回路，如圖2所示，在使用排污泵時(shí)，需先將液壓鉗動(dòng)力管線(xiàn)從液壓回路上拆下來(lái)，再將排污泵管線(xiàn)連接上去。待污水回收完畢，再將液壓鉗連接繼續(xù)作業(yè)，如果出現(xiàn)了邊作業(yè)邊排污的情況，則液壓鉗與排污泵需要不停的進(jìn)行切換。如此一來(lái)，不僅影響施工效率，還會(huì)因拆卸液壓管路而產(chǎn)生液壓油泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 通井機(jī)液壓系統(tǒng)只有一支輸出回路

為此重新設(shè)計(jì)和安裝一套液壓控制回路，實(shí)現(xiàn)了高效控制作業(yè)機(jī)的液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)、液壓工作原理

采用M型三位四通液路換向閥（閥芯中間位置時(shí)，2個(gè)輸出口封閉，進(jìn)、回油口暢通）達(dá)到換向、泄壓的目的。閥芯處于中位時(shí)，液泵輸出的液壓油由換向閥的泄壓通道直接流回油箱，而液壓鉗和排污泵的進(jìn)油均被切斷。這種狀態(tài)下即使液泵不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓鉗與排污泵無(wú)油流入，也不會(huì)造成損害；而液泵輸出油液由閥體通道直接流回油箱，液泵處于無(wú)壓運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)液泵也起到保護(hù)作用。

手動(dòng)換向閥選用彈簧自動(dòng)復(fù)位式，由雙向氣缸驅(qū)動(dòng)。氣缸的控制氣閥安裝在通井機(jī)駕駛室內(nèi)，由司鉆進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，避免井口工人跑到通井機(jī)尾部操作而造成的危險(xiǎn)。主要元器件選型要求：

（1）三位四通液壓換向閥選用。選用條件是滿(mǎn)足各型液壓鉗最大流量需要；滿(mǎn)足各類(lèi)型作業(yè)機(jī)液壓動(dòng)力輸出端口的需求；滿(mǎn)足額定承壓能力≥25 MPa的要求。根據(jù)以上3個(gè)條件，來(lái)選取承壓能力、通徑、公稱(chēng)流量、最大流量均滿(mǎn)足上述要求的液壓換向閥。

（2）驅(qū)動(dòng)氣缸選取。首先要確定氣缸缸徑，選取換向閥后，需測(cè)量閥芯操作壓力、拉力和閥芯行程，由于標(biāo)準(zhǔn)換向閥的閥芯壓力和拉力是相同的，所以可根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)選擇合適缸徑和行程的驅(qū)動(dòng)氣缸。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)氣缸缸徑計(jì)算時(shí)，需注意帶有推桿一側(cè)的工作腔要比不帶推桿的工作腔產(chǎn)生的作用力要小，所以要以帶有推桿的工作腔產(chǎn)生的拉力為選取原則。其次是確定驅(qū)動(dòng)氣缸的行程，根據(jù)測(cè)量的液壓換向閥閥芯拉出和推進(jìn)的總長(zhǎng)度，來(lái)選取氣缸的推桿行程。最后，在作業(yè)機(jī)上選取合適的安裝位置，原則是既不影響通井機(jī)的維護(hù)與檢修，也不影響現(xiàn)場(chǎng)人員的施工作業(yè)，方便司鉆操作。如圖4、圖5所示。

圖4 液壓換向分流器在通井機(jī)的安裝位置

圖5 手動(dòng)氣控閥安裝在通井機(jī)駕駛室的情況

作業(yè)機(jī)液路高效控制裝置的應(yīng)用，解決了頻繁倒換液壓管線(xiàn)的繁瑣操作問(wèn)題，可在3 s內(nèi)完成液路切換，操作效率比原來(lái)提高近40倍；可及時(shí)回收井口污水，避免了油液、污水漏失造成的環(huán)境污染。

2 結(jié)論

為了適應(yīng)水鄉(xiāng)油田特殊的環(huán)境特點(diǎn)，引進(jìn)應(yīng)用了無(wú)繃?yán)K修井機(jī)，解決了旋地錨所帶來(lái)的工作強(qiáng)度大、施工準(zhǔn)備周期長(zhǎng)等問(wèn)題；高效作業(yè)機(jī)械化裝置的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)的作業(yè)與操作模式，改善了操作環(huán)境，提高了人力資源利用效率；高效刺洗油管工具和作業(yè)機(jī)液路高效控制裝置等輔助操作裝置的研發(fā)和應(yīng)用，有效保護(hù)了油井周?chē)h(huán)境，提高了操作效率

［1］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.