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        液壓修井機行程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

        2017-08-02 12:05:42周超楊向前鄭清華郭華
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2017年9期
        關(guān)鍵詞:油缸

        周超++楊向前++鄭清華++郭華

        摘 要:該文通過對液壓修井機的工作特點分析和對其在國外應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研,對其在國內(nèi)海洋平臺上應(yīng)用的前景進行了分析。認為液壓修井機應(yīng)用于海洋平臺上有許多得天獨厚的優(yōu)點,適合海洋平臺的工作特點。對液壓修井機的行程、油缸尺寸、油泵排量等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,在滿足載荷要求和安全性的前提下,提高了其行程以滿足生產(chǎn)需要,調(diào)整后的設(shè)計能滿足更高的作業(yè)要求,可提高現(xiàn)場作業(yè)效率。

        關(guān)鍵詞:液壓修井機 油缸 游動行程

        中圖分類號:TE93 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)03(c)-0084-03

        目前海洋平臺上應(yīng)用最廣泛的修井機是常規(guī)海洋修井機,基本都是把在陸地上使用比較成熟的修井裝置,通過適當(dāng)改造以適應(yīng)海上修井特點,然后整體搬遷到海洋平臺上、輔助船上或者固定平臺上使用。陸上修井裝置一般要經(jīng)過撬裝化、模塊化、加裝導(dǎo)軌等改造才能用于海洋平臺。

        液壓修井機的結(jié)構(gòu)及工作方式與常規(guī)修井機有較大區(qū)別。與常規(guī)修井機相比,液壓修井機的提升系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)更加簡單,液壓修井機取消了常規(guī)修井機的井架、游車、天車、絞車、變速傳動箱等裝置,全部采用液壓控制,通過液壓系統(tǒng)完成大鉤的起下[1]。此外,液壓修井機還具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、給進力大、傳動平穩(wěn)、操縱簡便以及易實現(xiàn)無級變速和自動控制等工作特點,實現(xiàn)了生產(chǎn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的目的[2]。

        1 海上應(yīng)用分析

        從國外的情況來看,液壓修井機的前身不壓井修井機,早在20世紀60年代就開始在北海油田應(yīng)用,現(xiàn)在意義的液壓修井機的應(yīng)用是從20世紀90年代開始的。比如,尼日利亞的海上石油開發(fā)中使用液壓修井機進行作業(yè)已經(jīng)有近10年的歷史,在國外石油公司提供技術(shù)幫助和人員培訓(xùn)的前提下,其本土的Tecon Oil Service公司生產(chǎn)提供的液壓修井機在實踐中經(jīng)過不斷完善,被證明可以高效完成作業(yè),達到了安全環(huán)保標(biāo)準,完全滿足使用要求。與常規(guī)修井機相比,可以節(jié)省20%~50%的費用[3]。分析認為,主要是由于以下幾方面費用的降低。

        (1)動復(fù)員費用。

        (2)人員,后勤保障費用。

        (3)減少井架起降時間所節(jié)約的費用。

        (4)與常規(guī)修井機比較,減少了搬遷時間,降低了產(chǎn)量損失。

        目前國內(nèi)還沒有在海洋平臺上使用液壓修井機的先例。該文對其在國內(nèi)海洋平臺上的應(yīng)用前景進行了分析。

        液壓修井機重量輕,占地面積小的工作特點,可放置在中小型井口平臺(簡易平臺)上,進行邊際油田、小油氣構(gòu)造的開發(fā),能夠有效降低開發(fā)成本。目前海上已發(fā)現(xiàn)多個待開發(fā)的邊際小油田,邊際油田將主要采用無人平臺的方式進行開發(fā)。各個海域目前也建有一些無修井機平臺,且數(shù)量還會繼續(xù)增加。適合用液壓修井機進行作業(yè)的平臺較多。針對液壓修井機的海上應(yīng)用進行的分析如下。

        (1)液壓修井機單模塊的最大重量不超過10 t,二層臺容量2 660 m,可容納3-1/2”油管280根,完全可以滿足平臺的常規(guī)修井作業(yè)。

        (2)因為平臺一般都設(shè)有一套液壓系統(tǒng),液壓修井機可以與之共用一套液壓源,降低了平臺的一次性投資。

        (3)與同規(guī)格的常規(guī)修井機相比,液壓修井機的整機干重可以降低28%左右。同時由于液壓修井機布置靈活,沒有井架,提升油缸的占地面積很小,所以使作業(yè)甲板的結(jié)構(gòu)尺寸減少,結(jié)構(gòu)重量大大降低,可降低平臺一次性投資。

        (4)液壓修井機液壓系統(tǒng)易損件少,可以降低維護、保養(yǎng)費用。

        可見,液壓修井機用于海洋平臺有許多得天獨厚的優(yōu)點,它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠、節(jié)能環(huán)保、零部件使用壽命長、可降低一次性投資等優(yōu)點,適合海洋平臺的工作特點。

        2 液壓修井機設(shè)計優(yōu)化

        國內(nèi)某廠家初始設(shè)計的液壓模塊修井機最大行程為12 m,作業(yè)只能起下單根油管,工作效率較低。該文在原有設(shè)計基礎(chǔ)上進行了調(diào)整,在滿足載荷和安全性要求的前提下,將其最大行程提高到24 m,以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。具體計算過程如下。

        給定液壓模塊修井機設(shè)計最大提升載荷F=90T,液壓系統(tǒng)最高壓力p=15 MPa,發(fā)動機轉(zhuǎn)速=1 900 RPM,油缸活塞桿直徑d=260 mm。

        液壓模塊修井機采用差動連接的方式進行提升作業(yè),給定其最大提升速度(差動)為V=0.34 m/s。

        液壓缸的理論作用力以及供油壓力已知,則無活塞桿側(cè)的缸筒內(nèi)徑D的計算公式為[4]:

        代入數(shù)據(jù)計算得:油缸內(nèi)徑D=283.579 796 3 mm,圓整后取。

        油缸無桿腔面積為:

        油缸有桿腔面積為:

        提升速度為:

        下放速度為:

        差動增速速比為:

        下放速度與提升速度速比為:

        差動工況下系統(tǒng)的最大提升載荷為:

        式中:為重力加速度,N/kg;為液壓缸效率,取=0.93。

        差動工況下所需功率為:

        最大速度工況下所需供油量L為:

        =1 083.063 54 L/min

        最大速度工況下所需油泵最小排量Q為:

        Q圓整為430 mL/r。

        2.1 油缸設(shè)計計算

        舉升油缸是液壓修井機的關(guān)鍵部件,因此液壓修井機設(shè)計計算過程中,油缸的設(shè)計計算是非常重要的一個方面。

        給定空心活塞桿的內(nèi)徑 m,缸筒材料選用35#鋼,屈服強度340 MPa,抗拉強度610 MPa。

        活塞桿橫截面慣性矩I為:

        活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力為:

        式中:為安全系數(shù),通常取3.5~6,此處取。

        根據(jù)歐拉公式得出活塞桿的最大允許計算長度為:

        活塞的最大允許行程S為:

        式中:為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù),液壓模塊修井機液壓缸采用一端鉸接,剛性導(dǎo)向,一端剛性固定,因此=2。

        2.2 調(diào)整設(shè)計參數(shù)前后液壓修井機特點對比

        調(diào)整前后液壓模塊修井機對比如表1所示。

        調(diào)整前后對比液壓模塊修井機特點對比如表2所示。

        可見,對液壓模塊修井機參數(shù)進行調(diào)整后,雖然能滿足更高的要求,提高現(xiàn)場作業(yè)效率,但是相應(yīng)的整機重量和能耗等都有所增加。在具體使用中,應(yīng)根據(jù)實際需要確定修井機的參數(shù)。

        3 結(jié)語

        通過對液壓修井機的國外應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研,對其在國內(nèi)海洋平臺上應(yīng)用的前景進行分析,認為液壓修井機應(yīng)用于海洋平臺上有許多得天獨厚的優(yōu)點,適合海洋平臺的工作特點。對液壓修井機的行程、油缸尺寸、油泵排量等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,在滿足載荷要求和安全性的前提下,提高了其行程以滿足生產(chǎn)需要。優(yōu)化調(diào)整后的設(shè)計能滿足更高的作業(yè)要求,可提高現(xiàn)場作業(yè)效率,但是相應(yīng)的整機重量和能耗等都有所增加,在具體使用中,應(yīng)根據(jù)實際需要確定修井機的參數(shù)。

        參考文獻

        [1] 顧心懌,潘偉,張愛恩,等.具有節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢的液壓蓄能修井機[J].石油機械,2003,31(增刊):42-44.

        [2] 王運安,牛文杰,李寶蘊.全自動智能液壓修井機研制[J].石油礦場機械,2016,45(4):69-73.

        [3] P.Ohia,R.Aguta,Owerri.A Review of Hydraulic Workover Operations in Nigeria[Z].SPE100839, Presented at the 2006 SPE International Oil&Gas Conference and Exhibition in China held in Beijing, China,5-7 December 2006.

        [4] 章宏甲,黃誼.液壓傳動[M].機械工業(yè)出版社,2003:66-69.

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