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(中海油能源發(fā)展股份有限公司裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

海洋平臺(tái)修井機(jī)的滑移系統(tǒng)主要工作原理為液壓傳動(dòng)，即通過液壓缸提供推力和拉力推動(dòng)修井機(jī)克服摩擦阻力完成滑移活動(dòng)。根據(jù)修井機(jī)與平臺(tái)滑軌之間摩擦阻力的不同，海洋平臺(tái)修井機(jī)滑移系統(tǒng)主要可分為以滑動(dòng)摩擦為主要摩擦類型的插入式棘爪滑移系統(tǒng)和以滾動(dòng)摩擦為主要摩擦類型的舉升滾動(dòng)式滑移系統(tǒng)，見圖1。

圖1 舉升滾動(dòng)式滑移系統(tǒng)組成[1]

近年來，插入式棘爪滑移系統(tǒng)以其經(jīng)濟(jì)性和可操作性的優(yōu)勢(shì)逐漸成為修井機(jī)滑移系統(tǒng)配置的主流。但由于舉升滾動(dòng)式滑移系統(tǒng)對(duì)滑軌截面參數(shù)、形位偏差方面要求相對(duì)不高，且適配性極強(qiáng)，仍常見于可搬遷式修井作業(yè)模式中。

1 修井機(jī)滑移影響因素

修井機(jī)的舉升滾動(dòng)式滑移方式中，修井機(jī)本體相對(duì)滾排采用滾動(dòng)摩擦，而舉升油缸底座相對(duì)平臺(tái)滑軌則采用滑動(dòng)摩擦，兩者之間摩擦阻力差距較大，加大了修井機(jī)井架中心對(duì)中轉(zhuǎn)盤中心和井口中心的難度，底座結(jié)構(gòu)很難找齊中心線，如果未能及時(shí)采取措施,則會(huì)進(jìn)一步造成相關(guān)結(jié)構(gòu)、設(shè)備的損壞，甚至?xí)斐尚蘧畽C(jī)底座支腿結(jié)構(gòu)不可逆的塑性破壞。目前中海油部分平臺(tái)已出現(xiàn)過舉升滾動(dòng)式滑移發(fā)生卡阻及破壞現(xiàn)象的情況，如曹妃甸作業(yè)區(qū)域的WHPD平臺(tái)(見圖2、3)和WGPA平臺(tái)，見圖4、5。

圖2 墊片被頂出，限位導(dǎo)向塊與滑軌上翼緣板嵌接

2 滑移卡阻的成因分析

2.1 對(duì)修井機(jī)座板的限位失效導(dǎo)致無法控制垂直于滑軌方向的偏移量

表1為曹妃甸11- 6油田WHPD平臺(tái)修井機(jī)發(fā)生滑移卡阻時(shí)檢測(cè)出的修井機(jī)座板外偏量，其中，最小偏移為東南座板(35、45 mm)，最大偏移為東北座板(80、92 mm)。

表1 CFD11- 6 WHPD平臺(tái)修井機(jī)下移動(dòng)底座修井機(jī)座板偏移數(shù)據(jù) mm

注：①以平臺(tái)北為正北方向，作業(yè)時(shí)修井機(jī)沿滑軌作南北向滑移；②以上數(shù)據(jù)為座板外緣至滑軌翼板外緣的距離。

由表1可見，整個(gè)座板發(fā)生明顯外偏，由此推斷，對(duì)修井機(jī)座板的限位失效導(dǎo)致了垂直于滑軌方向的偏移過大，再進(jìn)一步進(jìn)行分析，造成座板的限位失效有以下兩大原因。

1)修井機(jī)座板承受載荷過大，無法有效限制撓度變形。舉升滾動(dòng)式滑移常見于老舊平臺(tái)可搬遷式修井機(jī)作業(yè)，考慮到跨平臺(tái)作業(yè)的互適性以及平臺(tái)總體布置的經(jīng)濟(jì)性，在該類平臺(tái)甲板上通常未預(yù)留泥漿罐位置，在設(shè)計(jì)時(shí)往往將泥漿罐集成于修井機(jī)下移動(dòng)底座支腿內(nèi)側(cè)，修井機(jī)座板在承受重載下支點(diǎn)反力較大，限位導(dǎo)向塊不易配合修井機(jī)座板有效完成對(duì)撓度變形的控制。同時(shí)考慮到某些特定作業(yè)的操作便利性，部分修井機(jī)集成的泥漿罐之間缺乏必要的剛性連接(見圖6)，泥漿罐遠(yuǎn)端彎矩較大，也造成了修井機(jī)座板撓度變形的增大。

圖6 泥漿罐之間缺乏必要的剛性連接，導(dǎo)致座板撓度變形增大

2)限位導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)形式不合理，無法完全發(fā)揮限位功能。修井機(jī)向不同井位滑移時(shí)，限位導(dǎo)向塊螺栓未能扭緊，舉升油缸舉升后，修井機(jī)本體與滾排之間滾動(dòng)摩擦阻力遠(yuǎn)小于舉升油缸底座與平臺(tái)滑軌之間的滑動(dòng)摩擦阻力，修井機(jī)本體很容易就克服摩擦阻力，彈性變形釋放，進(jìn)一步推動(dòng)修井機(jī)座板朝滑軌方向外偏。同時(shí)，限位導(dǎo)向塊常采用墊片加高的結(jié)構(gòu)，在螺栓未擰緊的情況下，墊片被頂出，未起到限位作用，導(dǎo)致限位導(dǎo)向塊和滑軌同時(shí)失效。如圖2中，平臺(tái)滑軌內(nèi)側(cè)導(dǎo)向塊墊片被頂出，限位導(dǎo)向塊與滑軌上翼緣板嵌接，該示例是限位導(dǎo)向塊作用失效的典型結(jié)果。

2.2 滑移姿態(tài)不同步造成平行于滑軌方向偏移過大

滑移姿態(tài)不同步不利于控制平行于滑軌方向的偏移量，而同步性累計(jì)偏差又進(jìn)一步導(dǎo)致了滑移卡阻的發(fā)生。

1)支點(diǎn)反力不均衡造成滑移兩側(cè)摩擦阻力不同步。由于總體布置需要，修井機(jī)鉆臺(tái)面重量分布并不均勻，在滑移至不同井位時(shí)，重心調(diào)整較為頻繁，增大了井架對(duì)轉(zhuǎn)盤中心、底座中心的對(duì)中難度。同時(shí)，如果井口區(qū)布置偏向某一側(cè)滑軌，在運(yùn)行到極限井位時(shí)，兩側(cè)支點(diǎn)反力嚴(yán)重不平衡，使單根滑軌局部受力過大，造成兩側(cè)摩擦阻力存在明顯差距，也會(huì)導(dǎo)致滑移姿態(tài)的不同步[2]。

2)平移油缸不同步使錯(cuò)位累計(jì)形成較大偏移量。修井機(jī)向不同井位滑移時(shí)，底座連接平移油缸的支座出現(xiàn)側(cè)拉現(xiàn)象，導(dǎo)致舉升油缸底座與下移動(dòng)座座板發(fā)生干涉，同時(shí)，相對(duì)側(cè)的油缸連接耳板出現(xiàn)錯(cuò)位，導(dǎo)致滑移過程出現(xiàn)移動(dòng)錯(cuò)位。另外，液壓站到各油缸管線長度存在較大差別，也易造成油缸動(dòng)作不同步，從而導(dǎo)致移動(dòng)錯(cuò)位。隨著滑移作業(yè)的進(jìn)行，最終形成累計(jì)偏差，造成滑移卡阻。

3)操作者很難準(zhǔn)確目測(cè)修井機(jī)的不同步情況。由于修井機(jī)采用舉升滾動(dòng)式滑移，滑軌上沒有步行孔，操作者缺乏參照，難以判斷修井機(jī)滑移時(shí)的不同步，未能當(dāng)機(jī)立斷采取措施。如圖5中泥漿罐的刮痕，較大程度是因?yàn)椴僮髡呶茨芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)滑移已出現(xiàn)故障，繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致了二次破壞的發(fā)生。

2.3 滑軌自身因素加速滑移卡阻的發(fā)生

滑軌老化導(dǎo)致的下沉變形、新老滑軌之間水平度和同軸度的差異、相對(duì)側(cè)滑軌之間平行度的差異、滑軌潤滑性下降等滑軌自身因素的存在，也會(huì)進(jìn)一步地造成修井機(jī)滑移姿態(tài)的偏移，進(jìn)而導(dǎo)致滑移卡阻。

3 滑移卡阻的設(shè)計(jì)優(yōu)化

滑移卡阻可能由其中一個(gè)因素或者多個(gè)因素造成，因此需要綜合正確的設(shè)計(jì)手段和操作方法來實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防。

3.1 通過增加連接結(jié)構(gòu)控制擾度變形

采取措施控制底座變形是從受力角度解決滑移卡阻問題的重點(diǎn)，可考慮在兩側(cè)泥漿罐之間增加連桿或者斜撐結(jié)構(gòu)，如在泥漿罐底部增設(shè)兩根水平鋼梁，修井機(jī)整體形成桁架結(jié)構(gòu)形式，以提高其穩(wěn)定性，從而利于控制底座變形。同時(shí)，針對(duì)部分特殊作業(yè)的操作便利性，可采用活動(dòng)式連接(銷軸或螺栓等)，作業(yè)時(shí)方便用手動(dòng)工具拆下，待作業(yè)完成后，再將連接結(jié)構(gòu)復(fù)位。

用有限元軟件模擬曹妃甸11- 6 WHPD平臺(tái)修井機(jī)在限位失效工況下有無連桿時(shí)的支腿位移，其中對(duì)邊界條件的設(shè)置見圖7，以平行于滑軌方向?yàn)閄方向(東向?yàn)檎?，以垂直于滑軌方向?yàn)閅方向(南向?yàn)檎?，以垂直于滑軌平面為Z方向(向上為正)，1表示約束，0表示自由。在位工況下，修井機(jī)4個(gè)支腿處于鎖緊(固定)狀態(tài)，自由度均設(shè)置為111 000(簡支)；在限位失效時(shí)，部分支腿處于平面自由狀態(tài)，可模擬為放開X、Y方向約束，自由度設(shè)置為001 000。

圖7 有限元分析邊界條件的設(shè)置

表2為經(jīng)過有限元計(jì)算得出的不同失效工況下非約束支腿的X向最大位移結(jié)果，由表中可知，增加連接結(jié)構(gòu)后可有效地限制座板的撓度變形，提高修井機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性。

表2 CFD11- 6 WHPD平臺(tái)修井機(jī)底座支腿限位失效工況下的有限元模擬對(duì)比分析 mm

3.2 通過優(yōu)化限位導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)形式增強(qiáng)限位能力

考慮到潤滑效果和維修便利性，限位導(dǎo)向塊經(jīng)常設(shè)計(jì)成中間帶墊片的可拆卸結(jié)構(gòu)(見圖8)，但實(shí)際操作證明此導(dǎo)向塊形式對(duì)限制舉升滾動(dòng)式滑移的姿態(tài)偏移作用有限，故可將限位導(dǎo)向塊變更為整體式結(jié)構(gòu)(見圖9)，滑移時(shí)無須松動(dòng)內(nèi)側(cè)限位螺栓，仍可保證移動(dòng)時(shí)的限位功能。

圖8 加墊片式限位導(dǎo)向塊

圖9 整體式限位導(dǎo)向塊

同時(shí)考慮到限位導(dǎo)向塊與滑軌在失效時(shí)很容易產(chǎn)生側(cè)向摩擦，也可將限位導(dǎo)向塊單側(cè)預(yù)留足夠的間隙，保證在滑軌變形較大情況下的滑動(dòng)，防止出現(xiàn)滑移卡阻。

3.3 通過控制支點(diǎn)反力降低修井機(jī)對(duì)中難度

在前期ODP研究階段，在綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性的前提下，減少井口數(shù)量，對(duì)稱布置井口，可有效控制滑軌單個(gè)支點(diǎn)承受較大反力的情況。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)鉆進(jìn)臺(tái)面總體布局的合理設(shè)置，確保載荷平均分布，對(duì)承載結(jié)構(gòu)的傳力路徑進(jìn)行優(yōu)化，均衡支點(diǎn)反力，從而有效提高同步性。

3.4 通過電控系統(tǒng)有效控制油缸的同步性

通常，舉升滾動(dòng)滑移系統(tǒng)通過電控系統(tǒng)和同步閥等來控制油缸的往返行程，可較好地保證滑移的同步性，但考慮到成本因素，很多修井機(jī)的操作閥中未安裝同步閥[3]，導(dǎo)致滑移同步性不易控制。因此加裝必要的操作閥對(duì)控制油缸的同步性具有重要的意義。

3.5 通過滑軌結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)減少滑軌因素影響

針對(duì)滑軌自身因素影響滑移卡阻的問題，建議對(duì)滑軌及相關(guān)配套結(jié)構(gòu)、設(shè)施的要求形成行業(yè)性的規(guī)范文件，對(duì)結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)、截面尺寸參數(shù)、焊接精度、度量要求、建造和安裝工藝、后期維保操作等方面形成統(tǒng)一規(guī)定。在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范、規(guī)定要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，有利于控制姿態(tài)偏移和卡阻破壞。

3.6 通過設(shè)置滑移刻度標(biāo)識(shí)輔助操作者完成同步性觀測(cè)

針對(duì)操作者很難完成準(zhǔn)確目測(cè)的情況，可在修井機(jī)下移動(dòng)座合適的位置設(shè)置滑移刻度標(biāo)識(shí)，輔助操作者完成同步性觀測(cè)。在進(jìn)行滑移作業(yè)時(shí)可以對(duì)兩側(cè)滑移進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同步情況嚴(yán)重時(shí)，操作者可以適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整操作，避免不同步造成限位導(dǎo)向塊失效。

4 結(jié)論

由于摩擦類型不同，主流棘爪型滑移方式常見的滑移問題為劃痕和劃傷，而舉升滾動(dòng)式修井機(jī)則更易出現(xiàn)滑移姿態(tài)偏移甚至滑移卡阻。針對(duì)滑移問題，國內(nèi)已有相關(guān)專題進(jìn)行了較深入的研究，但均主要立足于劃痕的成因與對(duì)策，對(duì)姿態(tài)偏移和卡阻現(xiàn)象反而缺乏探討。然而，滑移卡阻除可能影響正常修井作業(yè)并造成后續(xù)經(jīng)濟(jì)損失外，更重要的是，若處理不當(dāng)可導(dǎo)致主腿結(jié)構(gòu)塑性破壞，從而對(duì)平臺(tái)使用安全和人員人身安全造成巨大威脅。因此，對(duì)滑移卡阻現(xiàn)象進(jìn)行專題研究，具有一定的前瞻性、實(shí)用性和緊迫性，而在成因分析的基礎(chǔ)上有針對(duì)性地從設(shè)計(jì)上進(jìn)行預(yù)防性優(yōu)化，則是避免損失，保證正常作業(yè)，為平臺(tái)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)做出貢獻(xiàn)的行之有效的方法。

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