張軍巧，齊建雄，楚飛，謝宏峰，趙春暉

（北京石油機(jī)械有限公司，北京 102206）

0 引言

頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)可在修井井架上直接安裝使用，為常規(guī)修井作業(yè)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，支承鉆柱并從井架上部直接驅(qū)動(dòng)鉆柱或油管向下送進(jìn)[1]。采用頂部驅(qū)動(dòng)鉆柱的方式，可直接接入單根或雙根，除用于常規(guī)修井作業(yè)外，還可用于開(kāi)窗側(cè)鉆、鉆裸眼井和取芯等作業(yè)。

油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，油井井況不斷惡化，開(kāi)采難度增大，作業(yè)施工工作量隨之加大，尤其擠堵、鉆塞、套銑、磨銑、鉆橋塞等井下工藝技術(shù)及井筒處理的措施明顯增多[2-3]。為穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，有效提高工作效率和可靠性，北京石油機(jī)械有限公司融合國(guó)內(nèi)外頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，研制了一種新型頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)。

1 技術(shù)分析

1.1 遵循標(biāo)準(zhǔn)

頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要滿足常規(guī)鉆修井作業(yè)的要求，還要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循的標(biāo)準(zhǔn)主要有[4-6]：Q/SY CPET J010031—2019《頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)》、API Spec 8C《鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范（PSL1 和PSL2）》、GB/T 23505—2017《石油天然氣工業(yè) 鉆機(jī)和修井機(jī)》、SY/T 5288—2000《鉆采提升設(shè)備的主要連接尺寸》，以及公司的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

1.2 設(shè)計(jì)要求

為實(shí)現(xiàn)頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)管柱、循環(huán)鉆井液和驅(qū)動(dòng)工具進(jìn)行修井作業(yè)自動(dòng)化的要求，該修井頂驅(qū)的提升部件要有足夠的強(qiáng)度，鉆井液循環(huán)通道密封要牢靠，液壓系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程對(duì)液壓元器件和動(dòng)力水龍頭進(jìn)行操作，整機(jī)體積要小，以滿足修井機(jī)井架空間的需要。

1.3 工作原理

液壓動(dòng)力系統(tǒng)中的柴油機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)主液壓泵旋轉(zhuǎn)，主液壓泵輸出的油液驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)及與液壓馬達(dá)連接的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)管柱作業(yè)。液壓控制系統(tǒng)可通過(guò)操作面板遠(yuǎn)程控制液壓馬達(dá)的供油方向和供油排量的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)測(cè)。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

新型頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 新型頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)組成

頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)主要由動(dòng)力水龍頭本體、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)組成。

2.1 動(dòng)力水龍頭本體

動(dòng)力水龍頭本體由提環(huán)總成、翻轉(zhuǎn)裝置、鵝頸管、承扭機(jī)構(gòu)、沖管總成、箱體總成、主軸總成、液壓馬達(dá)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)力水龍頭本體結(jié)構(gòu)圖

2.2 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

液壓動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、主液壓泵、輔助液壓泵、油箱和油路附件組成。輔助液壓泵由補(bǔ)油泵、沖洗泵和牽引泵組成。油箱由進(jìn)油和回油過(guò)濾器、溫度計(jì)、液位計(jì)等組成。油路附件包括冷卻裝置、加熱裝置和液壓管線等。

2.3 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)由對(duì)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、急停、故障報(bào)警功能進(jìn)行控制的手柄、旋鈕、按鈕、顯示儀表及連接管纜等組成。

3 關(guān)鍵件的強(qiáng)度校核

承受頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)額定載荷的提環(huán)、主軸及主軸總成上的承載軸承是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵件。提環(huán)上端與吊卡孔徑連接的臺(tái)肩尺寸、主軸與鉆柱連接螺紋規(guī)格、其它連接尺寸及安全系數(shù)可以依據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取，通過(guò)常規(guī)計(jì)算后，采用有限元進(jìn)行優(yōu)化分析，即可使提環(huán)和主軸的強(qiáng)度、疲勞壽命滿足要求。本文僅以主軸總成上的承載軸承的選型進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

軸承的選型應(yīng)考慮額定動(dòng)載荷、額定靜載荷及動(dòng)力水龍頭的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)等幾個(gè)方面。

3.1 軸承額定動(dòng)載荷的計(jì)算

一般情況下，額定動(dòng)載荷的公式[7]為

但由于地層的復(fù)雜性，頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)工作中承受的實(shí)際載荷和轉(zhuǎn)速是動(dòng)態(tài)變化的，可用等效載荷k壽Pmax代替kNP，并計(jì)入安全系數(shù)等參數(shù)，可得到主軸承實(shí)際動(dòng)載荷C′[8]為

式中：n1為軸承動(dòng)載荷安全系數(shù)，k載為超載系數(shù)，k溫為溫度系數(shù)，k壽為等效系數(shù)，Pmax為最大當(dāng)量動(dòng)載荷。

由于修井頂驅(qū)還需要符合API Spec 8C，軸承額定載荷公式規(guī)定如下：

式中：WS為主軸承在100 r/min時(shí)的計(jì)算載荷；WR為主止推軸承在100 r/min時(shí)90%的軸承最短使用壽命為3000 h的額定載荷。

根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算得到的較大值，確定軸承額定動(dòng)載荷，使軸承的額定動(dòng)載荷不小于實(shí)際動(dòng)載荷計(jì)算值。

3.2 承受靜載荷的計(jì)算

依據(jù)API Spec 8C表1設(shè)計(jì)安全系數(shù)的規(guī)定，當(dāng)產(chǎn)品額定載荷小于1334 kN時(shí)的安全系數(shù)為3，則確定實(shí)際靜載荷為產(chǎn)品額定載荷與安全系數(shù)的乘積，使軸承的額定靜載荷不小于實(shí)際靜載荷計(jì)算值。

3.3 軸承型號(hào)的確定

根據(jù)計(jì)算得到的理論最大靜載荷和動(dòng)載荷、軸承安裝位置處的內(nèi)外圓直徑，以及使用工況（轉(zhuǎn)速、工作載荷及方向、沖擊載荷、安裝和拆卸等），即可確定軸承的型號(hào)。

4 技術(shù)特點(diǎn)

1）提環(huán)上端通過(guò)吊卡和雙臂吊環(huán)的懸掛方式與修井機(jī)連接，下端固定在箱體上，可承受整個(gè)動(dòng)力水龍頭的額定載荷，結(jié)構(gòu)緊湊，縮短了動(dòng)力水龍頭本體高度。

2）翻轉(zhuǎn)總成安裝在提環(huán)和箱體之間，通過(guò)翻轉(zhuǎn)油缸的伸縮，使動(dòng)力水龍頭本體自動(dòng)傾斜，便于主軸螺紋對(duì)扣，減少螺紋磨損。

3）鵝頸管、沖管總成和主軸總成形成鉆井液循環(huán)通道，其中，鵝頸管和沖管總成可自動(dòng)對(duì)正。該通道不但能承受鉆井液壓力和沖擊，實(shí)現(xiàn)循環(huán)鉆進(jìn)對(duì)主軸的旋轉(zhuǎn)密封，還能滿足耐鉆井液腐蝕的要求。

4）承扭機(jī)構(gòu)為伸縮式，一端與箱體連接，另一端與鋼絲繩連接。鋼絲繩的兩端通過(guò)卸扣分別與天車(chē)和地錨連接。承扭機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度可以根據(jù)井架的情況進(jìn)行調(diào)整，使動(dòng)力水龍頭本體與井架保持相對(duì)正確的位置。工作過(guò)程中，井下產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩通過(guò)主軸傳遞到承扭機(jī)構(gòu)上，用來(lái)承受反轉(zhuǎn)矩[9-10]，限制動(dòng)力水龍頭反轉(zhuǎn)，同時(shí)，保證動(dòng)力水龍頭能沿鋼絲繩上下滑動(dòng)。

5）液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸鉆進(jìn)，提供鉆修井所需鉆速和轉(zhuǎn)矩。取消減速機(jī)構(gòu)及油潤(rùn)滑、冷卻和過(guò)濾系統(tǒng)，傳動(dòng)效率更高、密封數(shù)量更少、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、可靠性更強(qiáng)。液壓馬達(dá)與主軸之間的同軸度好，避免了工作過(guò)程中由于同軸度不好造成的各連接件之間過(guò)度磨損和沖擊。

6）液壓動(dòng)力系統(tǒng)的主液壓泵與液壓馬達(dá)間采用閉式油路，系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度高、穩(wěn)定性好。輔助液壓系統(tǒng)中的補(bǔ)油泵不斷地向液壓系統(tǒng)補(bǔ)充冷卻后的液壓油，保證馬達(dá)正常工作的同時(shí)，有效解決閉式系統(tǒng)的溫升問(wèn)題；沖洗泵從油箱抽取冷卻后的液壓油冷卻液壓馬達(dá)殼體，帶走液壓馬達(dá)熱量，控制液壓馬達(dá)溫升；牽引泵輔助動(dòng)力水龍頭本體的拖曳收回和液壓管線（含馬達(dá)進(jìn)回油和泄油、沖洗及翻轉(zhuǎn)油缸的進(jìn)回油管線）盤(pán)管。

7）液壓控制系統(tǒng)可通過(guò)遠(yuǎn)程控制面板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)輸出功率大小的控制、主液壓泵流量調(diào)節(jié)、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速變換、系統(tǒng)急停、系統(tǒng)壓力設(shè)定、液壓管線自動(dòng)盤(pán)卷、動(dòng)力水龍頭本體自動(dòng)拖曳和自動(dòng)翻轉(zhuǎn)等操作，自動(dòng)化程度高。

5 廠內(nèi)試驗(yàn)

樣機(jī)裝配完成后，在廠內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，內(nèi)容包括：靜載拉伸試驗(yàn)、動(dòng)力水龍頭試驗(yàn)、主通道密封試驗(yàn)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)、控制功能試驗(yàn)。具體試驗(yàn)情況如下。

1）靜載拉伸試驗(yàn)。在提環(huán)預(yù)期產(chǎn)生高應(yīng)力的合適部位貼應(yīng)變片，緩慢加載到驗(yàn)證載荷后卸載。試驗(yàn)結(jié)果顯示提環(huán)無(wú)屈服發(fā)生，卸載24 h后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢查提環(huán)無(wú)變形和損傷，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)文件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）動(dòng)力水龍頭試驗(yàn)。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩加載、跑合試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無(wú)異常，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到150 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到10 kN·m。

3）主通道密封試驗(yàn)。對(duì)主軸、沖管總成及鵝頸管在內(nèi)的泥漿通道進(jìn)行69 MPa、2個(gè)周期、每個(gè)周期保壓3 min的壓力試驗(yàn)，均無(wú)可見(jiàn)的壓力下降或滲漏。

4）液壓動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)。對(duì)柴油機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)和管路附件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。各元件工作正常，顯示正確，沒(méi)有滲漏，無(wú)異響。

5）液壓控制系統(tǒng)試驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)功能及顯示、報(bào)警、保護(hù)等進(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制準(zhǔn)確、操作靈活、反應(yīng)靈敏，顯示與報(bào)警無(wú)誤。

6 結(jié)論

1）研制的頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)無(wú)減速箱和油潤(rùn)滑系統(tǒng)，由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸，密封數(shù)量少，解決了使用齒輪傳動(dòng)造成的動(dòng)力水龍頭本體偏重傾斜、效率損耗大和維護(hù)不便問(wèn)題，提高了傳動(dòng)可靠性，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，縮小了外形尺寸。

2）采用閉式液壓油路，解決了頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)對(duì)井場(chǎng)電網(wǎng)的依賴，工作平穩(wěn)性和控制準(zhǔn)確性得到保障。同時(shí)，補(bǔ)油泵、牽引泵、沖洗泵集成在主泵上，使管路連接變得簡(jiǎn)單，不僅縮小了安裝空間，而且減少了由管路連接造成的泄漏和管道振動(dòng)，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性。

3）順應(yīng)石油裝備自動(dòng)化發(fā)展要求，采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，操作人員使用遙控面板就可對(duì)液壓馬達(dá)、液壓管線和動(dòng)力水龍頭本體進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)、控制邏輯合理，降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，從而提高了工作效率和安全性。

4）通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)了頂部驅(qū)動(dòng)修井系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，整機(jī)性能穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，設(shè)計(jì)合理。