劉銘強

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

0 前言

江蘇油田素有油井打在花園里的油田之稱，其地處于長三角區(qū)域，因區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展迅速，人口密集，村鎮(zhèn)密布，水網(wǎng)交錯縱橫，自古以來就是江南魚米之鄉(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”為中心線進行推進。近年來，隨著科技進步、企業(yè)管理者愈加重視環(huán)保問題。通過技術(shù)人員的努力攻關(guān)，許多環(huán)保、高效設(shè)備得到了引進、研發(fā)和推廣，使油田一線作業(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 無繃繩修井機

作業(yè)機是油田井下作業(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、井場面積小、油井周邊農(nóng)田、魚塘密布，所以作業(yè)機的選型配置直接影響其利用率和作業(yè)時效。經(jīng)過多年來的研究和引進，作業(yè)機從最初的“單節(jié)井架+長軸距”模式逐步向“雙節(jié)井架+短軸距”轉(zhuǎn)變，主要代表機型有2種。

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

（2）“雙節(jié)井架+短軸距”代表機型。如ES5253TXJ修井機，主要產(chǎn)自南陽二機廠，額定鉤載40 t，采用雙節(jié)井架配置，井架高17 m，整機尺寸（長×寬×高）是10.3 m×2.5 m×3.9 m。采用單發(fā)動機配置，功率241 kW。由于車體較小，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+長軸距”機型，其駕駛操作性好，抵達現(xiàn)場時間短，工作效率高，自2009年投用后已成為“熱門機型”。

以上2種機型在現(xiàn)場就位前，需要通過旋地錨固定4根防風(fēng)繃繩，用于保障作業(yè)機施工時的穩(wěn)定性。旋地錨是一項勞動強度極大的工作，主要體現(xiàn)在：員工勞動強度大，需要多人協(xié)作才能旋動地錨；施工準備時間長，受井場土層影響旋地錨時間少時需要 2～4 h，多時則要 6～8 h。

（3）存在安全風(fēng)險。旋地錨過程中對土層下方的物體難以探測，存在極大地安全隱患。要解決人工旋地錨的問題，一是引進地錨機，實施機械鉆地錨。二是引進無繃繩修井機，無需旋地錨。2種方法對比，前者要購置設(shè)備，還要配置相關(guān)人員，而且水鄉(xiāng)區(qū)域農(nóng)田多，地錨機無法進入，所以選擇后者更為適宜。

（4）通過縝密研究后，在引進無繃繩修井機時，框定了7個要素：①作業(yè)機是國家免征公告產(chǎn)品，能夠正常進行注冊上牌。②作業(yè)機整體尺寸應(yīng)控制在13 m×2.5 m×4 m以內(nèi)。③作業(yè)機選用8×4（車輪總數(shù)×驅(qū)動輪數(shù)）二類底盤，發(fā)動機功率>240 kW，尾氣排放要達到國家標準要求。④井架采用雙節(jié)井架（≥17 m），而且是前開口型。⑤整機額定載荷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)動力傳遞路線設(shè)定為：汽車發(fā)動機—分動箱—傳動軸—液力變速器—角傳動減速箱—絞車—大鉤。⑦具備井架強化機構(gòu)，具有防風(fēng)、防前傾翻、防側(cè)傾翻以及天車防碰等裝置。

根據(jù)以上要素引進了5臺無繃繩修井機，自2014年投用后已累計施工近300口井。施工時無需旋地錨，大幅度降低了員工的勞動強度，少打1000多根地錨，節(jié)省時間>3000 h，大大提高了施工效率。

1.2 作業(yè)機械化裝置

自從修井作業(yè)工藝誕生以來，油井作業(yè)操作方式就是依靠人力與作業(yè)機配合進行起下管柱施工。現(xiàn)場施工時，需要4名工人配合著進行，其中1名負責(zé)操作機器，2名井口工負責(zé)倒換吊卡和油管上卸扣，1名場地工負責(zé)撬油管。主要存在以下問題。

（1）勞動強度大。場地工需要不停地搬抬油管，井口工來回倒換吊卡，尤其是大修側(cè)鉆等帶鉆臺施工作業(yè)，管桿向高平臺輸送難度非常大。

（2）操作環(huán)境惡劣。因為是長期在露天操作，所以需頻繁接觸原油和污水。

（3）具有一定危險性。工人在送管過程中存在著砸傷、擠傷等安全問題。

1.3 開展工藝優(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)融入到機體內(nèi)部，成為一體化設(shè)計。

（2）將整體尺寸（長×寬×高）控制在 9 m×1.4 m×1.5 m 以內(nèi)，方便運輸與裝卸。

（3）對主舉升液壓缸等主要部件進行重新選型，以滿足實際需求。例如，主舉升液壓缸的選型，需滿足以下要求：

依據(jù)所需的最大作用力Fmax以及最大工作行程來確定。根據(jù)油缸的工作特點，先計算出Fi，見式（1）。

式中：Fi—— —第 i級活塞缸壓力

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計算）

Di—— —液壓缸內(nèi)徑，mm

按照液壓設(shè)備常用的工作壓力來選取Pi值。Pi值越高，對密封的要求也越高，成本亦隨之上升。根據(jù)機構(gòu)的類型及其工作特點，取 Pi＝10 MPa。

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

計算液壓缸內(nèi)徑D1，見式（3）。根據(jù)計算值可選取缸筒內(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，標準液壓缸的 λv系列值為 1.06，1.12，1.25，1.4，1.6，2，2.5 和 5，為了減少活塞在運動過程中的沖擊，取λv≤1.6。見式（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。除了對管桿自動輸送機的優(yōu)化研究外，還在井口操作上應(yīng)用了氣動卡瓦、對開式吊卡等特殊輔助工具，并研制了環(huán)保井口操作平臺，平臺安裝在防噴器上方，工作面采用格柵踏網(wǎng)設(shè)計，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。平臺周圍設(shè)計了可拆卸防護欄、上臺梯子以及逃生通道。

由管桿自動輸送機、環(huán)保井口操作平臺、氣動卡瓦和對開式吊卡等組成的高效作業(yè)裝置，在現(xiàn)場成功應(yīng)用后（圖1），單根油管從輸送到入井時間約為1 min，打破了傳統(tǒng)的作業(yè)方式，實現(xiàn)了井口單人操作、管桿自動輸送的新方式，大幅度降低了工作強度，提高了勞動效率。

1.4 作業(yè)機液路高效控制裝置

圖1 高效作業(yè)機械化裝置應(yīng)用現(xiàn)場

為及時回收作業(yè)時產(chǎn)生的污水，在現(xiàn)場配置了液動排污泵。由于作業(yè)機只有一支液壓輸出回路，如圖2所示，在使用排污泵時，需先將液壓鉗動力管線從液壓回路上拆下來，再將排污泵管線連接上去。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行切換。如此一來，不僅影響施工效率，還會因拆卸液壓管路而產(chǎn)生液壓油泄漏的風(fēng)險。

圖2 通井機液壓系統(tǒng)只有一支輸出回路

為此重新設(shè)計和安裝一套液壓控制回路，實現(xiàn)了高效控制作業(yè)機的液壓系統(tǒng)，設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 氣動、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，2個輸出口封閉，進、回油口暢通）達到換向、泄壓的目的。閥芯處于中位時，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油均被切斷。這種狀態(tài)下即使液泵不停的轉(zhuǎn)動，液壓鉗與排污泵無油流入，也不會造成損害；而液泵輸出油液由閥體通道直接流回油箱，液泵處于無壓運轉(zhuǎn)狀態(tài)，對液泵也起到保護作用。

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

（1）三位四通液壓換向閥選用。選用條件是滿足各型液壓鉗最大流量需要；滿足各類型作業(yè)機液壓動力輸出端口的需求；滿足額定承壓能力≥25 MPa的要求。根據(jù)以上3個條件，來選取承壓能力、通徑、公稱流量、最大流量均滿足上述要求的液壓換向閥。

（2）驅(qū)動氣缸選取。首先要確定氣缸缸徑，選取換向閥后，需測量閥芯操作壓力、拉力和閥芯行程，由于標準換向閥的閥芯壓力和拉力是相同的，所以可根據(jù)所測數(shù)據(jù)選擇合適缸徑和行程的驅(qū)動氣缸。在進行驅(qū)動氣缸缸徑計算時，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)動氣缸的行程，根據(jù)測量的液壓換向閥閥芯拉出和推進的總長度，來選取氣缸的推桿行程。最后，在作業(yè)機上選取合適的安裝位置，原則是既不影響通井機的維護與檢修，也不影響現(xiàn)場人員的施工作業(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的安裝位置

圖5 手動氣控閥安裝在通井機駕駛室的情況

作業(yè)機液路高效控制裝置的應(yīng)用，解決了頻繁倒換液壓管線的繁瑣操作問題，可在3 s內(nèi)完成液路切換，操作效率比原來提高近40倍；可及時回收井口污水，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，引進應(yīng)用了無繃繩修井機，解決了旋地錨所帶來的工作強度大、施工準備周期長等問題；高效作業(yè)機械化裝置的應(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，有效保護了油井周圍環(huán)境，提高了操作效率

［1］聞邦椿.機械設(shè)計手冊第5版［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.