水乡油田高效作业装备的研究与应用

刘铭强

（江苏油田分公司工程技术服务中心设备管理科，江苏扬州 225265）

0 前言

江苏油田素有油井打在花园里的油田之称，其地处于长三角区域，因区域经济发展迅速，人口密集，村镇密布，水网交错纵横，自古以来就是江南鱼米之乡的繁荣地区。由于受地理位置特殊性的影响，油田作业装备的发展始终以“安全、高效、环保、经济”为中心线进行推进。近年来，随着科技进步、企业管理者愈加重视环保问题。通过技术人员的努力攻关，许多环保、高效设备得到了引进、研发和推广，使油田一线作业操作环境得到了显著改善。

1 高效作业装备的研究与应用情况

1.1 无绷绳修井机

作业机是油田井下作业施工设备，主要功能是起下管柱。由于江苏油田油区内水网众多、道路狭小、井场面积小、油井周边农田、鱼塘密布，所以作业机的选型配置直接影响其利用率和作业时效。经过多年来的研究和引进，作业机从最初的“单节井架+长轴距”模式逐步向“双节井架+短轴距”转变，主要代表机型有2种。

（1）“单节井架+长轴距”代表机型。如JHX5241TXJ修井机，主要产自江汉四机厂，采用单节井架配置，井架高16 m，额定钩载40 t，整机尺寸（长×宽×高）是 14.1 m×2.5 m×3.98 m，整车重约24 t。

（2）“双节井架+短轴距”代表机型。如ES5253TXJ修井机，主要产自南阳二机厂，额定钩载40 t，采用双节井架配置，井架高17 m，整机尺寸（长×宽×高）是10.3 m×2.5 m×3.9 m。采用单发动机配置，功率241 kW。由于车体较小，拐弯半径小，能较好的适应水网区域道路条件，相比“单节井架+长轴距”机型，其驾驶操作性好，抵达现场时间短，工作效率高，自2009年投用后已成为“热门机型”。

以上2种机型在现场就位前，需要通过旋地锚固定4根防风绷绳，用于保障作业机施工时的稳定性。旋地锚是一项劳动强度极大的工作，主要体现在：员工劳动强度大，需要多人协作才能旋动地锚；施工准备时间长，受井场土层影响旋地锚时间少时需要 2～4 h，多时则要 6～8 h。

（3）存在安全风险。旋地锚过程中对土层下方的物体难以探测，存在极大地安全隐患。要解决人工旋地锚的问题，一是引进地锚机，实施机械钻地锚。二是引进无绷绳修井机，无需旋地锚。2种方法对比，前者要购置设备，还要配置相关人员，而且水乡区域农田多，地锚机无法进入，所以选择后者更为适宜。

（4）通过缜密研究后，在引进无绷绳修井机时，框定了7个要素：①作业机是国家免征公告产品，能够正常进行注册上牌。②作业机整体尺寸应控制在13 m×2.5 m×4 m以内。③作业机选用8×4（车轮总数×驱动轮数）二类底盘，发动机功率>240 kW，尾气排放要达到国家标准要求。④井架采用双节井架（≥17 m），而且是前开口型。⑤整机额定载荷400 kN，最大静载675 kN，大钩起升速度 0～1.5 m/s，钢丝绳直径22 mm。⑥作业动力传递路线设定为：汽车发动机—分动箱—传动轴—液力变速器—角传动减速箱—绞车—大钩。⑦具备井架强化机构，具有防风、防前倾翻、防侧倾翻以及天车防碰等装置。

根据以上要素引进了5台无绷绳修井机，自2014年投用后已累计施工近300口井。施工时无需旋地锚，大幅度降低了员工的劳动强度，少打1000多根地锚，节省时间>3000 h，大大提高了施工效率。

1.2 作业机械化装置

自从修井作业工艺诞生以来，油井作业操作方式就是依靠人力与作业机配合进行起下管柱施工。现场施工时，需要4名工人配合着进行，其中1名负责操作机器，2名井口工负责倒换吊卡和油管上卸扣，1名场地工负责撬油管。主要存在以下问题。

（1）劳动强度大。场地工需要不停地搬抬油管，井口工来回倒换吊卡，尤其是大修侧钻等带钻台施工作业，管杆向高平台输送难度非常大。

（2）操作环境恶劣。因为是长期在露天操作，所以需频繁接触原油和污水。

（3）具有一定危险性。工人在送管过程中存在着砸伤、挤伤等安全问题。

1.3 开展工艺优化工作

（1）采用框架结构，将液压系统与电控系统融入到机体内部，成为一体化设计。

（2）将整体尺寸（长×宽×高）控制在 9 m×1.4 m×1.5 m 以内，方便运输与装卸。

（3）对主举升液压缸等主要部件进行重新选型，以满足实际需求。例如，主举升液压缸的选型，需满足以下要求：

依据所需的最大作用力Fmax以及最大工作行程来确定。根据油缸的工作特点，先计算出Fi，见式（1）。

式中：Fi—— —第 i级活塞缸压力

Pi——液压系统额定工作压力，MPa

η——系统效率，通常选0.8

G—— —设备重量（按5000 kg计算）

Di—— —液压缸内径，mm

按照液压设备常用的工作压力来选取Pi值。Pi值越高，对密封的要求也越高，成本亦随之上升。根据机构的类型及其工作特点，取 Pi＝10 MPa。

根据输送机整体结构设计，主举升液压缸工作角度α范围是14.15°～49.53°，在最小角度时，液压缸垂直方向分力最小，水平方向分力最大。计算Fmax，见式（2）。

计算液压缸内径D1，见式（3）。根据计算值可选取缸筒内径尺寸。

根据缸筒内径尺寸系列（GB/T 2348—1993），取液压缸内径 D1＝100 mm。

在单杆活塞中，活塞杆直径d值可由D1和λv求得，标准液压缸的 λv系列值为 1.06，1.12，1.25，1.4，1.6，2，2.5 和 5，为了减少活塞在运动过程中的冲击，取λv≤1.6。见式（4）。

根据液压缸活塞杆外径尺寸系列（GB/T 2348—1993），选取活塞杆直径为63 mm。选取的液压缸额定压力要>10 MPa，内径为100 mm。除了对管杆自动输送机的优化研究外，还在井口操作上应用了气动卡瓦、对开式吊卡等特殊辅助工具，并研制了环保井口操作平台，平台安装在防喷器上方，工作面采用格栅踏网设计，防滑且便于油管内的介质流入到工作面下方的集污盒。平台周围设计了可拆卸防护栏、上台梯子以及逃生通道。

由管杆自动输送机、环保井口操作平台、气动卡瓦和对开式吊卡等组成的高效作业装置，在现场成功应用后（图1），单根油管从输送到入井时间约为1 min，打破了传统的作业方式，实现了井口单人操作、管杆自动输送的新方式，大幅度降低了工作强度，提高了劳动效率。

1.4 作业机液路高效控制装置

图1 高效作业机械化装置应用现场

为及时回收作业时产生的污水，在现场配置了液动排污泵。由于作业机只有一支液压输出回路，如图2所示，在使用排污泵时，需先将液压钳动力管线从液压回路上拆下来，再将排污泵管线连接上去。待污水回收完毕，再将液压钳连接继续作业，如果出现了边作业边排污的情况，则液压钳与排污泵需要不停的进行切换。如此一来，不仅影响施工效率，还会因拆卸液压管路而产生液压油泄漏的风险。

图2 通井机液压系统只有一支输出回路

为此重新设计和安装一套液压控制回路，实现了高效控制作业机的液压系统，设计原理如图3所示。

图3 气动、液压工作原理

采用M型三位四通液路换向阀（阀芯中间位置时，2个输出口封闭，进、回油口畅通）达到换向、泄压的目的。阀芯处于中位时，液泵输出的液压油由换向阀的泄压通道直接流回油箱，而液压钳和排污泵的进油均被切断。这种状态下即使液泵不停的转动，液压钳与排污泵无油流入，也不会造成损害；而液泵输出油液由阀体通道直接流回油箱，液泵处于无压运转状态，对液泵也起到保护作用。

手动换向阀选用弹簧自动复位式，由双向气缸驱动。气缸的控制气阀安装在通井机驾驶室内，由司钻进行远程控制操作，避免井口工人跑到通井机尾部操作而造成的危险。主要元器件选型要求：

（1）三位四通液压换向阀选用。选用条件是满足各型液压钳最大流量需要；满足各类型作业机液压动力输出端口的需求；满足额定承压能力≥25 MPa的要求。根据以上3个条件，来选取承压能力、通径、公称流量、最大流量均满足上述要求的液压换向阀。

（2）驱动气缸选取。首先要确定气缸缸径，选取换向阀后，需测量阀芯操作压力、拉力和阀芯行程，由于标准换向阀的阀芯压力和拉力是相同的，所以可根据所测数据选择合适缸径和行程的驱动气缸。在进行驱动气缸缸径计算时，需注意带有推杆一侧的工作腔要比不带推杆的工作腔产生的作用力要小，所以要以带有推杆的工作腔产生的拉力为选取原则。其次是确定驱动气缸的行程，根据测量的液压换向阀阀芯拉出和推进的总长度，来选取气缸的推杆行程。最后，在作业机上选取合适的安装位置，原则是既不影响通井机的维护与检修，也不影响现场人员的施工作业，方便司钻操作。如图4、图5所示。

图4 液压换向分流器在通井机的安装位置

图5 手动气控阀安装在通井机驾驶室的情况

作业机液路高效控制装置的应用，解决了频繁倒换液压管线的繁琐操作问题，可在3 s内完成液路切换，操作效率比原来提高近40倍；可及时回收井口污水，避免了油液、污水漏失造成的环境污染。

2 结论

为了适应水乡油田特殊的环境特点，引进应用了无绷绳修井机，解决了旋地锚所带来的工作强度大、施工准备周期长等问题；高效作业机械化装置的应用，打破了传统的作业与操作模式，改善了操作环境，提高了人力资源利用效率；高效刺洗油管工具和作业机液路高效控制装置等辅助操作装置的研发和应用，有效保护了油井周围环境，提高了操作效率

［1］闻邦椿.机械设计手册第5版［M］.北京：机械工业出版社，2014.