液压修井机行程参数优化设计

周超++杨向前++郑清华++郭华

摘 要：该文通过对液压修井机的工作特点分析和对其在国外应用现状的调研，对其在国内海洋平台上应用的前景进行了分析。认为液压修井机应用于海洋平台上有许多得天独厚的优点，适合海洋平台的工作特点。对液压修井机的行程、油缸尺寸、油泵排量等参数进行了优化设计，在满足载荷要求和安全性的前提下，提高了其行程以满足生产需要，调整后的设计能满足更高的作业要求，可提高现场作业效率。

关键词：液压修井机 油缸 游动行程

中图分类号：TE93 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0084-03

目前海洋平台上应用最广泛的修井机是常规海洋修井机，基本都是把在陆地上使用比较成熟的修井装置，通过适当改造以适应海上修井特点，然后整体搬迁到海洋平台上、辅助船上或者固定平台上使用。陆上修井装置一般要经过撬装化、模块化、加装导轨等改造才能用于海洋平台。

液压修井机的结构及工作方式与常规修井机有较大区别。与常规修井机相比，液压修井机的提升系统和传动系统更加简单，液压修井机取消了常规修井机的井架、游车、天车、绞车、变速传动箱等装置，全部采用液压控制，通过液压系统完成大钩的起下[1]。此外，液压修井机还具有重量轻、体积小、结构紧凑、给进力大、传动平稳、操纵简便以及易实现无级变速和自动控制等工作特点，实现了生产高效、节能、安全、环保的目的[2]。

1 海上应用分析

从国外的情况来看，液压修井机的前身不压井修井机，早在20世纪60年代就开始在北海油田应用，现在意义的液压修井机的应用是从20世纪90年代开始的。比如，尼日利亚的海上石油开发中使用液压修井机进行作业已经有近10年的历史，在国外石油公司提供技术帮助和人员培训的前提下，其本土的Tecon Oil Service公司生产提供的液压修井机在实践中经过不断完善，被证明可以高效完成作业，达到了安全环保标准，完全满足使用要求。与常规修井机相比，可以节省20%～50%的费用[3]。分析认为，主要是由于以下几方面费用的降低。

（1）动复员费用。

（2）人员，后勤保障费用。

（3）减少井架起降时间所节约的费用。

（4）与常规修井机比较，减少了搬迁时间，降低了产量损失。

目前国内还没有在海洋平台上使用液压修井机的先例。该文对其在国内海洋平台上的应用前景进行了分析。

液压修井机重量轻，占地面积小的工作特点，可放置在中小型井口平台（简易平台）上，进行边际油田、小油气构造的开发，能够有效降低开发成本。目前海上已发现多个待开发的边际小油田，边际油田将主要采用无人平台的方式进行开发。各个海域目前也建有一些无修井机平台，且数量还会继续增加。适合用液压修井机进行作业的平台较多。针对液压修井机的海上应用进行的分析如下。

（1）液压修井机单模块的最大重量不超过10 t，二层台容量2 660 m，可容纳3-1/2”油管280根，完全可以满足平台的常规修井作业。

（2）因为平台一般都设有一套液压系统，液压修井机可以与之共用一套液压源，降低了平台的一次性投资。

（3）与同规格的常规修井机相比，液压修井机的整机干重可以降低28%左右。同时由于液压修井机布置灵活，没有井架，提升油缸的占地面积很小，所以使作业甲板的结构尺寸减少，结构重量大大降低，可降低平台一次性投资。

（4）液压修井机液压系统易损件少，可以降低维护、保养费用。

可见，液压修井机用于海洋平台有许多得天独厚的优点，它具有结构简单、工作安全可靠、节能环保、零部件使用壽命长、可降低一次性投资等优点，适合海洋平台的工作特点。

2 液压修井机设计优化

国内某厂家初始设计的液压模块修井机最大行程为12 m，作业只能起下单根油管，工作效率较低。该文在原有设计基础上进行了调整，在满足载荷和安全性要求的前提下，将其最大行程提高到24 m，以满足现场生产需要。具体计算过程如下。

给定液压模块修井机设计最大提升载荷F=90T，液压系统最高压力p=15 MPa，发动机转速=1 900 RPM，油缸活塞杆直径d=260 mm。

液压模块修井机采用差动连接的方式进行提升作业，给定其最大提升速度（差动）为V=0.34 m/s。

液压缸的理论作用力以及供油压力已知，则无活塞杆侧的缸筒内径D的计算公式为[4]：

代入数据计算得：油缸内径D=283.579 796 3 mm，圆整后取。

油缸无杆腔面积为：

油缸有杆腔面积为：

提升速度为：

下放速度为：

差动增速速比为：

下放速度与提升速度速比为：

差动工况下系统的最大提升载荷为：

式中：为重力加速度，N/kg；为液压缸效率，取=0.93。

差动工况下所需功率为：

最大速度工况下所需供油量L为：

=1 083.063 54 L/min

最大速度工况下所需油泵最小排量Q为：

Q圆整为430 mL/r。

2.1 油缸设计计算

举升油缸是液压修井机的关键部件，因此液压修井机设计计算过程中，油缸的设计计算是非常重要的一个方面。

给定空心活塞杆的内径 m，缸筒材料选用35#钢，屈服强度340 MPa，抗拉强度610 MPa。

活塞杆横截面惯性矩I为：

活塞杆弯曲失稳临界压缩力为：

式中：为安全系数，通常取3.5～6，此处取。

根据欧拉公式得出活塞杆的最大允许计算长度为：

活塞的最大允许行程S为：

式中：为液压缸安装及导向系数，液压模块修井机液压缸采用一端铰接，刚性导向，一端刚性固定，因此=2。

2.2 调整设计参数前后液压修井机特点对比

调整前后液压模块修井机对比如表1所示。

调整前后对比液压模块修井机特点对比如表2所示。

可见，对液压模块修井机参数进行调整后，虽然能满足更高的要求，提高现场作业效率，但是相应的整机重量和能耗等都有所增加。在具体使用中，应根据实际需要确定修井机的参数。

3 结语

通过对液压修井机的国外应用现状的调研，对其在国内海洋平台上应用的前景进行分析，认为液压修井机应用于海洋平台上有许多得天独厚的优点，适合海洋平台的工作特点。对液压修井机的行程、油缸尺寸、油泵排量等参数进行了优化设计，在满足载荷要求和安全性的前提下，提高了其行程以满足生产需要。优化调整后的设计能满足更高的作业要求，可提高现场作业效率，但是相应的整机重量和能耗等都有所增加，在具体使用中，应根据实际需要确定修井机的参数。

参考文献

[1] 顾心怿，潘伟，张爱恩，等.具有节能和环保优势的液压蓄能修井机[J].石油机械，2003，31（增刊）：42-44.

[2] 王运安，牛文杰，李宝蕴.全自动智能液压修井机研制[J].石油矿场机械，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，黄谊.液压传动[M].机械工业出版社，2003：66-69.