独立式液压伸缩三节井架的研制

摘要：我公司研制的29m独立式全液压伸缩三节井架，为业内首套全液压伸缩的三节井架，其克服了现有技术中的缺陷，运输长度更小、起升过程安全便捷、作业配套成本大幅降低，为长庆油区存量很大的履带式通井机提供了配套井架设备支撑。后续可推广应用到车载钻修设备上。

关键词：独立式;液压伸缩;三节井架;长庆地区

1. 背景技术

目前，石油天然气行业修井设备主要采用自走式车装修井机。然而在我国四川油田、长庆油田等地的油气井多位于山区、丘陵地带，油区道路运输条件较差，常规的自走式车载修井机因为越野能力、转弯半径等原因，导致其通过性不佳、无法适应该类地区的作业环境。

根据市场调研分析，油区为解决这一问题，所采取的主流解决方案如下：使用一种通过性极好的履带式通井机替代常规修井机的绞车，配合一种独立式两节销接或栓接式井架，该井架运输时两节折叠用平板车拖运，作业时先使用吊车协助将上下两节连接在一起、然后整吊至一种专用井架立放车的托架上，借助井架立放车上的起升油缸推动托架起升井架到位，最后打好绷绳，井架立放车收回托架后自行驶离，履带式通井机到位进行修井作业。该解决方案存在的主要问题如下：

1.独立式两节销接或栓接的井架运输长度较大：净空高为29米的两节销接或栓接井架，运输状态两节折叠后的总长度约为15.8米，平板拖车运输时转弯半径较大;

2.将折叠在一起的上下两节井架进行连接的过程费时费力，将连接在一起的井架整吊至井架立放车托架的过程安全风险高;

3.配备的井架立放车成本高昂：常规的井架立放车主要由二类底盘、液压油箱、前支撐、后支撑、井架托架、起升油缸、锁紧油缸、调节油缸等组成，成本较为昂贵。

据实地了解，目前在长庆油区，这种处在服役期的履带式通井机存量很大，为充分且安全地利用该设备资源，亟需研发一种全新的独立式修井井架产品。

2. 井架技术参数及结构组成

为解决该问题，我公司设计了一种独立式全液压伸缩三节井架，井架主体结构由井架下体、中体、上体组成，均设计为前开口式桁架结构、互相套合，同时留出上体、中体的伸缩油缸及其扶正机构的安装空间。井架上体与中体、中体与下体采用两种不同类型的锁销，即井架下体与中体之间采用由外向内翻的液压动作锁销，井架上体与中体之间采用常规的由内向外翻的机械自动锁销[1]，整体结构合理、布局紧凑。

独立式液压伸缩三节井架及配套天车的主要技术参数如表1所示，其合套截面图如图1所示。

3. 井架的应力分析

JJ120/29-W独立式液压伸缩三节井架在结构设计、截面尺寸、型材规格等方面均进行了全新开发，井架作为API Spec 4F《钻井和修井井架、底座规范》会标产品，需遵照规范对其进行结构强度、刚度、稳定性等方面的分析。

三节井架的上体、中体、下体均由矩形管杆件焊接而成，上体工作时插入中体一段，由中体部分支持，相应的中体工作时插入下体一段，由下体部分支持，根据这一特征，我们把上、中、下体部分都简化成空间钢架模型[2]。载荷方面，根据API Spec 4F要求，将自重、钩载、抽油杆载荷、立根载荷、风载荷组合为5种工况;边界条件方面，井架下体铰接点销轴耳板连接处放开旋转自由度，各绷绳下部点给予固定约束、上部点放开旋转自由度，模拟为只受拉的构件单元。

通过仿真计算求解，过程中考虑P-Δ和P-δ效应、结构初始几何缺陷、刚度折减等因素，读取井架整体结构计算输出结果，各构件在上述组合载荷工况下单元综合强度及整体稳定性均可满足API Spec 4F规范要求;同时，对井架各关键节点、关键连接焊缝、关键销轴连接、管材连接等进行手工计算，均可满足AISC 360-16规范要求。

4. 井架的安装和起放

独立式全液压伸缩三节井架安装及起放步骤如下：通过吊车整体起吊并与预埋在井口附近锚坑中的井架基础销接，然后吊车继续起吊井架顶部至接近工作位置;其次将井架下体顶部的四根绷绳连接好，摘除井架下体与井架中体、井架中体与井架上体间的锁定销;开启液压站使其正常工作，操作下体的双伸缩油缸举升井架中体及上体，到位后操作下体的液缸锁销由外向内插至工作位置;然后操作中体的单伸缩油缸举升井架上体，到位后上体的机械式锁销由内向外插至工作位置;最后按照绷绳图挂好各绷绳并调整张力，至此井架安装及起升完成，履带式通井机到位穿好大绳即可开始修井作业。

5. 现场应用及结语

本井架的结构设计及其作业方法获得2项国家发明专利授权（公开号CN 109611031 A与CN 109577866 A）。作为业内首套全液压伸缩式三节井架，自2016年9月在川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司使用至今，用户反馈服役状况良好，尤其是对部分道路运输条件较差的井位具有很好的适应性，极大地克服了现有技术中的如下缺陷：

1.运输长度更小、道路运输性能更佳：运输状态总长度仅为12.8米，比同净空高度的两节销接或栓接式井架的运输长度短约3.0米;

2.安装过程更为便捷、安全：三节伸缩式井架只需吊车起吊合套在一起的井架并扶正即可，此过程比更为便捷、安全，更符合油田的安全要求;

3.经济性更佳：配备的液压站可以一对多地完成井架的起升、下放作业，但其综合成本比专用井架起放车更加便宜，能够显著提高经济性。

本井架的研制得到川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司的大力支持与协助，在此表示衷心地感谢！

参考文献：

[1]徐军 《车装钻修机三节井架的研制》 2003年 第31卷 特刊 《石油机械》

[2]常玉连，刘玉泉 《钻井井架、底座的设计计算》 北京：石油工业出版社，1992：163～164

作者简介：方刚，1987.7，男，汉，湖北孝感，本科，中级工程师，车装钻修设备配套及井架设计。