獨立式液壓伸縮三節井架的研制

摘要：我公司研制的29m獨立式全液壓伸縮三節井架，為業內首套全液壓伸縮的三節井架，其克服了現有技術中的缺陷，運輸長度更小、起升過程安全便捷、作業配套成本大幅降低，為長慶油區存量很大的履帶式通井機提供了配套井架設備支撐。后續可推廣應用到車載鉆修設備上。

關鍵詞：獨立式;液壓伸縮;三節井架;長慶地區

1. 背景技術

目前，石油天然氣行業修井設備主要采用自走式車裝修井機。然而在我國四川油田、長慶油田等地的油氣井多位于山區、丘陵地帶，油區道路運輸條件較差，常規的自走式車載修井機因為越野能力、轉彎半徑等原因，導致其通過性不佳、無法適應該類地區的作業環境。

根據市場調研分析，油區為解決這一問題，所采取的主流解決方案如下：使用一種通過性極好的履帶式通井機替代常規修井機的絞車，配合一種獨立式兩節銷接或栓接式井架，該井架運輸時兩節折疊用平板車拖運，作業時先使用吊車協助將上下兩節連接在一起、然后整吊至一種專用井架立放車的托架上，借助井架立放車上的起升油缸推動托架起升井架到位，最后打好繃繩，井架立放車收回托架后自行駛離，履帶式通井機到位進行修井作業。該解決方案存在的主要問題如下：

1.獨立式兩節銷接或栓接的井架運輸長度較大：凈空高為29米的兩節銷接或栓接井架，運輸狀態兩節折疊后的總長度約為15.8米，平板拖車運輸時轉彎半徑較大;

2.將折疊在一起的上下兩節井架進行連接的過程費時費力，將連接在一起的井架整吊至井架立放車托架的過程安全風險高;

3.配備的井架立放車成本高昂：常規的井架立放車主要由二類底盤、液壓油箱、前支撐、后支撐、井架托架、起升油缸、鎖緊油缸、調節油缸等組成，成本較為昂貴。

據實地了解，目前在長慶油區，這種處在服役期的履帶式通井機存量很大，為充分且安全地利用該設備資源，亟需研發一種全新的獨立式修井井架產品。

2. 井架技術參數及結構組成

為解決該問題，我公司設計了一種獨立式全液壓伸縮三節井架，井架主體結構由井架下體、中體、上體組成，均設計為前開口式桁架結構、互相套合，同時留出上體、中體的伸縮油缸及其扶正機構的安裝空間。井架上體與中體、中體與下體采用兩種不同類型的鎖銷，即井架下體與中體之間采用由外向內翻的液壓動作鎖銷，井架上體與中體之間采用常規的由內向外翻的機械自動鎖銷[1]，整體結構合理、布局緊湊。

獨立式液壓伸縮三節井架及配套天車的主要技術參數如表1所示，其合套截面圖如圖1所示。

3. 井架的應力分析

JJ120/29-W獨立式液壓伸縮三節井架在結構設計、截面尺寸、型材規格等方面均進行了全新開發，井架作為API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規范》會標產品，需遵照規范對其進行結構強度、剛度、穩定性等方面的分析。

三節井架的上體、中體、下體均由矩形管桿件焊接而成，上體工作時插入中體一段，由中體部分支持，相應的中體工作時插入下體一段，由下體部分支持，根據這一特征，我們把上、中、下體部分都簡化成空間鋼架模型[2]。載荷方面，根據API Spec 4F要求，將自重、鉤載、抽油桿載荷、立根載荷、風載荷組合為5種工況;邊界條件方面，井架下體鉸接點銷軸耳板連接處放開旋轉自由度，各繃繩下部點給予固定約束、上部點放開旋轉自由度，模擬為只受拉的構件單元。

通過仿真計算求解，過程中考慮P-Δ和P-δ效應、結構初始幾何缺陷、剛度折減等因素，讀取井架整體結構計算輸出結果，各構件在上述組合載荷工況下單元綜合強度及整體穩定性均可滿足API Spec 4F規范要求;同時，對井架各關鍵節點、關鍵連接焊縫、關鍵銷軸連接、管材連接等進行手工計算，均可滿足AISC 360-16規范要求。

4. 井架的安裝和起放

獨立式全液壓伸縮三節井架安裝及起放步驟如下：通過吊車整體起吊并與預埋在井口附近錨坑中的井架基礎銷接，然后吊車繼續起吊井架頂部至接近工作位置;其次將井架下體頂部的四根繃繩連接好，摘除井架下體與井架中體、井架中體與井架上體間的鎖定銷;開啟液壓站使其正常工作，操作下體的雙伸縮油缸舉升井架中體及上體，到位后操作下體的液缸鎖銷由外向內插至工作位置;然后操作中體的單伸縮油缸舉升井架上體，到位后上體的機械式鎖銷由內向外插至工作位置;最后按照繃繩圖掛好各繃繩并調整張力，至此井架安裝及起升完成，履帶式通井機到位穿好大繩即可開始修井作業。

5. 現場應用及結語

本井架的結構設計及其作業方法獲得2項國家發明專利授權（公開號CN 109611031 A與CN 109577866 A）。作為業內首套全液壓伸縮式三節井架，自2016年9月在川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司使用至今，用戶反饋服役狀況良好，尤其是對部分道路運輸條件較差的井位具有很好的適應性，極大地克服了現有技術中的如下缺陷：

1.運輸長度更小、道路運輸性能更佳：運輸狀態總長度僅為12.8米，比同凈空高度的兩節銷接或栓接式井架的運輸長度短約3.0米;

2.安裝過程更為便捷、安全：三節伸縮式井架只需吊車起吊合套在一起的井架并扶正即可，此過程比更為便捷、安全，更符合油田的安全要求;

3.經濟性更佳：配備的液壓站可以一對多地完成井架的起升、下放作業，但其綜合成本比專用井架起放車更加便宜，能夠顯著提高經濟性。

本井架的研制得到川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司的大力支持與協助，在此表示衷心地感謝！

參考文獻：

[1]徐軍 《車裝鉆修機三節井架的研制》 2003年 第31卷 特刊 《石油機械》

[2]常玉連，劉玉泉 《鉆井井架、底座的設計計算》 北京：石油工業出版社，1992：163～164

作者簡介：方剛，1987.7，男，漢，湖北孝感，本科，中級工程師，車裝鉆修設備配套及井架設計。