LG90/50Q型軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)研制

殷卓成，馬 青，柳慶仁，劉平國(guó)，袁文才，劉 菲，顏家福，周忠城

(中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，武漢 430000)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外大平臺(tái)叢式井、大斜度長(zhǎng)水平井開(kāi)發(fā)需求逐步攀升，以及大量油氣田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)已步入中后期階段，致使油氣田開(kāi)發(fā)工藝中采油、修井作業(yè)任務(wù)占比大，通常需要快速完成作業(yè)工藝轉(zhuǎn)換[1-4]。常規(guī)有桿采油作業(yè)工藝需要頻繁接單根后起下管柱，并且存在桿管偏磨作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；常規(guī)修井機(jī)作業(yè)需頻繁拆裝作業(yè)設(shè)備，并且需要配合油管桿頻繁上卸扣和起升及下放，勞動(dòng)強(qiáng)度繁重、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。因此，對(duì)于自動(dòng)化、智能化程度高并且可完全滿足采油、修井工藝作業(yè)要求的新型作業(yè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)利用迫在眉睫。其中，連續(xù)管憑借無(wú)需接單根、起下管作業(yè)速度快、可帶壓作業(yè)、配套工具齊全等優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于油氣田勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，特別是在長(zhǎng)水平井無(wú)桿泵采油、大/小修井作業(yè)工藝中應(yīng)用效果明顯[5-10]。

但是，常規(guī)連續(xù)管作業(yè)機(jī)在大平臺(tái)叢式井作業(yè)中需頻繁拆裝運(yùn)移井口裝置以及配套連續(xù)管裝備，并且由于平臺(tái)叢式井井間距通常較小，導(dǎo)致連續(xù)管設(shè)備可調(diào)整空間受限、配套設(shè)備井口對(duì)中操作時(shí)間較長(zhǎng)。為進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率、減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)有連續(xù)管作業(yè)機(jī)自動(dòng)化程度，開(kāi)發(fā)了一種軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)。該軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)采用雙軌道撬裝形式，可快速拆裝運(yùn)移及調(diào)整井口裝置，連續(xù)管裝備與井口支架可實(shí)現(xiàn)修井與采油作業(yè)配套設(shè)備快速轉(zhuǎn)換等，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求、減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，為推動(dòng)油氣田裝備自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供了研發(fā)思路。

1 總體結(jié)構(gòu)方案及性能特點(diǎn)

軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)主要由敷纜管滾筒、修井滾筒、動(dòng)力控制撬、導(dǎo)向器、注入頭、井口支撐架、防噴盒、防噴器、可伸縮式防噴管、軌道、電機(jī)等組成，總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。其中，快換式敷纜管滾筒可兼容目前國(guó)內(nèi)常規(guī)敷纜管運(yùn)輸卷盤尺寸，可直接實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸卷盤在滾筒上的快速安裝、起下管采油作業(yè)，無(wú)需進(jìn)行倒管；修井作業(yè)滾筒采用下沉式撬裝結(jié)構(gòu)，以增大滾筒的纏管容量，在適應(yīng)道路運(yùn)輸條件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)管容量最大化。

1-修井滾筒；2-動(dòng)力控制撬；3-敷纜管滾筒；4-連續(xù)管(或敷纜管)；5-導(dǎo)向器；6-注入頭；7-軌道；8-井口；9-防噴盒；10-防噴管；11-井口支撐架；12-電機(jī)；13-防噴器。圖1 LG90/50Q型連續(xù)管作業(yè)機(jī)總體布置

目前，常規(guī)連續(xù)管作業(yè)機(jī)以車裝式為主。為適應(yīng)我國(guó)山區(qū)等復(fù)雜道路運(yùn)輸條件及現(xiàn)場(chǎng)工況，將該軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)整體設(shè)計(jì)為撬裝結(jié)構(gòu)[11-13]。其中，動(dòng)力與控制系統(tǒng)集成于動(dòng)力控制撬，敷纜管采油滾筒與修井作業(yè)滾筒分別成撬并且可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，井口支撐架可用于快速運(yùn)移并連接井口防噴器、支撐并局部調(diào)整注入頭與防噴盒位置。配置有可伸縮式防噴管，可快速調(diào)整以適應(yīng)不同井口高度與方位。根據(jù)平臺(tái)井場(chǎng)的實(shí)際井位分布采用鋪設(shè)2條軌道形式，將滾筒撬、動(dòng)力控制撬以及井口支撐架置于軌道上。電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各撬體在軌道上的快速運(yùn)移與精確操控，可大量減輕平臺(tái)井的配套作業(yè)設(shè)備井間運(yùn)移、井口對(duì)中調(diào)試以及采油修井工藝流程轉(zhuǎn)換等方面的操作勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 主要技術(shù)參數(shù)

注入頭最大持續(xù)提升力 90 kN

注入頭最大持續(xù)注入力 45 kN

注入頭最大起下速度 45 m/min

注入頭最小穩(wěn)定速度 0.1 m/min

25.4～50.8 mm

修井滾筒連續(xù)管容量 連續(xù)管)；1 500 m(2 英寸連續(xù)管)

防噴器 英寸)；工作壓力13.79 MPa(2 000 psi)

防噴盒(側(cè)開(kāi)門式) 英寸)；工作壓力13.79 MPa(2 000 psi)

3 主要部件及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 注入頭

注入頭是通過(guò)直接夾持鋼制連續(xù)管或非金屬采油敷纜管實(shí)現(xiàn)下入和起出井筒的關(guān)鍵部件，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、鏈條總成、箱體、底座、框架、潤(rùn)滑系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和導(dǎo)向器等組成，總體部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。注入頭的起/下管作業(yè)功能通過(guò)兩大模塊實(shí)現(xiàn)：一是在夾緊液缸的驅(qū)動(dòng)下，夾緊梁、推板以及與推板接觸的鏈條軸承、托架和夾持塊向靠近連續(xù)管的方向運(yùn)動(dòng)，并最終使夾持塊夾緊連續(xù)管；二是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)鏈條以及鏈條上的夾持塊上/下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)注入頭起/下連續(xù)管的功能。注入頭下部有2組張緊液缸推動(dòng)被動(dòng)鏈輪使鏈條張緊，以保證鏈條處于合適狀態(tài)進(jìn)行工作，并且安裝有雙向載荷傳感器用于顯示注入頭所受連續(xù)管重力、遇阻載荷，同時(shí)還配備有里程計(jì)與旋轉(zhuǎn)編碼器，分別用于顯示連續(xù)管起下管里程及實(shí)時(shí)速度。此外，連續(xù)管在進(jìn)入注入頭前將先通過(guò)上部弧狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向器完成預(yù)彎，避免連續(xù)管直接進(jìn)入注入頭，使彎曲曲率過(guò)大而損傷連續(xù)管；連續(xù)管從注入頭下部穿出后將直接進(jìn)入側(cè)開(kāi)門式防噴盒，用于井筒與連續(xù)管環(huán)空區(qū)間防噴以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)管帶壓作業(yè)。

1-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；2-框架；3-鏈條系統(tǒng)；4-夾緊系統(tǒng)；5-箱體；6-底座；7-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；8-導(dǎo)向器；9-張緊系統(tǒng)。圖2 連續(xù)管注入頭結(jié)構(gòu)

3.2 滾筒

滾筒既是用于纏繞存儲(chǔ)、運(yùn)輸連續(xù)管(或敷纜管)的載體，也是通過(guò)配合注入頭實(shí)現(xiàn)連續(xù)管有序起下作業(yè)、整齊緊密纏繞的關(guān)鍵部件[14-16]。由于本軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)致力于同時(shí)滿足采油、修井作業(yè)要求，并且可實(shí)現(xiàn)2種工藝的快速轉(zhuǎn)換，因此基于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，研制了修井滾筒和敷纜管滾筒。其中，修井滾筒用于纏繞鋼制連續(xù)管，配備下沉式獨(dú)立運(yùn)輸?shù)鬃糜谲壍郎希秒娍叵到y(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)運(yùn)移控制。作業(yè)時(shí)配合注入頭、井下作業(yè)工具等實(shí)現(xiàn)連續(xù)管的有序起下修井作業(yè)。配備有自動(dòng)/強(qiáng)制排管裝置、內(nèi)/外部管匯通道、機(jī)械計(jì)數(shù)器、旋轉(zhuǎn)編碼器等。結(jié)構(gòu)如圖3所示。快換式敷纜管滾筒則設(shè)計(jì)為可兼容目前國(guó)內(nèi)常規(guī)敷纜管運(yùn)輸卷盤尺寸，實(shí)現(xiàn)敷纜管運(yùn)輸卷盤在滾筒上的快速安裝、分離，并進(jìn)行無(wú)桿采油作業(yè)，有效避免了常見(jiàn)的采油管柱桿管偏磨問(wèn)題。無(wú)需提前進(jìn)行敷纜管倒管操作，提高了作業(yè)效率。

1-底座； 2-排管器； 3-支臂液缸； 4-內(nèi)部管匯； 5-滾筒體；6-外部管匯； 7-起吊裝置；8-梯子； 9-液壓馬達(dá)+減速器 ；10-旋轉(zhuǎn)接頭。圖3 連續(xù)管修井滾筒結(jié)構(gòu)

3.3 軌道式井口支撐架

軌道式井口支撐架既是用于支撐并帶動(dòng)注入頭、導(dǎo)向器在軌道上精準(zhǔn)運(yùn)移的載體，也是可通過(guò)支架上調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)注入頭、防噴盒井口對(duì)中的關(guān)鍵部件。軌道式井口支撐架是一套由行走輪及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、可升降支架主體、滑軌移動(dòng)式防噴盒固定座、注入頭安裝平臺(tái)、液缸等部件組成的可在鋪設(shè)軌道上運(yùn)行的注入頭井口支撐裝置，可實(shí)現(xiàn)注入頭在鋪設(shè)軌道上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行軌道內(nèi)叢式井之間采油和修井一體化作業(yè)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該軌道式井口支撐架可在無(wú)需配備吊車的情況下，完成軌道間全部叢式井的采油、修井一體化作業(yè)，主要功能體現(xiàn)在：

圖4 軌道式井口支撐架結(jié)構(gòu)示意

1) 進(jìn)行防噴管、防噴器等井控設(shè)備切換時(shí)，可將防噴盒固定座平移對(duì)中固定或抽開(kāi)避讓，快速實(shí)現(xiàn)敷纜管和連續(xù)管不同井控設(shè)備的快速切換。

2) 進(jìn)行轉(zhuǎn)移切換作業(yè)井時(shí)，通過(guò)電機(jī)控制系統(tǒng)和液缸平移機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)井口的快速切換及對(duì)中操作，極大減輕了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

研制的LG90/50Q型軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)已在江漢油田井場(chǎng)完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及作業(yè)試驗(yàn)，成功完成采油、修井作業(yè)工藝以及快速實(shí)現(xiàn)叢式井的井口切換連接與作業(yè)工藝轉(zhuǎn)換，作業(yè)過(guò)程中各配套部件運(yùn)行狀態(tài)正常、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性良好。該軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)整機(jī)及軌道動(dòng)力控制撬、滾筒、注入頭、井口支撐架等部件操控運(yùn)行靈敏且滿足作業(yè)要求。注入頭通過(guò)井口支撐架升降、滑動(dòng)液缸水平滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速井口對(duì)接與拆裝。防噴盒可根據(jù)采油、修井作業(yè)工藝轉(zhuǎn)換，進(jìn)行便捷式滑移對(duì)中。可伸縮式防噴管可配合防噴盒、防噴器及井口狀況進(jìn)行高度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)。該作業(yè)機(jī)整體配套設(shè)備拆裝自動(dòng)化程度高、實(shí)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)換、較大程度減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

1) 研制了LG90/50Q型軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)。軌道化動(dòng)力控制撬、滾筒、注入頭、井口支撐架等采用電控系統(tǒng)，整機(jī)模塊化程度高、響應(yīng)速度快、操控靈敏、運(yùn)移順暢，非常適合平臺(tái)叢式井、大斜度長(zhǎng)水平井的復(fù)雜采油修井一體化作業(yè)。

2) 軌道化井口支撐架可同時(shí)實(shí)現(xiàn)注入頭、導(dǎo)向器在軌道上精準(zhǔn)運(yùn)移，并且可垂直/水平方向全方位調(diào)節(jié)注入頭以適應(yīng)不同井口狀態(tài)；可滑移式防噴盒、可伸縮式防噴管配合軌道化井口支撐架，實(shí)現(xiàn)采油與修井作業(yè)工藝的快速轉(zhuǎn)換及拆裝。

3) LG90/50Q型軌道式一體化連續(xù)管作業(yè)機(jī)可滿足常規(guī)作業(yè)工藝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了采油、修井作業(yè)配套設(shè)備快速轉(zhuǎn)換，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求、減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，為推動(dòng)油氣田裝備自動(dòng)化、智能化發(fā)展提供了研發(fā)思路。