250T海洋液壓修井機的研制

張小丹，張豐功，李祎，宮慧，周忠祥，楊超，王琳

（1.中海油田服務股份有限公司，天津 300459；2.中國海洋石油集團有限公司，北京 100010；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；4.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000）

0 引言

相對于常規海洋修井機，液壓修井機具有油氣儲層保護和環境保護的優勢[1]。國內部分海洋油氣田正在逐步嘗試利用液壓修井機開展作業，取得良好的應用效果[2-3]。我國在用的海洋液壓修井設備主要依賴于進口[4]，國內部分企業也已著手開展海洋液壓修井機的研究工作[5]。

為突破液壓修井機核心部件及控制技術，保障中海油海洋油氣勘探開發，中海油田服務股份有限公司與寶石機械聯合研制開發了具有自主知識產權的250T海洋液壓修井機（如圖1），該修井機實現了核心裝備的國產化，實現無修井機平臺的快速作業，解決了導管架平臺承載與甲板面積制約難題，提高了海洋油氣田修井作業經濟性，提高油氣田采收率，實現邊際油田可持續發展。

圖1 250T海洋液壓修井機

1 技術方案及主要技術參數

1.1 總體技術方案

250T海洋液壓修井機采用模塊化設計，主要包括主機及輔助設備。主機具備導軌和套管安裝兩種作業模式，最大提升載荷達250 t，單個模塊質量不超過10 t，各模塊之間采用導向定位實現快速安裝連接，具有占地面積小、適應性強、移運拆裝快速等特點。配套發電機撬、配電撬、空壓機撬、高壓泥漿系統、低壓泥漿系統等多項輔助設備，所有輔助設備均采用單獨成撬、頂部吊裝的結構形式，單個輔助設備的吊裝質量均不超過10 t，各設備之間采用軟管連接，更好地滿足快速拆裝、移運和吊裝的要求。

1.2 總體布局

250T海洋液壓修井機無固定布局模式，適用不同平臺作業，可根據目標平臺的實際布局對修井機主機及各輔助配套設備的擺放進行合理規劃，使修井機的布置滿足設備的安裝、拆卸、維修及安全作業的要求。

圖2所示為針對某目標平臺的設備布局，該目標平臺面積較小，僅為19 m×15.6 m，且平臺的東南角有一生產設施占據較大的平臺空間。針對該目標平臺，首先在平臺上規劃足夠的管柱排放及作業區，再將平移裝置滑靴的間距調整成該平臺導軌的跨距，然后依次完成主機各模塊的安裝及各輔助設備的吊裝擺放。所有設備的安裝僅靠平臺吊機完成，考慮平臺吊機的吊裝能力，將較重的單元設備，例如動力撬、BOP控制撬、泵撬、主機動力撬等布置在距吊機較近的位置，將值班房、柴油撬等較輕設備布置在距吊機較遠的位置。經過合理布局，該布置方式完全能夠滿足該平臺修井作業的需求。

圖2 250T海洋液壓修井機平面布置圖

1.3 海洋液壓修井機主機

海洋液壓修井機主機（如圖2）主要包括下平臺、舉升裝置、上平臺、桅桿等單元模塊。為減輕吊裝質量，主機的液壓動力系統分為動力端和液力端兩個功能模塊，兩個模塊之間利用定位裝置快速定位，利用萬向軸快速連接。

液壓修井機主機配套固定卡瓦組、游動卡瓦組，可實現帶壓作業時提升和下壓管柱。同時液壓修井機配置液壓轉盤，可以在輕管柱或重管柱狀態下實現旋轉作業。根據平臺的承載和作業空間，修井機主機可選擇軌道安裝式（如圖3）和套管安裝式（如圖4）。

圖3 軌道安裝式

圖4 套管安裝式

圖5 主體裝置與下平臺快速連接

圖6 下平臺與平移裝置快速連接

圖7 主體裝置

圖8 全行程反轉矩裝置

圖9 帶旋轉密封筒的全液壓轉盤

1）軌道安裝式。軌道安裝式為將平移裝置座放到平臺的滑移導軌上，再將修井機主機安裝到平移裝置上，其特點是修井機主機在平臺各井口之間移動時無需拆裝主機，通過平臺上的滑移導軌及平移裝置，可實現主機在橫向及縱向上各個井口間的快速移動，尤其適用于叢式井的作業。采用軌道安裝式，主機不需設置繃繩；同時，主機在平移裝置上可實現水平方向上4個方向的安裝，可靈活布置管子堆場在平臺上的位置，適應海洋平臺作業多種布置要求。

平移裝置的底座采用分段設計，分為不同長度的3段，在減小吊裝單元質量的同時，通過不同長度的分段組合，可實現3～21 m多種導軌跨度組合，滿足不同平臺上縱向滑移軌道的跨距需求。

2）套管安裝式。套管安裝式為將主機直接安裝到井口套管頭上，在套管頭從下往上依次安裝防噴器組、輔助支撐、導流管和主機。輔助支撐用于輔助承載井內管柱載荷，減少套管承載，保證作業安全。

套管安裝式主機占地面積小，尤其適用于空間較小的平臺作業。采用套管安裝式，僅需在主機上設置6根繃繩。

1.4 海洋液壓修井機主要技術參數

最大提升載荷為2500 kN；最大下壓載荷為1100 kN；主體通徑為368 mm；適應管柱直徑38～245 mm；旋轉轉矩為35 kN·m；最大起升速度為0.7 m/s；最大下放速度為0.8 m/s；舉升行程為3.3 m；桅桿凈空高26 m；桅桿起吊質量為10 t；主機液壓壓力為21 MPa；立管壓力為35 MPa；氣源壓力為1 MPa。

2 關鍵技術

2.1 全模塊化及快速連接設計

250T海洋液壓修井機的主機及輔助設備均采用模塊化設計。

主機的下平臺、舉升裝置、上平臺等單元模塊之間均設有導向定位裝置，利用銷軸耳板等連接方式實現主機的快速拆裝，減輕現場工作強度，滿足海洋平臺吊裝及快速移運安裝的作業要求。

輔助設備按其功能單獨成撬，可根據平臺布局靈活布置。采用頂部吊裝型式，實現輔助設備的快速吊裝移運。

2.2 工作窗與主體裝置集成設計

在起下電纜作業時，由于電纜不能通過卡瓦，因此通常需在固定卡瓦下設置工作窗來進行電纜解卡作業，從而造成整機高度較高。為降低整機的高度，將工作窗集成于主體裝置上，省去專用工作窗，從而有效降低整機高度。

為適應不同工況作業，固定卡瓦安裝座在主體裝置上的安裝高度可調，從而使作業更加靈活。

2.3 全行程反轉矩裝置

旋轉作業時，為避免管柱對轉盤的反轉矩直接施加到舉升油缸上而造成對油缸的損傷，專門設置了全行程反轉矩裝置傳遞井內管柱的轉矩，該反轉矩裝置設置隨動反轉矩滑軌，可在旋轉作業時將井內管柱的反轉矩實時傳遞到作業機主機的主體裝置上，在舉升油缸運行時全行程傳遞轉矩，實現高效安全作業。

2.4 帶旋轉密封筒的全液壓轉盤

250T海洋液壓修井機配套全液壓轉盤，其368 mm的通徑為同類型最大通徑，采用4個液壓馬達驅動，最大轉矩可達35 kN·m，其特點是對卡瓦的控制油路通過液壓轉盤的旋轉密封筒裝置后接到卡瓦上。旋轉作業時，液壓系統通過液壓轉盤的旋轉密封筒裝置向卡瓦持續供油，無需拆卸移動卡瓦管線，確保旋轉作業時卡瓦一直處于鎖緊狀態，作業更加安全可靠。

3 海洋液壓修井機技術特點

250T海洋液壓修井機包括修井機主機及輔助設備，配套齊全、功能完善、作業能力強，可實現最大上提載荷2500 kN，同時配套液壓轉盤，最大旋轉轉矩可達35 kN·m。與常規修井機相比，海洋液壓修井機具有以下技術特點：

1）配置相對簡單。常規修井機通常配置絞車、轉盤、井架、底座及整套提升系統，組成較為復雜，而海洋液壓修井機的主機一般僅包括舉升油缸、卡瓦、轉盤、工作平臺及桅桿等設備，配置相對簡單。

2）操作維護簡便。常規修井機的控制對象較多，尤其是對于交流變頻控制系統，對操作人員的要求較高。海洋液壓修井機采用全液壓控制，對修井機的所有操作集成在上工作平臺，控制對象少，對操作人員的要求較低，操作維護簡便。

3）適應性強。常規修井機一般針對具體目標平臺進行設計，導軌間距固定，輔助配套設備與主機相對位置固定。海洋液壓修井機可根據不同平臺導軌間距進行調整，輔助配套設備也可根據平臺實際布局擺放，適用于不同平臺。

4）產品質量輕，占地面積小。常規修井機的井架和底座等吊裝模塊通常質量較大，設備安裝時，通常需要大型吊裝設備輔助，且主體部分的占地面積較大。海洋液壓修井機的單元吊裝質量不超過10 t，一般僅利用平臺自身的吊機即可完成設備的安裝，適應性更強。

4 出廠試驗

根據海洋液壓修井機的實際工況及載荷能力，對主機及配套設備進行多項試驗，關鍵試驗全部通過船級社現場見證。

4.1 修井機主機空載試驗

該項試驗主要是為了檢驗空載情況下修井機主機各部分的運行情況，主要進行了舉升油缸動作試驗、卡瓦開關試驗、轉盤空轉試驗、桅桿起升試驗，試驗結果表明：

1）舉升系統的四油缸和雙油缸兩種工作模式切換靈活，在兩種工作模式下，舉升油缸的同步性良好，無不同步及爬行現象；由于油缸兩端設有緩沖裝置，在油缸行程的終止階段無液壓沖擊現象。上工作平臺操作臺上設置的舉升油缸控制手柄，可對油缸的運行實現無級調速，運行過程中可對油缸在任意位置制動并鎖緊。正常運行時，油缸的上行速度和下行速度均符合設計的要求。

2）卡瓦動作反應靈敏，開關快速平穩，能夠有效避免卡瓦關閉時等待時間過長而造成的油管相對卡瓦滑脫現象。

3）轉盤轉動平穩，反應迅速，運行時轉速連續可調。

4）桅桿起升平穩，無頓挫現象，到位后能夠自動鎖緊。

4.2 主機載荷試驗

為驗證250T海洋液壓修井機作業能力及承載能力，對主機進行了全負載上提、下壓試驗及最大轉矩載荷試驗。

全負載上提和下壓試驗過程中，舉升油缸伸縮靈活，各設備運行平穩，無劇烈振動現象；卡瓦對管柱的夾持可靠，無相對打滑現象。最大轉矩載荷試驗過程中，各設備運轉正常，主機無扭轉及晃動現象。

同時對主機進行了整體平移試驗，試驗過程中，主機整體移運平穩，各平移油缸無卡阻及不同步的現象。

此外，還針對平移裝置、輔助支撐、桅桿等設備分別進行了最大負荷試驗，試驗中測得的應力值均在設計允許的范圍內，試驗后各設備均無變形等現象，符合設計的要求。

4.3 聯調試驗

在完成主機及各輔助設備單項試驗的基礎上，模擬海洋修井作業工況，對整套海洋液壓修井機及輔助設備進行了聯調測試。從配套設備的啟動到主機上管柱、甩管柱、管柱上卸扣、主機起下管柱、旋轉起下管柱等全過程進行了試驗。

聯調試驗過程中，主機運行平穩，各單元部件反應靈敏，無卡阻等異常現象。各輔助設備運轉正常，均無異常報警現象。

試驗結果表明，主機各功能模塊功能完善，配合度高，各輔助設備運行正常，配置合理，完全能夠滿足海洋修井作業的需求。

5 結論

1）250T海洋液壓修井機采用模塊化設計，各單元部件之間快速連接，具有占地面積小、安裝移運快速等特點；

2）通過各項試驗表明，250T海洋液壓修井機結構設計合理，整體強度足夠，操作靈活、可靠，反應靈敏，系統運行平穩，各項功能性試驗均符合設計要求；

3）250T海洋液壓修井機功能齊全，輔助設備配置合理，功能完善，能夠實施起下管柱、井筒修理及增產措施等井下作業，很好地滿足目前海洋平臺的實際作業需求；

4）該修井機需經海洋平臺工業性試驗后再進行必要的完善。