XXJ20Y電動斜直井修井機的研制與應用

周華 劉牧洲 陳波 郭新維 艾白布·阿不力米提

為滿足斜直水平井修井作業(yè)需求和驗證斜直井作業(yè)工藝參數(shù)，研制了XXJ20Y電動斜直井修井機。介紹了修井機的主要結構和原理，提出將油管作業(yè)空間由后端移至機身內(nèi)的思路。創(chuàng)新對中方法和油管運移及擺放路線，設計相應的整機對中結構、井架結構和抓管、移管、排管結構。應用Pro/E和ANSYS Workbench 15.0等主流分析軟件對井架和底座等關鍵零部件進行了三維建模和強度校核。該修井機進行了小規(guī)模的試驗應用，達到了較高的自動化水平，操作手1人就可完成管柱起下作業(yè)，配合人員大幅減少，安全性提高；利用井場電源驅(qū)動，尾氣零排放、噪聲低，綠色環(huán)保；優(yōu)化了油管運移結構及流程。該修井機的研制可為斜井修井機、電動修井機的研制和常規(guī)修井機的自動化改造提供借鑒。

電動；斜直井修井機；對中結構；多向移動；自動排放

Development and Application of XXJ20Y Electric

Workover Rig for Slant Well

In order to meet the requirements of workover operation of slant horizontal wells and verify the technological parameters of slant well operation，a XXJ20Y electric workover rig for slant well was developed.The main structure and principle of the workover rig were introduced，and the idea of moving the tubing operation space from the back end to the body was proposed.The alignment method and tubing transportation and placement routes were innovated，and corresponding overall alignment structure，derrick geometry and pipe grabbing，moving and racking structures were innovated.The mainstream analysis software such as Pro/E and ANSYS Workbench 15.0 were used to conduct 3D modeling and strength check on key parts such as derrick and substructure.The workover rig was tested and applied on a small scale，achieving a high automation level： one operator can complete roundtrip of pipe string，greatly reducing the number of cooperating personnel and improving safety.The workover rig was driven by power at well site，realizing zero exhaust emission，low noise and environmental protection.The development of the workover rig，especially the innovated tubing transportation structure and process，provides reference for the development of slant well workover rig and electric workover rig as well as the automation transformation of conventional workover rigs.

electric；slant well workover rig；alignment structure；multidirectional movement；automatic emission

0 引 言

在全球經(jīng)濟高速發(fā)展的大背景之下，對石油烴類能源的市場需求日益增大，而作為不可再生能源的常規(guī)油藏產(chǎn)量將逐年下降，動用難度更大的非常規(guī)稠油油藏越來越受重視。據(jù)有關文獻記載，世界稠油資源量約8 150億t，占全球石油資源量的70%，主要分布在委內(nèi)瑞拉、加拿大、俄羅斯、美國、中國［1］，是公認的21世紀最為現(xiàn)實、最具前景的接替資源。如何最大限度地把稠油、超稠油開采出來，是世界石油界面臨的共同課題［2］。

新疆準噶爾盆地稠油資源豐富，且是具有重要特殊用途的環(huán)烷基稠油，已探明的稠油油藏儲量高達12億t，主要分布在中國石油新疆油田公司的一區(qū)至九區(qū)和紅山嘴、百口泉、風城等區(qū)塊［3］，埋深130～650 m。稠油以熱采為主，前期通過蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)工藝的推廣應用，資源的采收率已達到30%的瓶頸。2014年新疆油田通過引入驅(qū)泄復合理念，形成了垂直井-水平井（VHSD）、水平井-水平井（SAGD）工藝，將稠油采收率由30%提高到50%以上［4-6］，取得了顯著的開發(fā)效果。但對于埋深小于250 m的超淺層稠油資源采用常規(guī)水平井VHSD和SAGD的方式存在一定風險和難度：①井眼曲率大（水垂比過大，達到甚至超過3∶1），鉆完井難度大；②井眼曲率大及熱采過程中套管高溫膨脹，易造成井口抬升、偏移，影響井筒完整性；③井眼曲率大，造成大排量泵入井困難、工況復雜。為此，新疆油田改進水平井井身結構，將水平井的垂直段改為斜直段進行VHSD的工藝試驗并取得了成功，目前已鉆成6口斜直水平井，單井日產(chǎn)原油10～20 t。

國內(nèi)外斜直水平井（或斜井）數(shù)量有限，主要在加拿大和中國河南油田，專用的修井機數(shù)量少、技術進步慢。國內(nèi)大慶油田、河南油田存在少量斜井［7］及斜井修井機，其操作方式比較原始。為滿足前期的修井作業(yè)需求和驗證斜直井作業(yè)工藝參數(shù)，科研人員將1臺40 t直井修井機進行改造，改變井架支撐結構、增加游車軌道、增加電動絞車提供注入力，制造了1臺簡易的工程試驗機。試驗機與井口的對中困難，需要反復立放井架和調(diào)整位置才能完成井架游車軸線和井口軸線保持一致，對中時間長、對中精度低。由于井口傾斜，原有液壓鉗使用困難，導致修井作業(yè)難度增大，作業(yè)人員多、勞動強度大、作業(yè)時間長、作業(yè)危險因素多、副管入井困難，難以滿足油田提出的綠色、安全、高效修井作業(yè)需求。為此，筆者所在團隊設計了全新的XXJ20Y電動全液壓斜直井修井機。

1 技術分析

1.1 結構

新疆油田斜直水平井下泵深度淺，作業(yè)時起下油管數(shù)量少、載荷輕，修井機需要的功率小，所以XXJ20Y斜直井修井機設計成橇裝結構，采用井場電源電力驅(qū)動，全液壓控制。將管柱運移、擺放作業(yè)軌跡移到作業(yè)機前端，縮短運移路線，便于抓管、排管機構的集中布置和油管運移路線與流程的銜接。底座設計成嵌套結構，結合井架的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)作業(yè)機與井筒的三維對中。修井機結構如圖1所示，主要由井架、底座及支撐裝置、機械臂、游吊系統(tǒng)、液壓鉗及導軌、排管系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)、輔助設備組成。

1.2 工作原理

1.2.1 整機

整機拉運至井場后擺放到斜井的傾斜方向，立井架、對中井口、井口準備后即可進行作業(yè)。起油管作業(yè)主要過程為：將排管系統(tǒng)的管橋調(diào)整為“外低里高”狀態(tài)→游動卡瓦卡住油管上端→井口固定卡瓦松開→游動卡瓦提升管柱后固定卡瓦卡緊管柱→液壓鉗上升進行卸扣→液壓鉗下降→機械臂上旋卡住油管→游動卡瓦松開并上升離開油管接箍→機械臂下旋至水平位置后松開油管→排管系統(tǒng)管鉤將油管撥至管橋→油管自動滾至管橋外側(cè)。下油管作業(yè)主要過程為將排管系統(tǒng)的管橋調(diào)整為“外高里低”狀態(tài)，油管自動滾至里側(cè)→排管系統(tǒng)管鉤將油管撥至機械臂的抓手里→機械臂抓住油管上旋至井架中心→游動卡瓦下行卡住油管接箍→機械臂抓手張開→游動卡瓦下降將油管下端送入井筒內(nèi)油管接箍→液壓鉗上升進行擰扣→機械臂機械下旋→液壓鉗下降→井口固定卡瓦松開→游動卡瓦下降將管柱送入井筒→井口固定卡瓦卡住管柱。整個油管的起下作業(yè)過程均由操作手操作液壓閥件來進行控制，大幅減少了井口作業(yè)人員數(shù)量，提高了起下油管作業(yè)過程的速度和安全性。

1.2.2 井架

因為油管及機械臂抓手從中間穿過，井架設計成15 m高的前開口門框型結構，井架截面尺寸為1 200 mm×800 mm，立柱材料為空心方鋼120 mm×8 mm;主要橫撐和斜撐材料為100 mm×6 mm，材質(zhì)均為Q345B。井架各桿之間焊縫進行超聲波探傷檢測，確保焊接可靠。井架上端安裝液壓馬達，中間設計有游車導軌，下端設計有液壓鉗導軌。按照井架設計標準設計二維CAD圖紙，借助于PRO/E三維參數(shù)化設計平臺建立井架三維模型（見圖2）。

為了確保井架滿載作業(yè)安全，以ANSYS Workbench 15.0有限元軟件為平臺，根據(jù)節(jié)點及邊界設定等效性原則，主要考慮恒定載荷、工作載荷、風載荷，完成井架休整工況、不同角度起升工況下的強度分析，結果見表1。此外，還進行井架動力學分析，研究模態(tài)計算原理，建立運動微分方程，進行不同角度起升工況下井架模態(tài)分析，計算出井架前六階模態(tài)分析的頻率，校核井架的共振安全性結果見表2。

由表1可見：修井機處于休整工況時，井架主體部件所承載的最大等效應力值δmax=39 MPa，遠低于井架構件材料Q345B最大許用應力值216 MPa。修井機井架在4種不同作業(yè)角工況下滿載作業(yè)所承載的最大等效應力值分別為183.84、189.16、190.03及188.04 MPa，均小于井架主體部件材料Q345B最大許用應力值216 MPa。此計算結果表明：在不同傾斜角度的修井作業(yè)工況中，該型斜井修井機井架均能夠滿足實際工程靜強度需求。

由表2可見：正常修井工況下，不論是正面迎風（①正吹）還是側(cè)面吹風（②側(cè)吹），井架第1階頻率值均低于其固有振型頻率，井架第2階模態(tài)振型頻率值明顯高于其固有頻率，表明在外界激勵作用下，修井機井架不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象；前2階均呈現(xiàn)出不同的變形形態(tài)，說明井架在實際作業(yè)中不會發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象，修井機井架結構能夠正常工作；井架第3階、第4階、第5階及第6階振動頻率均未達到共振條件。其他作業(yè)角度正常修井工況及預期風暴和非預期風暴條件下也進行了詳細的分析計算（數(shù)據(jù)略），結果表明井架設計安全可靠。

1.2.3 底座及支撐裝置

底座為承載部件，不僅為設備其他部件提供安裝平臺，還能實現(xiàn)修井機與斜井對中功能。底座主體設計為嵌套式結構（見圖3），大底座內(nèi)嵌套有活動小底座，通過油缸的伸縮推動小底座在大底座內(nèi)縱向移動。大底座設有2個橫向移位機構，移位機構由垂直伸縮油缸和水平伸縮油缸組成，可以調(diào)整大底座的水平度和左右位置，甚至可以利用移位機構油缸鉸座的間隙實現(xiàn)大底座在水平面內(nèi)的小角度旋轉(zhuǎn)。活動小底座設有三角架和支撐鉸座，用于安裝機械臂、支架和支撐裝置。大底座前端安裝液壓泵站，側(cè)面安裝排管機構。支撐裝置由2根有伸縮功能的支撐桿組成，支撐桿一端與井架腰部鉸接，一端與底座的支撐鉸座連接。支撐鉸座設有4個連接孔，分別對應45°、50°、55°、60°這4個作業(yè)角。底座主體采用Q235B材質(zhì)的型鋼組焊而成，并進行了靜力學和動力學分析（數(shù)據(jù)略），整體性能優(yōu)于支架。

底座與井口對中原理：修井機吊放到斜井前方大概位置后，通過橫向移位機構的4個垂直伸縮支腿調(diào)整底座平面的水平度;如底座中心線與斜井筒投影不重合，可單獨調(diào)整橫向移位機構，使底座小角度旋轉(zhuǎn)，先使中心線與斜井投影平行，再調(diào)整兩個移位機構橫向移動，使底座中心線與斜井筒投影重合；再調(diào)節(jié)井架角度使之與井筒角度相同，最后調(diào)整活動小底座前后位置，實現(xiàn)井架作業(yè)中心與井筒中心的完全重合，從而實現(xiàn)作業(yè)機與目標斜井筒的空間多方位對中。

1.2.4 機械臂

機械臂主要由主臂、副臂、擺臂、抓手、連接桿、調(diào)節(jié)桿、限位臂等組成（見圖4）。副臂、擺臂、連接桿組成平行四邊形機構，由1個油缸來驅(qū)動，平行四邊形機構整體安裝在主臂上。主臂旋轉(zhuǎn)可將油管一次移位，由水平位置運送到傾斜作業(yè)位置（或由傾斜作業(yè)位置運送到水平位置），擺臂旋轉(zhuǎn)驅(qū)動四邊形機構擺動，可將油管在水平位置狀態(tài)和傾斜作業(yè)位置狀態(tài)進行二次油管移位，便于繞過支撐桿或繞過井架橫撐，解決油管與支撐桿或井架下橫撐相干涉的問題。抓手、主臂、擺臂均由相應的油缸來驅(qū)動。

1.2.5 游吊系統(tǒng)

游吊系統(tǒng)主要由帶減速器的液壓馬達、鏈輪、鏈條、游車及卡瓦、驅(qū)動軸等組成（見圖5）。其工作原理為：馬達驅(qū)動鏈輪帶動雙鏈環(huán)運動，鏈環(huán)中安裝游車，游車內(nèi)安裝卡瓦，卡瓦及游車上提或下壓油管上端的接箍來對管柱提供上提或注入力。游車兩側(cè)安裝導輪，導輪在導軌內(nèi)運動，導軌為游車提供支撐和限位。為防止鏈條過長下垂，與鏈條接觸的托板上設計尼龍材質(zhì)墊板以保護鏈條，墊板可更換。更換管體卡瓦后可以卡住油管管體的任意位置施加注入力，避免小直徑油管加壓入井時失穩(wěn)彎曲。

1.2.6 液壓鉗及其浮動安裝導軌

斜直井修井作業(yè)時因管柱處于傾斜狀態(tài)，與普通直井修井作業(yè)差異大，操作難度和危險性顯著增加，必須實現(xiàn)高度機械化作業(yè)以確保作業(yè)安全，故設計了液壓控制的液壓鉗導軌（見圖6）。將開式液壓鉗安裝于導軌內(nèi)，管柱上提或下放過程中液壓鉗下放到最低點，需要上卸扣時油缸推動液壓鉗上升到工作位置。以修井作業(yè)線為z軸建立一個傾斜的坐標系，導軌在x、y、z這3個方向都設有減震彈簧，使得液壓鉗在x、y、z這3個方向都有一定的浮動空間，能有效消除因制造、安裝、對中及操作誤差引起的作業(yè)管柱與液壓鉗中心不重合因素而導致的液壓鉗損壞或管柱損傷。

1.2.7 排管系統(tǒng)

因XXJ20Y斜直井修井機用于超淺層稠油區(qū)塊，下泵深度不超過200 m，作業(yè)油管數(shù)量少，需求的排管面積小，故將排管系統(tǒng)集成于修井機上。排管系統(tǒng)由兩排升降式多功能管橋架、撥管器等組成（見圖7）。管橋架傾角可調(diào)±5°；油管容量為28根，滿足一般作業(yè)的管柱擺放；管橋折疊式設計，運輸時折疊至底座上；管橋內(nèi)側(cè)設有撥管器，實現(xiàn)單管分離，便于抓取。

1.2.8 驅(qū)動及控制系統(tǒng)

采用電液驅(qū)動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)低能耗、零排放、低噪聲和自動控制，符合綠色低碳的行業(yè)發(fā)展方向。依據(jù)管柱載荷及井場電網(wǎng)實際，確定整機功率為37 kW。綜合考慮驅(qū)動對象的功率需求和執(zhí)行順序、傳遞效率等因素，采用一機帶兩泵方式。主泵（最大35 MPa）為帶功率限制的負載敏感變量控制模式，驅(qū)動控制液壓馬達起升/下壓管柱和液壓鉗上/卸扣；輔泵（最大25 MPa）采用恒壓定量泵，驅(qū)動控制井架起升油缸、各底座油缸、機械臂油缸、擺臂油缸、抓手、扶正器、液壓鉗導軌、懸吊馬達、游動卡瓦、固定卡瓦等小型執(zhí)行元件，用于對中、上卸扣、井架立放及其他輔助功能和動作（控制原理見圖8）。為方便操作和確保安全，將液壓控制分臺下部分和臺上部分。修井機的對中和井架立放操作在臺下，管柱作業(yè)的各項操作在臺上。涉及到要求同步的執(zhí)行機構管路上設置同步閥，游動卡瓦與固定卡瓦等關鍵執(zhí)行元件設有液壓鎖止和保壓元件，以防系統(tǒng)泄壓導致管柱滑落入井。

1.2.9 輔助設備

除前述主要部件外，為確保作業(yè)安全、提高其作業(yè)便捷性能，修井機還配備了固定卡瓦、扶正器、液壓加熱/散熱裝置、游車感應與限位裝置、照明與電氣系統(tǒng)、輔助懸吊裝置、操作平臺、扶梯、繃緊裝置等輔助設備，使之具備修井機所需的各項基本功能。

1.3 主要技術參數(shù)

XXJ20Y斜直井修井機主要技術參數(shù)見表3。

1.4 技術特點

（1）井場電源驅(qū)動、節(jié)能環(huán)保。為國內(nèi)首臺電動橇裝液壓斜井修井機，無燃油消耗，綠色低碳。整機已申報發(fā)明專利：CN202011044127.5。

（2）井口對中結構可靠、方便快捷。底座設計為嵌套結構，整機具有3個方向的移動功能及2個平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)功能，能實現(xiàn)全方位井口對中。高度調(diào)整范圍0～200 mm；縱向調(diào)整范圍0～600 mm；橫向調(diào)整范圍0～200 mm（可多次）；水平面旋轉(zhuǎn)0°～3°（可多次）；主架縱向垂直面旋轉(zhuǎn)0°～70°。

（3）具備管柱加壓功能，保證管柱下入水平段。設計夾持式加壓結構，可夾持管柱任意位置提供注入力，避免管柱失穩(wěn)彎曲。額定注入力50 kN，最大可達120 kN。

（4）液壓鉗浮動上卸扣技術。研發(fā)了液壓鉗浮動導軌，采用組合彈簧支撐結構，液壓鉗在導軌內(nèi)既能限位又有一定的浮動空間，保證油管螺紋與液壓鉗齒輪的使用壽命。

（5）高度機械化，降低勞動強度，實現(xiàn)井口減人。修井機集成管橋，設計了油管轉(zhuǎn)運與自動擺放裝置，操作手1人就能實現(xiàn)油管起下作業(yè)（見圖9），減少井口作業(yè)人員。

2 現(xiàn)場應用

2020年完成了1臺樣機的制造，2020—2022年在新疆油田多口斜直水平井進行了8井次檢泵作業(yè)、1次副管入井作業(yè)和1次打撈作業(yè)，實現(xiàn)了正常情況下油管起下、上卸扣、運移、擺放一系列操作只需要操作手1人即可完成的目標。單根油管的起和下平均作業(yè)時間約2 min 41 s；修井機具有搶裝防噴單根功能，搶噴操作時間在5 min以內(nèi)；副管水平段的單根注入時間不超過3 min；立井架和對中方便，10 min內(nèi)可完成；起下抽油桿和抽油泵可人工輔助完成。樣機功能參數(shù)滿足修井要求，作業(yè)工藝能有效指導斜直井的修井作業(yè)。集成的油管移運與自動擺放裝置非常實用，管柱作業(yè)無需配合人員，與國內(nèi)現(xiàn)有的斜井修井機比減少二層平臺和井口作業(yè)人員4人，對中時間由2 h減至5 min，副管入井時間由7～8 d減少為4 d，作業(yè)安全性和管柱入井效率大幅提高。

3 結 論

（1）針對井深淺、載荷小的淺層稠油斜直井作業(yè)工況，將修井機設計成橇裝和電驅(qū)結構，利用井場的抽油設備電源供電，無需單獨配動力源，實現(xiàn)了零排放的綠色修井。

（2）全液壓控制及油管抓取移位與自動排放機構能提高修井作業(yè)的機械化和自動化水平，實現(xiàn)了井口操作人員的大幅減少，可為小型自動化修井機的研發(fā)和改造提供借鑒。

（3）可多向移動的底座結構和對中操作方式結構可靠、操作快捷。充分利用了斜井獨有特點，將井架設計成前開口的門型結構，將油管的運移與擺放空間設置到修井機機身前端，結構緊湊，能縮小油管移動角度（距離），有效縮短作業(yè)時間。斜置的液壓鉗實現(xiàn)了多向浮動固定功能，能有效降低因制造、安裝、對中及操作誤差的影響，保護油管螺紋和液壓鉗驅(qū)動齒輪，提高油管及液壓鉗的使用壽命。

［1］ ?孫煥泉，劉慧卿，王海濤，等．中國稠油熱采開發(fā)技術與發(fā)展方向［J］．石油學報，2022，43（11）：1664-1674．

SUN H Q，LIU H Q，WANG H T，et al.Development technology and direction of thermal recovery of heavy oil in China［J］.Acta Petrolei Sinica，2022，43（11）：1664-1674.

［2］ 常峰偉．超稠油油藏圖吞吐后汽驅(qū)接替方式研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2018．

CHANG F W.Research on replace steam flooding method to steam stimulation of super heavy oil reservoir［D］.Qingdao：China University of Petroleum （East China），2018.

［3］ 周舟．關于稠油的開采技術研究［J］．中國石油和化工標準與質(zhì)量，2012，32（2）：291.

ZHOU Z.Research on the extraction technology of heavy Oil［J］.China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2012，32（2 ）：291.

［4］ 孫新革，馬鴻，趙長虹，等．風城超稠油蒸汽吞吐后期轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)開發(fā)方式研究［J］．新疆石油地質(zhì)，2015，36（1）：61-64．

SUN X G，MA H，ZHAO C H，et al.Research on Ultra-Heavy oil development by steam stimulation converting into steam drive combination process in Fngcheng oilfield［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2015，36（1）：61-64.

［5］ 錢根葆，孫新革，趙長虹，等．驅(qū)泄復合開采技術在風城超稠油油藏中的應用［J］．新疆石油地質(zhì)，2015，36（6）：733-737．

QIAN G B，SUN X G，ZHAO C H，et al.Application of Vertical-Horizontal steam drive process to Fngcheng Extra-Heavy oil reservoir，Jnggar basin［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2015，36（6）：733-737.

［6］ 孫新革，趙長虹，熊偉，等．風城淺層超稠油蒸汽吞吐后期提高采收率技術［J］．特種油氣藏，2018，25（3）：72-76，81．

SUN X G，ZHAO C H，XIONG W，et al.Enhanced oil recovery in the late stage of shallow super-heavy oil reservoir with steam huff-puff in Fngcheng oilfield［J］.Special Oil & Gas Reservoirs，2018，25（3）：72-76，81.

［7］ 楊漢立．XXJ40斜井修井機方案論證［J］．石油礦場機械，2002，31（5）：16-18．

YANG H L.Scheme demonstration of XXJ40 workover rig for inclined wells［J］.Oil Field Equipment，2002，31（5）：16-18.