XXJ20Y电动斜直井修井机的研制与应用

周华 刘牧洲 陈波 郭新维 艾白布·阿不力米提

为满足斜直水平井修井作业需求和验证斜直井作业工艺参数，研制了XXJ20Y电动斜直井修井机。介绍了修井机的主要结构和原理，提出将油管作业空间由后端移至机身内的思路。创新对中方法和油管运移及摆放路线，设计相应的整机对中结构、井架结构和抓管、移管、排管结构。应用Pro/E和ANSYS Workbench 15.0等主流分析软件对井架和底座等关键零部件进行了三维建模和强度校核。该修井机进行了小规模的试验应用，达到了较高的自动化水平，操作手1人就可完成管柱起下作业，配合人员大幅减少，安全性提高；利用井场电源驱动，尾气零排放、噪声低，绿色环保；优化了油管运移结构及流程。该修井机的研制可为斜井修井机、电动修井机的研制和常规修井机的自动化改造提供借鉴。

电动；斜直井修井机；对中结构；多向移动；自动排放

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

在全球经济高速发展的大背景之下，对石油烃类能源的市场需求日益增大，而作为不可再生能源的常规油藏产量将逐年下降，动用难度更大的非常规稠油油藏越来越受重视。据有关文献记载，世界稠油资源量约8 150亿t，占全球石油资源量的70%，主要分布在委内瑞拉、加拿大、俄罗斯、美国、中国［1］，是公认的21世纪最为现实、最具前景的接替资源。如何最大限度地把稠油、超稠油开采出来，是世界石油界面临的共同课题［2］。

新疆准噶尔盆地稠油资源丰富，且是具有重要特殊用途的环烷基稠油，已探明的稠油油藏储量高达12亿t，主要分布在中国石油新疆油田公司的一区至九区和红山嘴、百口泉、風城等区块［3］，埋深130～650 m。稠油以热采为主，前期通过蒸汽吞吐和蒸汽驱工艺的推广应用，资源的采收率已达到30%的瓶颈。2014年新疆油田通过引入驱泄复合理念，形成了垂直井-水平井（VHSD）、水平井-水平井（SAGD）工艺，将稠油采收率由30%提高到50%以上［4-6］，取得了显著的开发效果。但对于埋深小于250 m的超浅层稠油资源采用常规水平井VHSD和SAGD的方式存在一定风险和难度：①井眼曲率大（水垂比过大，达到甚至超过3∶1），钻完井难度大；②井眼曲率大及热采过程中套管高温膨胀，易造成井口抬升、偏移，影响井筒完整性；③井眼曲率大，造成大排量泵入井困难、工况复杂。为此，新疆油田改进水平井井身结构，将水平井的垂直段改为斜直段进行VHSD的工艺试验并取得了成功，目前已钻成6口斜直水平井，单井日产原油10～20 t。

国内外斜直水平井（或斜井）数量有限，主要在加拿大和中国河南油田，专用的修井机数量少、技术进步慢。国内大庆油田、河南油田存在少量斜井［7］及斜井修井机，其操作方式比较原始。为满足前期的修井作业需求和验证斜直井作业工艺参数，科研人员将1台40 t直井修井机进行改造，改变井架支撑结构、增加游车轨道、增加电动绞车提供注入力，制造了1台简易的工程试验机。试验机与井口的对中困难，需要反复立放井架和调整位置才能完成井架游车轴线和井口轴线保持一致，对中时间长、对中精度低。由于井口倾斜，原有液压钳使用困难，导致修井作业难度增大，作业人员多、劳动强度大、作业时间长、作业危险因素多、副管入井困难，难以满足油田提出的绿色、安全、高效修井作业需求。为此，笔者所在团队设计了全新的XXJ20Y电动全液压斜直井修井机。

1 技术分析

1.1 结构

新疆油田斜直水平井下泵深度浅，作业时起下油管数量少、载荷轻，修井机需要的功率小，所以XXJ20Y斜直井修井机设计成橇装结构，采用井场电源电力驱动，全液压控制。将管柱运移、摆放作业轨迹移到作业机前端，缩短运移路线，便于抓管、排管机构的集中布置和油管运移路线与流程的衔接。底座设计成嵌套结构，结合井架的旋转，可实现作业机与井筒的三维对中。修井机结构如图1所示，主要由井架、底座及支撑装置、机械臂、游吊系统、液压钳及导轨、排管系统、动力及控制系统、辅助设备组成。

1.2 工作原理

1.2.1 整机

整机拉运至井场后摆放到斜井的倾斜方向，立井架、对中井口、井口准备后即可进行作业。起油管作业主要过程为：将排管系统的管桥调整为“外低里高”状态→游动卡瓦卡住油管上端→井口固定卡瓦松开→游动卡瓦提升管柱后固定卡瓦卡紧管柱→液压钳上升进行卸扣→液压钳下降→机械臂上旋卡住油管→游动卡瓦松开并上升离开油管接箍→机械臂下旋至水平位置后松开油管→排管系统管钩将油管拨至管桥→油管自动滚至管桥外侧。下油管作业主要过程为将排管系统的管桥调整为“外高里低”状态，油管自动滚至里侧→排管系统管钩将油管拨至机械臂的抓手里→机械臂抓住油管上旋至井架中心→游动卡瓦下行卡住油管接箍→机械臂抓手张开→游动卡瓦下降将油管下端送入井筒内油管接箍→液压钳上升进行拧扣→机械臂机械下旋→液压钳下降→井口固定卡瓦松开→游动卡瓦下降将管柱送入井筒→井口固定卡瓦卡住管柱。整个油管的起下作业过程均由操作手操作液压阀件来进行控制，大幅减少了井口作业人员数量，提高了起下油管作业过程的速度和安全性。

1.2.2 井架

因为油管及机械臂抓手从中间穿过，井架设计成15 m高的前开口门框型结构，井架截面尺寸为1 200 mm×800 mm，立柱材料为空心方钢120 mm×8 mm;主要横撑和斜撑材料为100 mm×6 mm，材质均为Q345B。井架各杆之间焊缝进行超声波探伤检测，确保焊接可靠。井架上端安装液压马达，中间设计有游车导轨，下端设计有液压钳导轨。按照井架设计标准设计二维CAD图纸，借助于PRO/E三維参数化设计平台建立井架三维模型（见图2）。

为了确保井架满载作业安全，以ANSYS Workbench 15.0有限元软件为平台，根据节点及边界设定等效性原则，主要考虑恒定载荷、工作载荷、风载荷，完成井架休整工况、不同角度起升工况下的强度分析，结果见表1。此外，还进行井架动力学分析，研究模态计算原理，建立运动微分方程，进行不同角度起升工况下井架模态分析，计算出井架前六阶模态分析的频率，校核井架的共振安全性结果见表2。

由表1可见：修井机处于休整工况时，井架主体部件所承载的最大等效应力值δmax=39 MPa，远低于井架构件材料Q345B最大许用应力值216 MPa。修井机井架在4种不同作业角工况下满载作业所承载的最大等效应力值分别为183.84、189.16、190.03及188.04 MPa，均小于井架主体部件材料Q345B最大许用应力值216 MPa。此计算结果表明：在不同倾斜角度的修井作业工况中，该型斜井修井机井架均能够满足实际工程静强度需求。

由表2可见：正常修井工况下，不论是正面迎风（①正吹）还是侧面吹风（②侧吹），井架第1阶频率值均低于其固有振型频率，井架第2阶模态振型频率值明显高于其固有频率，表明在外界激励作用下，修井机井架不会产生共振现象；前2阶均呈现出不同的变形形态，说明井架在实际作业中不会发生明显的共振现象，修井机井架结构能够正常工作；井架第3阶、第4阶、第5阶及第6阶振动频率均未达到共振条件。其他作业角度正常修井工况及预期风暴和非预期风暴条件下也进行了详细的分析计算（数据略），结果表明井架设计安全可靠。

1.2.3 底座及支撑装置

底座为承载部件，不仅为设备其他部件提供安装平台，还能实现修井机与斜井对中功能。底座主体设计为嵌套式结构（见图3），大底座内嵌套有活动小底座，通过油缸的伸缩推动小底座在大底座内纵向移动。大底座设有2个横向移位机构，移位机构由垂直伸缩油缸和水平伸缩油缸组成，可以调整大底座的水平度和左右位置，甚至可以利用移位机构油缸铰座的间隙实现大底座在水平面内的小角度旋转。活动小底座设有三角架和支撑铰座，用于安装机械臂、支架和支撑装置。大底座前端安装液压泵站，侧面安装排管机构。支撑装置由2根有伸缩功能的支撑杆组成，支撑杆一端与井架腰部铰接，一端与底座的支撑铰座连接。支撑铰座设有4个连接孔，分别对应45°、50°、55°、60°这4个作业角。底座主体采用Q235B材质的型钢组焊而成，并进行了静力学和动力学分析（数据略），整体性能优于支架。

底座与井口对中原理：修井机吊放到斜井前方大概位置后，通过横向移位机构的4个垂直伸缩支腿调整底座平面的水平度;如底座中心线与斜井筒投影不重合，可单独调整横向移位机构，使底座小角度旋转，先使中心线与斜井投影平行，再调整两个移位机构横向移动，使底座中心线与斜井筒投影重合；再调节井架角度使之与井筒角度相同，最后调整活动小底座前后位置，实现井架作业中心与井筒中心的完全重合，从而实现作业机与目标斜井筒的空间多方位对中。

1.2.4 机械臂

机械臂主要由主臂、副臂、摆臂、抓手、连接杆、调节杆、限位臂等组成（见图4）。副臂、摆臂、连接杆组成平行四边形机构，由1个油缸来驱动，平行四边形机构整体安装在主臂上。主臂旋转可将油管一次移位，由水平位置运送到倾斜作业位置（或由倾斜作业位置运送到水平位置），摆臂旋转驱动四边形机构摆动，可将油管在水平位置状态和倾斜作业位置状态进行二次油管移位，便于绕过支撑杆或绕过井架横撑，解决油管与支撑杆或井架下横撑相干涉的问题。抓手、主臂、摆臂均由相应的油缸来驱动。

1.2.5 游吊系统

游吊系统主要由带减速器的液压马达、链轮、链条、游车及卡瓦、驱动轴等组成（见图5）。其工作原理为：马达驱动链轮带动双链环运动，链环中安装游车，游車内安装卡瓦，卡瓦及游车上提或下压油管上端的接箍来对管柱提供上提或注入力。游车两侧安装导轮，导轮在导轨内运动，导轨为游车提供支撑和限位。为防止链条过长下垂，与链条接触的托板上设计尼龙材质垫板以保护链条，垫板可更换。更换管体卡瓦后可以卡住油管管体的任意位置施加注入力，避免小直径油管加压入井时失稳弯曲。

1.2.6 液压钳及其浮动安装导轨

斜直井修井作业时因管柱处于倾斜状态，与普通直井修井作业差异大，操作难度和危险性显著增加，必须实现高度机械化作业以确保作业安全，故设计了液压控制的液压钳导轨（见图6）。将开式液压钳安装于导轨内，管柱上提或下放过程中液压钳下放到最低点，需要上卸扣时油缸推动液压钳上升到工作位置。以修井作业线为z轴建立一个倾斜的坐标系，导轨在x、y、z这3个方向都设有减震弹簧，使得液压钳在x、y、z这3个方向都有一定的浮动空间，能有效消除因制造、安装、对中及操作误差引起的作业管柱与液压钳中心不重合因素而导致的液压钳损坏或管柱损伤。

1.2.7 排管系统

因XXJ20Y斜直井修井机用于超浅层稠油区块，下泵深度不超过200 m，作业油管数量少，需求的排管面积小，故将排管系统集成于修井机上。排管系统由两排升降式多功能管桥架、拨管器等组成（见图7）。管桥架倾角可调±5°；油管容量为28根，满足一般作业的管柱摆放；管桥折叠式设计，运输时折叠至底座上；管桥内侧设有拨管器，实现单管分离，便于抓取。

1.2.8 驱动及控制系统

采用电液驱动系统，可以实现低能耗、零排放、低噪声和自动控制，符合绿色低碳的行业发展方向。依据管柱载荷及井场电网实际，确定整机功率为37 kW。综合考虑驱动对象的功率需求和执行顺序、传递效率等因素，采用一机带两泵方式。主泵（最大35 MPa）为带功率限制的负载敏感变量控制模式，驱动控制液压马达起升/下压管柱和液压钳上/卸扣；辅泵（最大25 MPa）采用恒压定量泵，驱动控制井架起升油缸、各底座油缸、机械臂油缸、摆臂油缸、抓手、扶正器、液压钳导轨、悬吊马达、游动卡瓦、固定卡瓦等小型执行元件，用于对中、上卸扣、井架立放及其他辅助功能和动作（控制原理见图8）。为方便操作和确保安全，将液压控制分台下部分和台上部分。修井机的对中和井架立放操作在台下，管柱作业的各项操作在台上。涉及到要求同步的执行机构管路上设置同步阀，游动卡瓦与固定卡瓦等关键执行元件设有液压锁止和保压元件，以防系统泄压导致管柱滑落入井。

1.2.9 辅助设备

除前述主要部件外，为确保作业安全、提高其作业便捷性能，修井机还配备了固定卡瓦、扶正器、液压加热/散热装置、游车感应与限位装置、照明与电气系统、辅助悬吊装置、操作平台、扶梯、绷紧装置等辅助设备，使之具备修井机所需的各项基本功能。

1.3 主要技术参数

XXJ20Y斜直井修井机主要技术参数见表3。

1.4 技术特点

（1）井场电源驱动、节能环保。为国内首台电动橇装液压斜井修井机，无燃油消耗，绿色低碳。整机已申报发明专利：CN202011044127.5。

（2）井口对中结构可靠、方便快捷。底座设计为嵌套结构，整机具有3个方向的移动功能及2个平面内旋转功能，能实现全方位井口对中。高度调整范围0～200 mm；纵向调整范围0～600 mm；横向调整范围0～200 mm（可多次）；水平面旋转0°～3°（可多次）；主架纵向垂直面旋转0°～70°。

（3）具备管柱加压功能，保证管柱下入水平段。设计夹持式加压结构，可夹持管柱任意位置提供注入力，避免管柱失稳弯曲。额定注入力50 kN，最大可达120 kN。

（4）液压钳浮动上卸扣技术。研发了液压钳浮动导轨，采用组合弹簧支撑结构，液压钳在导轨内既能限位又有一定的浮动空间，保证油管螺纹与液压钳齿轮的使用寿命。

（5）高度机械化，降低劳动强度，实现井口减人。修井机集成管桥，设计了油管转运与自动摆放装置，操作手1人就能实现油管起下作业（见图9），减少井口作业人员。

2 现场应用

2020年完成了1台样机的制造，2020—2022年在新疆油田多口斜直水平井进行了8井次检泵作业、1次副管入井作业和1次打捞作业，实现了正常情况下油管起下、上卸扣、运移、摆放一系列操作只需要操作手1人即可完成的目标。单根油管的起和下平均作业时间约2 min 41 s；修井机具有抢装防喷单根功能，抢喷操作时间在5 min以内；副管水平段的单根注入时间不超过3 min；立井架和对中方便，10 min内可完成；起下抽油杆和抽油泵可人工辅助完成。样机功能参数满足修井要求，作业工艺能有效指导斜直井的修井作业。集成的油管移运与自动摆放装置非常实用，管柱作业无需配合人员，与国内现有的斜井修井机比减少二层平台和井口作业人员4人，对中时间由2 h减至5 min，副管入井时间由7～8 d减少为4 d，作业安全性和管柱入井效率大幅提高。

3 结 论

（1）针对井深浅、载荷小的浅层稠油斜直井作业工况，将修井机设计成橇装和电驱结构，利用井场的抽油设备电源供电，无需单独配动力源，实现了零排放的绿色修井。

（2）全液压控制及油管抓取移位与自动排放机构能提高修井作业的机械化和自动化水平，实现了井口操作人员的大幅减少，可为小型自动化修井机的研发和改造提供借鉴。

（3）可多向移动的底座结构和对中操作方式结构可靠、操作快捷。充分利用了斜井独有特点，将井架设计成前开口的门型结构，将油管的运移与摆放空间设置到修井机机身前端，结构紧凑，能缩小油管移动角度（距离），有效縮短作业时间。斜置的液压钳实现了多向浮动固定功能，能有效降低因制造、安装、对中及操作误差的影响，保护油管螺纹和液压钳驱动齿轮，提高油管及液压钳的使用寿命。

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