我國修井機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

我國修井機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

20世紀(jì)80年代，原石油部組織了三個車間的聯(lián)合開采，分析和模仿國外的鉆探機，打開了中國開采機的發(fā)展序列。1983年第一臺自走式井架液壓起升及伸縮的XJ350型修井機在江漢完成樣機試制。1985年以技貿(mào)結(jié)合方式與美國IRI公司簽訂修井機技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同,經(jīng)過中方人員赴美接受設(shè)計和制造技術(shù)培訓(xùn),美方專家到工廠指導(dǎo)散件組裝的過程,促使我國修井機技術(shù)發(fā)展發(fā)生了質(zhì)的飛躍。據(jù)不完全統(tǒng)計,2004年我國修井機年產(chǎn)量超過300臺,已位居世界前列。國產(chǎn)修井機已成為國際市場的熱銷產(chǎn)品,出口到美國、加拿大、墨西哥、印尼、印度、敘利亞、中亞、南美、西歐等國家和地區(qū)。修井機研制的領(lǐng)先企業(yè)更是創(chuàng)出一次向美國銷售30臺修井機的驕人業(yè)績。正值修井機技術(shù)引進(jìn)20年之際,我國修井機發(fā)展面臨內(nèi)部競爭加劇以及全面進(jìn)入海洋和國際市場,有必要從技術(shù)層面認(rèn)清現(xiàn)狀,展望未來,以保持良好的發(fā)展勢頭。技術(shù)現(xiàn)狀分析現(xiàn)從產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計技術(shù)、工藝及質(zhì)量控制3個層面對我國修井機發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行描述和分析。1.大修井機配電車橋(1)常規(guī)修井機用于平原、丘陵、山地、戈壁、沙漠邊緣(包括有公路通達(dá)的沙漠腹地)基本型式的修井機,經(jīng)過20多年的持續(xù)開發(fā),已經(jīng)形成額定鉤載200～1500kN,最大鉤載500～1800kN完整的產(chǎn)品系列,主要產(chǎn)品型號有XJ150、XJ250～XJ750、XJ1000;XJ20、XJ40～XJ135、XJ150。在產(chǎn)品系列上與美國已無差異。常規(guī)修井機均為車載式,采用專用底盤(少數(shù)額定載荷600kN以下的小噸位修井機也采用通用二類底盤),滿足前后橋驅(qū)動形式,車橋數(shù)從2橋至7橋,液壓助力轉(zhuǎn)向,雙管路制動。行駛和作業(yè)共用一套動力系統(tǒng),多采用車臺柴油機+液力機械傳動箱。大噸位修井機(如XJ1000)采用雙機并車,以保證較大的輸出動力;小噸位修井機有底盤柴油機全功率取力,配液力變矩器和機械變速箱或純機械變速箱的方案(2)海洋修井機國內(nèi)廠家為海洋采油平臺設(shè)計配套修井機始于1996年海洋修井機分平行和垂直2種布置方式,多采用柴油機配液力機械傳動箱,使用塔形井架或直立套裝無繃?yán)K井架。已經(jīng)形成最大鉤載900、1125、1350、1580、1800和2250kN的產(chǎn)品系列,修井深度最大達(dá)7500m(?3(3)特殊修井機國內(nèi)廠家和研究機構(gòu)在常規(guī)修井機的基礎(chǔ)上,研制了沙漠修井機、液壓蓄能修井機、修井洗井車、不壓井修井機等特殊產(chǎn)品。沙漠修井機為單滾筒車裝自走式,采用重載車橋和大型沙漠輪胎,全輪驅(qū)動。最大鉤載1580kN,配功率530kW柴油機,柴油機和空壓機的空濾系統(tǒng)特殊配置適用于風(fēng)沙環(huán)境。內(nèi)循環(huán)強制水冷絞車系統(tǒng),適用于干燥高溫條件。設(shè)計中考慮配套裝置模塊化,便于搬遷和安裝。液壓蓄能修井機以節(jié)能環(huán)保為出發(fā)點,取消井架、游車、天車、絞車、變速傳動裝置等常規(guī)修井機的傳統(tǒng)部件,配置簡化,大幅度降低修井機的功率我國特殊修井機無論是種類和性能,還是使用范圍,與北美地區(qū)相比都有明顯差距。如國外不壓井作業(yè)技術(shù)已處于很高水平,配套設(shè)備相對成熟,而國內(nèi)還處在開發(fā)不壓井修井設(shè)備的初級階段,已開發(fā)的樣機還存在諸多問題。2.載車、修井機設(shè)計(1)有限元分析熟練掌握此技術(shù),對修井機的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。主要廠家和院所使用ANSYS、Pro/E、StruCAD×3D等軟件對修井機結(jié)構(gòu)件特別是井架和車架的強度、剛度、穩(wěn)定性等綜合受力情況進(jìn)行分析,指導(dǎo)設(shè)計人員結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計,以適應(yīng)不同工況和規(guī)范。這從根本上改變了修井機結(jié)構(gòu)件依賴模仿設(shè)計的局面。主要廠家還建立了應(yīng)力測試系統(tǒng),能便捷地進(jìn)行實物測試,將測試結(jié)果與分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,使結(jié)構(gòu)件的設(shè)計更為可靠,從樣機試制到定型生產(chǎn)的時間也大為縮短。一些研究人員還對修井機的修井曲線、載荷譜等項目進(jìn)行了研究(2)載車與總體設(shè)計根據(jù)整機要求和特殊路況設(shè)計制造的專用底盤,能配套更適合作業(yè)工況的動力及傳動裝置,更合理地布置車上部件,因而較通用底盤有更好的適用性。載車設(shè)計與修井機總體設(shè)計同步發(fā)展,從最初的5橋車,向兩頭擴展為2橋和7橋車。在不斷完善設(shè)計擴展車型的過程中,成功解決了以下問題:①柴油機與液力機械傳動箱的匹配,大鉤載荷特性優(yōu)化(3)適應(yīng)海洋平臺的特殊設(shè)計海洋平臺首先是在設(shè)計環(huán)節(jié)接受新的理念,實現(xiàn)技術(shù)跨越。經(jīng)過最初的挫折和10年的探索,現(xiàn)已能把握設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié):總體布置適應(yīng)平臺條件和修井功能要求,每一口井對中作業(yè),在偏載情況下保持設(shè)備性能穩(wěn)定、運行安全;井架、縱橫移動底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化;整機及移動底座抗風(fēng)抗地震評價;嚴(yán)格的部件質(zhì)量控制及模塊化設(shè)計;安全通道、防護設(shè)施、保護裝置的設(shè)計和配備;動力、電器及控制系統(tǒng)符合海洋平臺要求的防爆設(shè)計;適應(yīng)從式井的各類管線集中移運的拖鏈設(shè)計及整機防污染設(shè)計;鉆井泵及鉆井液凈化系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、鉆井液管匯、井口工具等的成套設(shè)計;規(guī)范設(shè)計審核、設(shè)計變更,完善技術(shù)資料的內(nèi)容與形式,與國際接軌。(4)CAD和PDM在普遍應(yīng)用二維CAD的基礎(chǔ)上,部分企業(yè)已經(jīng)開始三維設(shè)計,進(jìn)行運動仿真和模擬裝配。隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)因產(chǎn)品發(fā)展和用戶的個性化需求而日趨繁雜,規(guī)范技術(shù)數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享成為設(shè)計及其他過程的關(guān)鍵問題。主要廠家已成功實施PDM系統(tǒng),功能模塊包括項目管理、圖文檔管理、產(chǎn)品管理、報表管理、更改管理、流程管理和配置管理。PDM系統(tǒng)以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理為核心,綜合各種待選件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)隨著產(chǎn)品發(fā)展而不斷擴充。在得到客戶的詳細(xì)需求之后,設(shè)計人員以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)對各種待選件逐一確認(rèn),生成客戶化結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)化為客戶的設(shè)備配套BOM。在CAD界面中集成PDM零件、圖檔、結(jié)構(gòu)查詢功能,設(shè)計時可在線查詢已有設(shè)計信息,利用成組分類編碼,實現(xiàn)零件的相似型設(shè)計和最大程度的借用,提高設(shè)計效率,可形成只做最小修改就能滿足客戶需求的標(biāo)準(zhǔn)機型。通過和CAPP的集成,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立后,融合相關(guān)工藝信息,進(jìn)行工藝信息匯總。PDM也是制造企業(yè)推行ERP必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。3.主要施工設(shè)備及工藝(1)焊接和結(jié)構(gòu)件制造各廠家均具備較強的焊接和結(jié)構(gòu)件制造能力,適應(yīng)井架、鉆臺、車架等結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。焊接設(shè)備包括各類手工電弧焊機、氣體自動保護焊機和氬弧焊機。主要廠家的焊接工藝執(zhí)行美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝驗證制度,焊接規(guī)程通過DNV和CCS認(rèn)證。在下料工序,一般都配備數(shù)控切割機、銑邊機、卷板機等設(shè)備;在焊接過程中,配備大型組焊平臺和工裝;在檢驗工序,具備表面磁粉探傷、超聲波探傷和射線探傷的能力。各廠家均注重焊工的資質(zhì)培訓(xùn),一批焊工取得DNV頒發(fā)的不同焊接位置的資格證書。(2)表面處理各廠家的產(chǎn)品表面質(zhì)量通過不斷改進(jìn)噴漆工藝和鈑金件制作,取得明顯進(jìn)步。主要廠家修建了大型噴砂(丸)處理室,在結(jié)構(gòu)件涂漆前進(jìn)行清洗和表面處理,表面處理等級達(dá)到GB8923—88標(biāo)準(zhǔn)Sa2.5級;修建大型噴烘漆房,滿足修井機整機和井架在噴烘漆房內(nèi)噴漆、烘干。為滿足海洋修井機的防腐要求,應(yīng)用了噴鋁防腐工藝,執(zhí)行表面噴砂處理→噴鋁處理→雙組分環(huán)氧底漆→雙組分丙烯酸聚氨脂面漆工藝流程。對于螺栓、螺母、墊片、銷軸等小型件,采用鋅鉻涂層(達(dá)可羅)工藝,涂層的防腐蝕性優(yōu)于電鍍鋅、電鍍鎘、熱浸鋅,適應(yīng)海洋天氣、濕熱氣氛等條件。對于薄壁零件,如發(fā)動機護罩、駕駛室、鏈條護罩等改進(jìn)結(jié)構(gòu),采用沖壓模具成型,保證表面平整光潔。(3)數(shù)控加工各廠家均注重機加工的數(shù)控改造,近幾年配備了一批數(shù)控鏜床、銑床、鉆床、滾齒機、車床等金切設(shè)備。少數(shù)廠家從國外購買了加工中心,主要廠家的數(shù)控機床已達(dá)到金切設(shè)備的一半。關(guān)鍵件使用先進(jìn)設(shè)備加工,如:里巴斯繩槽使用CQK61100臥式數(shù)控車床加工,轉(zhuǎn)盤齒輪使用Gleason弧齒機加工,箱體使用數(shù)控鏜床加工等等。主要廠家為進(jìn)一步控制加工質(zhì)量,還配備了三坐標(biāo)檢測儀,檢測關(guān)鍵件的形位誤差。(4)毛坯及熱處理主要廠家長期以來一直注重毛坯質(zhì)量攻關(guān)和熱處理設(shè)備及工藝的提升,并取得明顯成效。采用計算機群控系統(tǒng),實現(xiàn)熱處理設(shè)備全過程自動控制和集中監(jiān)控。輝光離子氮化用于齒輪和軸類零件,達(dá)到表面耐磨和尺寸精密的目的;滲碳工藝實現(xiàn)碳勢檢測、滲層測定、溫度控制自動化,滲碳質(zhì)量得到保證;數(shù)控感應(yīng)加熱淬火實現(xiàn)零件雙頻和超音頻淬火,使零件得到均勻硬化層。毛坯質(zhì)量攻關(guān)的關(guān)鍵是解決提升系統(tǒng)鑄鋼件的低溫性能。在材料上采用低碳含鎳鉬合金鋼,嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P含量;在鑄造工藝上采用樹脂砂造型、有機脂水玻璃砂制芯、無冒口澆鑄、凝固過程計算機模擬等新技術(shù);在熱處理工藝上采用雙介質(zhì)淬火,得到低碳馬氏體組織。通過從原材料到熱處理每一個環(huán)節(jié)的控制,-20和-40℃2個級別的低溫性能合格率已長期穩(wěn)定在理想水平。(5)裝配和試驗各廠家的修井機裝配條件在近幾年均不同程度得到改善,裝配能力明顯提升,主要廠家已達(dá)到出廠8臺/月以上的能力。裝配過程中,有保證液氣管線和容器清潔度的技術(shù)措施。采用專業(yè)廠商制造的扣壓式接頭,對液氣管線試壓全檢,使管線的滲漏現(xiàn)象大為降低。液氣電管線的安裝排放,從雜亂無章到整齊有序,特別是在海洋修井機上采用隨動排放裝置,使液氣電路的裝配水平躍上新臺階。主要廠家已具備修井機動載荷和靜載荷試驗?zāi)芰?還模擬海洋修井機平臺位移工況,建成了海洋修井機載荷試驗裝置。配有用于主滾筒、天車滑輪、剎車轂等部件的動平衡機,用于轉(zhuǎn)盤和各種箱體的跑合試驗裝置,用于大鉆、水龍頭的拉力試驗臺架等。試驗條件滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制的要求。單一產(chǎn)品到系列配套設(shè)計技術(shù)和制造能力不斷提高和完善,支撐著我國修井機從單一產(chǎn)品到系列配套。今后仍將以技術(shù)進(jìn)步為基礎(chǔ),以滿足油田施工企業(yè)節(jié)能降耗、降本增效和HSE要求為主線,期待在產(chǎn)品的性能、適用性、可靠性、經(jīng)濟性等方面取得新的進(jìn)展。1.輔助實施機及設(shè)備(1)盤式剎車用液壓盤式剎車取代帶式剎車作為絞車主剎,為司鉆集中控制提供保證,同時解決剎車塊頻繁更換和機械式剎車連桿機構(gòu)過長的問題。用鉗壓式氣控盤剎或氣控水冷盤剎取代水剎車作為輔剎。(2)交流變頻電驅(qū)動海洋修井機可充分利用平臺電力,用交流變頻電驅(qū)動代替柴油機和液力機械傳動箱,不僅可實現(xiàn)絞車、轉(zhuǎn)盤無級調(diào)速,增強處理事故的能力,還可簡化機械結(jié)構(gòu),實現(xiàn)自動控制。陸上修井機,在路況和井場電網(wǎng)條件適當(dāng)?shù)那闆r下,可采用半拖掛式交流變頻電驅(qū)方式。(3)集中控制采用可靠的傳感器、微處理器、控制軟件,實現(xiàn)在司鉆房對修井機各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和顯示,包括轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、扭矩、游車高度、載荷特性曲線等。系統(tǒng)對動力傳動裝置全過程控制,采用盤剎淘汰剎把,實現(xiàn)操作提示、安全報警和故障診斷。2.動力水壓作業(yè)平臺(1)全套拖掛修井設(shè)備修井機主機(含井架)自走,包括鉆臺、固控系統(tǒng)、野營房在內(nèi)其它全部設(shè)備實現(xiàn)半拖掛或全拖掛移運。(2)簡易鉆臺修井機強化動力水龍頭的質(zhì)量和性能,配備動力水龍頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè),取消笨重的鉆臺及轉(zhuǎn)盤系統(tǒng),代之以拆卸、移運、升降靈活方便的簡易工作平臺。(3)快移式海洋修井成套設(shè)施綜合考慮作業(yè)甲板空間、吊機能力,盡可能簡化結(jié)構(gòu),功能模塊化,便于吊裝搬遷,實現(xiàn)同一區(qū)塊內(nèi)多座平臺共用一套修井設(shè)施。(4)直升機吊裝修井機根據(jù)直升機的吊運能力,將修井機精確分解為若干適應(yīng)高空吊運的小型模塊,并能在現(xiàn)場快速方便地連接安裝,滿足森林、沙漠等無公路條件下的油井作業(yè)。3.國內(nèi)油田現(xiàn)狀不壓井作業(yè)以保持地層能量,不污染地層,節(jié)約放噴、壓井、洗井等費用和作業(yè)時間的優(yōu)勢,受到國內(nèi)油田的重視。油田在開展不壓井技術(shù)試驗與推廣中存在防噴器膠芯壽命短,管柱提升速度慢的問題,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。需要改變技術(shù)路線,從改變密封方式、提高作業(yè)速度入手,開發(fā)改動密封為靜密封、沖程超過10m、密封壓力42MPa以上的不壓井修井機,以適應(yīng)帶壓修井作業(yè)的需要。4.把產(chǎn)業(yè)和制造結(jié)合起來,提高人員素質(zhì)和質(zhì)量Cooper、Ideco等品牌的修井機遍布世界各地,影響力不可小視。國產(chǎn)修井機還未達(dá)到以上品牌的境界,需加倍努力,以品牌效應(yīng)拓展國際市場。首先,要研究各國有關(guān)修井作業(yè)工藝和設(shè)備的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),研究各國對設(shè)備移動的限制條件,研究適應(yīng)寒冷地帶、沙漠、海洋氣候的通用材料和特殊裝置,在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上,完成適應(yīng)不同國家和地區(qū)、不同氣候條件要求的基本改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計。其次,要進(jìn)一步改進(jìn)制造過程中的薄弱環(huán)節(jié),重點是裝配、