我国修井机发展的技术现状与展望

石　油　机　械

CHINAPETROLEUMMACHINERY

2005年　第33卷　第10期

我国修井机发展的技术现状与展望

谢永金

(江汉石油管理局)

　　摘要　针对我国修井机发展面临内部竞争加剧以及全面进入海洋和国际市场的形势,有必要从

技术层面认清现状,展望未来,以保持良好的发展势头。为此,从产品开发、设计技术、工艺及质量控制等3个层面描述和分析了我国修井机发展的技术现状和水平,探讨了下一阶段修井机发展的趋势。正值修井机技术引进20年之际,提出了我国修井机创国际知名品牌的设想。　　关键词　修井机　技术现状　展望　创新　　1980年原石油部组织一所三厂联合攻关,解剖和仿制国外修井机,揭开了我国修井机发展的序幕。1983年第一台自走式井架液压起升及伸缩的XJ350型修井机在江汉完成样机试制。1985年以技

XJ135、XJ150。在产品系列上与美国已无差异。

常规修井机均为车载式,采用专用底盘(少数额定载荷600kN以下的小吨位修井机也采用通用二类底盘),满足前后桥驱动形式,车桥数从2桥至7桥,液压助力转向,双管路制动。行驶和作业共用一套动力系统,多采用车台柴油机+液力机械传动箱。大吨位修井机(如XJ1000)采用双机并车,以保证较大的输出动力;小吨位修井机有底盘柴油机全功率取力,配液力变矩器和机械变速箱

[1]

或纯机械变速箱的方案。绞车分单、双滚筒2种,主刹采用带刹,辅刹多为水刹车或气控水冷盘刹。配桅杆形带绷绳井架,多为2节伸缩式,液压起升及伸缩。为缩短整车长度,增强通过性能,也设计制造了液压起升、3节井架钢丝绳伸缩的修井机。井架按大腿材料分角钢、圆管、矩形管3种形式。中型以上修井机配置旋转系统,钻台按结构分整体式(低于217m)、伸缩分体式(218～415m)和折叠式(高于415m)3种。控制系统采用传统的液、气、电控制方式,整体上处于手动操作阶段,与钻机相比还存在相当大的差距。

(2)海洋修井机　国内厂家为海洋采油平台

[2]

设计配套修井机始于1996年。中海油天津分公司、湛江分公司、深圳分公司、中石化胜利油田的在用海洋修井机已超过30台套。

海洋修井机分平行和垂直2种布置方式,多采用柴油机配液力机械传动箱,使用塔形井架或直立套装无绷绳井架。已经形成最大钩载900、1125、1350、1580、1800和2250kN的产品系列,修

贸结合方式与美国IRI公司签订修井机技术转让合同,经过中方人员赴美接受设计和制造技术培训,美方专家到工厂指导散件组装的过程,促使我国修井机技术发展发生了质的飞跃。据不完全统计,2004年我国修井机年产量超过300台,已位居世

界前列。国产修井机已成为国际市场的热销产品,出口到美国、加拿大、墨西哥、印尼、印度、叙利亚、中亚、南美、西欧等国家和地区。修井机研制的领先企业更是创出一次向美国销售30台修井机的骄人业绩。正值修井机技术引进20年之际,我国修井机发展面临内部竞争加剧以及全面进入海洋和国际市场,有必要从技术层面认清现状,展望未来,以保持良好的发展势头。

技术现状分析

现从产品开发、设计技术、工艺及质量控制3个层面对我国修井机发展现状进行描述和分析。

11产品开发

(1)常规修井机　用于平原、丘陵、山地、戈壁、沙漠边缘(包括有公路通达的沙漠腹地)基本型式的修井机,经过20多年的持续开发,已经形成额定钩载200～1500kN,最大钩载500～1800kN完整的产品系列,主要产品型号有XJ150、XJ250～XJ750、XJ1000;XJ20、XJ40～

2005年　第33卷　第10期

1

谢永金:我国修井机发展的技术现状与展望　　　　　　—73—

井深度最大达7500m(󰂋3/2英寸钻杆)。制造厂家已具备完全配套能力,即除主机外,依据海洋作业环境和平台提供的条件,对钻井泵及钻井液净化系统、井控系统、油气水电供给系统、井口工具等综合配套,成套交付使用。国产海洋修井机完全能够替代国外产品。2004年为科麦奇中国有限公司生产的KMG/HXJ180DB海洋修井设施是国内首次开发的变频电驱海洋修井成套设备。传动方式为AC—VVVF-AC(绞车、转盘)/AC-SCR-DC(钻井泵)。单滚筒绞车,配风冷液压盘式刹车,能耗制动,可实现自动送钻。井架首次采用前开口式无绷绳K形直立套装自升式井架,分为5段,靠绞车动力带动大钩将底座以上各段依次提升到位。有效工作高度达41m,满足平台吊机能力,底跨(正面×侧面)为5m×416m,司钻视野和操作空间开阔。此套设施在完善已有设计基础上应用多项新技术,代表了海洋修井机的发展水平。(3)特殊修井机　国内厂家和研究机构在常规修井机的基础上,研制了沙漠修井机、液压蓄能修井机、修井洗井车、不压井修井机等特殊产品。

沙漠修井机为单滚筒车装自走式,采用重载车桥和大型沙漠轮胎,全轮驱动。最大钩载1580kN,配功率530kW柴油机,柴油机和空压机的空

开发的样机还存在诸多问题。

21设计技术

(1)有限元分析　熟练掌握此技术,对修井机的发展起到关键作用。主要厂家和院所使用AN2SYS、Pro/E、StruCAD×3D等软件对修井机结构件特别是井架和车架的强度、刚度、稳定性等综合受力情况进行分析,指导设计人员结构改进和优化设计,以适应不同工况和规范。这从根本上改变了修井机结构件依赖模仿设计的局面。主要厂家还建立了应力测试系统,能便捷地进行实物测试,将测试结果与分析数据进行比较,使结构件的设计更为可靠,从样机试制到定型生产的时间也大为缩短。一些研究人员还对修井机的修井曲线、载荷谱

[4]等项目进行了研究,发现修井机载荷均值服从正态分布,幅值服从威布尔分布,这为在有限元分析基础上进一步开展可靠性设计做了有益探索。

(2)载车与总体设计　根据整机要求和特殊路况设计制造的专用底盘,能配套更适合作业工况的动力及传动装置,更合理地布置车上部件,因而较通用底盘有更好的适用性。载车设计与修井机总体设计同步发展,从最初的5桥车,向两头扩展为2桥和7桥车。在不断完善设计扩展车型的过程中,成功解决了以下问题:①柴油机与液力机械传

[5]

动箱的匹配,大钩载荷特性优化;②双发动机并车,并车箱、分动箱和车架等结构的优化;③宽轮距、重载荷转向驱动和从动桥;④单前桥、双前桥驱动及桥间封锁,沙漠修井机全轮驱动;⑤刚性平衡梁悬挂、弹性及空气悬挂和多桥复合平衡悬挂;⑥液压助力转向和后桥随动转向;⑦低断面无内胎型宽胎和沙漠轮胎的应用;⑧空滤系统、驾驶室等适应风沙恶劣环境的改造;⑨底盘动力性能、行驶性能、通过性能和噪声的分析与试验。

(3)适应海洋平台的特殊设计　海洋平台首先是在设计环节接受新的理念,实现技术跨越。经过最初的挫折和10年的探索,现已能把握设计中的关键环节:总体布置适应平台条件和修井功能要求,每一口井对中作业,在偏载情况下保持设备性能稳定、运行安全;井架、纵横移动底座的结构优化;整机及移动底座抗风抗地震评价;严格的部件质量控制及模块化设计;安全通道、防护设施、保护装置的设计和配备;动力、电器及控制系统符合海洋平台要求的防爆设计;适应从式井的各类管线集中移运的拖链设计及整机防污染设计;钻井泵及钻井液净化系统、井控系统、钻井液管汇、井口工具等的成套设计;规范设计审核、设计变更,完善

滤系统特殊配置适用于风沙环境。内循环强制水冷绞车系统,适用于干燥高温条件。设计中考虑配套装置模块化,便于搬迁和安装。液压蓄能修井机以节能环保为出发点,取消井架、游车、天车、绞车、变速传动装置等常规修井机的传统部件,配置

[3]

简化,大幅度降低修井机的功率。1994年试制出第一台原理实验样机,2001年工业机投入使用。解决了有效蓄存能量、有效利用能量、能量的输出与回收等关键技术问题。在用主要机型为XXJ300/500,大钩提升力300/500kN(500kN用于处理事故),装机功率45kW,使用井场电网电力。修井洗井车集修井和洗井2种功能为一体,钻井泵装在车上,车台柴油机驱动绞车、钻井泵,也是底盘行走的动力。配备液压转盘,作业功能齐全。钻井液管汇直接与立管连接,减少作业面积和作业准备时间。在用机型为XJC350S/XJ250P,车台发动机功率300kW,额定钩载750kN,钻井泵最大工作压力20MPa,最大排量19L/min。

我国特殊修井机无论是种类和性能,还是使用范围,与北美地区相比都有明显差距。如国外不压井作业技术已处于很高水平,配套设备相对成熟,而国内还处在开发不压井修井设备的初级阶段,已

—74—　　　　　　石　油　机　械2005年　第33卷　第10期

技术资料的内容与形式,与国际接轨。

(4)CAD和PDM　在普遍应用二维CAD的基础上,部分企业已经开始三维设计,进行运动仿真和模拟装配。随着产品数据因产品发展和用户的个性化需求而日趋繁杂,规范技术数据,实现数据共享成为设计及其他过程的关键问题。主要厂家已成功实施PDM系统,功能模块包括项目管理、图文档管理、产品管理、报表管理、更改管理、流程管理和配置管理。PDM系统以产品结构管理为核心,综合各种待选件的产品结构随着产品发展而不断扩充。在得到客户的详细需求之后,设计人员以产品结构为基础对各种待选件逐一确认,生成客户化结构并转化为客户的设备配套BOM。在CAD界面中集成PDM零件、图档、结构查询功能,设计时可在线查询已有设计信息,利用成组分类编码,实现零件的相似型设计和最大程度的借用,提高设计效率,可形成只做最小修改就能满足客户需求的标准机型。通过和CAPP的集成,在产品结构建立后,融合相关工艺信息,进行工艺信息汇总。PDM也是制造企业推行ERP必不可少的基础环节。

31工艺及质量控制

(1)焊接和结构件制造　各厂家均具备较强的焊接和结构件制造能力,适应井架、钻台、车架等结构件的生产。焊接设备包括各类手工电弧焊机、气体自动保护焊机和氩弧焊机。主要厂家的焊接工艺执行美国ASME锅炉及压力容器规范和钢结构规范,严格执行焊接工艺验证制度,焊接规程通过DNV和CCS认证。在下料工序,一般都配备数控切割机、铣边机、卷板机等设备;在焊接过程中,配备大型组焊平台和工装;在检验工序,具备表面磁粉探伤、超声波探伤和射线探伤的能力。各厂家均注重焊工的资质培训,一批焊工取得DNV颁发的不同焊接位置的资格证书。

(2)表面处理　各厂家的产品表面质量通过不断改进喷漆工艺和钣金件制作,取得明显进步。主要厂家修建了大型喷砂(丸)处理室,在结构件涂漆前进行清洗和表面处理,表面处理等级达到GB8923—88标准Sa215级;修建大型喷烘漆房,满

壁零件,如发动机护罩、驾驶室、链条护罩等改进结构,采用冲压模具成型,保证表面平整光洁。

(3)数控加工　各厂家均注重机加工的数控改造,近几年配备了一批数控镗床、铣床、钻床、滚齿机、车床等金切设备。少数厂家从国外购买了加工中心,主要厂家的数控机床已达到金切设备的一半。关键件使用先进设备加工,如:里巴斯绳槽使用CQK61100卧式数控车床加工,转盘齿轮使用Gleason弧齿机加工,箱体使用数控镗床加工等等。主要厂家为进一步控制加工质量,还配备了三坐标检测仪,检测关键件的形位误差。

(4)毛坯及热处理　主要厂家长期以来一直注重毛坯质量攻关和热处理设备及工艺的提升,并取得明显成效。采用计算机群控系统,实现热处理设备全过程自动控制和集中监控。辉光离子氮化用于齿轮和轴类零件,达到表面耐磨和尺寸精密的目的;渗碳工艺实现碳势检测、渗层测定、温度控制自动化,渗碳质量得到保证;数控感应加热淬火实现零件双频和超音频淬火,使零件得到均匀硬化层。

毛坯质量攻关的关键是解决提升系统铸钢件的低温性能。在材料上采用低碳含镍钼合金钢,严格控制杂质元素S、P含量;在铸造工艺上采用树脂砂造型、有机脂水玻璃砂制芯、无冒口浇铸、凝固过程计算机模拟等新技术;在热处理工艺上采用双介质淬火,得到低碳马氏体组织。通过从原材料到热处理每一个环节的控制,-20和-40℃2个级别的低温性能合格率已长期稳定在理想水平。

(5)装配和试验　各厂家的修井机装配条件在近几年均不同程度得到改善,装配能力明显提升,主要厂家已达到出厂8台/月以上的能力。装配过程中,有保证液气管线和容器清洁度的技术措施。采用专业厂商制造的扣压式接头,对液气管线试压全检,使管线的渗漏现象大为降低。液气电管线的安装排放,从杂乱无章到整齐有序,特别是在海洋修井机上采用随动排放装置,使液气电路的装配水平跃上新台阶。主要厂家已具备修井机动载荷和静载荷试验能力,还模拟海洋修井机平台位移工况,建成了海洋修井机载荷试验装置。配有用于主滚筒、天车滑轮、刹车毂等部件的动平衡机,用于转盘和各种箱体的跑合试验装置,用于大钻、水龙头的拉力试验台架等。试验条件满足产品质量控制的要求。

足修井机整机和井架在喷烘漆房内喷漆、烘干。为满足海洋修井机的防腐要求,应用了喷铝防腐工艺,执行表面喷砂处理ϖ喷铝处理ϖ双组分环氧底漆ϖ双组分丙烯酸聚氨脂面漆工艺流程。对于螺栓、螺母、垫片、销轴等小型件,采用锌铬涂层(达可罗)工艺,涂层的防腐蚀性优于电镀锌、电镀镉、热浸锌,适应海洋天气、湿热气氛等条件。对于薄

发　展　展　望

设计技术和制造能力不断提高和完善,支撑着

2005年　第33卷　第10期谢永金:我国修井机发展的技术现状与展望　　　　　　—75—

我国修井机从单一产品到系列配套。今后仍将以技术进步为基础,以满足油田施工企业节能降耗、降本增效和HSE要求为主线,期待在产品的性能、适用性、可靠性、经济性等方面取得新的进展。

11运用先进成熟的传动和控制技术

(1)盘式刹车　用液压盘式刹车取代带式刹车作为绞车主刹,为司钻集中控制提供保证,同时解决刹车块频繁更换和机械式刹车连杆机构过长的问题。用钳压式气控盘刹或气控水冷盘刹取代水刹车作为辅刹。

(2)交流变频电驱动　海洋修井机可充分利用平台电力,用交流变频电驱动代替柴油机和液力机械传动箱,不仅可实现绞车、转盘无级调速,增强处理事故的能力,还可简化机械结构,实现自动控制。陆上修井机,在路况和井场电网条件适当的情况下,可采用半拖挂式交流变频电驱方式。

(3)集中控制　采用可靠的传感器、微处理器、控制软件,实现在司钻房对修井机各系统数据的采集和显示,包括转速、温度、压力、扭矩、游车高度、载荷特性曲线等。系统对动力传动装置全过程控制,采用盘刹淘汰刹把,实现操作提示、安全报警和故障诊断。

21开发移运便捷的产品(1)全套拖挂修井设备　修井机主机(含井

为静密封、冲程超过10m、密封压力42MPa以上

的不压井修井机,以适应带压修井作业的需要。

41争创国际知名品牌

Cooper、Ideco等品牌的修井机遍布世界各地,

影响力不可小视。国产修井机还未达到以上品牌的境界,需加倍努力,以品牌效应拓展国际市场。

首先,要研究各国有关修井作业工艺和设备的规范和标准,研究各国对设备移动的限制条件,研究适应寒冷地带、沙漠、海洋气候的通用材料和特殊装置,在现有产品基础上,完成适应不同国家和地区、不同气候条件要求的基本改进和优化设计。

其次,要进一步改进制造过程中的薄弱环节,重点是装配、表面处理和外包产品,在完善硬件条件的同时,更多地注重提高人员素质。

第三,要严格按质量手册、程序文件的规定运行ISO9000质量体系,从领导价值观、企业战略、资源配置、过程控制、分析与改进等各个环节落实追求卓越的思想,减少工作中的不符合项。

综上所述,我国修井机的发展经历了技术引进、消化吸收、创新开发的磨炼,实现了从陆上到海洋、从国内用户到国际市场的跨越。在综合制造方面,已走到世界的前列;在技术创新、特殊用途产品的开发方面,还有一定的差距。期望再用不到20年时间,我国修井机不仅在数量和品质方面,而且在品牌影响力方面都走在世界的前列。

参　考　文　献

1　徐忠明1轻型修井机的现状与开发展望1石油机械,

2000,28(2):48～51

2　喻贵民,仵雪飞1海洋修井机国产化进程及发展方向1

架)自走,包括钻台、固控系统、野营房在内其

它全部设备实现半拖挂或全拖挂移运。

(2)简易钻台修井机　强化动力水龙头的质量和性能,配备动力水龙头进行旋转作业,取消笨重的钻台及转盘系统,代之以拆卸、移运、升降灵活方便的简易工作平台。

(3)快移式海洋修井成套设施　综合考虑作业甲板空间、吊机能力,尽可能简化结构,功能模块化,便于吊装搬迁,实现同一区块内多座平台共用一套修井设施。

(4)直升机吊装修井机　根据直升机的吊运能力,将修井机精确分解为若干适应高空吊运的小型模块,并能在现场快速方便地连接安装,满足森林、沙漠等无公路条件下的油井作业。

31适应不压井作业的需要

不压井作业以保持地层能量,不污染地层,节约放喷、压井、洗井等费用和作业时间的优势,受到国内油田的重视。油田在开展不压井技术试验与推广中存在防喷器胶芯寿命短,管柱提升速度慢的问题,严重影响生产效率。需要改变技术路线,从改变密封方式、提高作业速度入手,开发改动密封

中国海上油气(工程),2003,15(3):49～52

3　顾心怿,潘　伟,张爱恩等1具有节能和环保优势的液

压蓄能修井机1石油机械,2003,31(增刊):42～44

4　王振庄1我国修井机技术发展的过去和未来1石油矿场

机械,2001,30(增刊):1～3

5　陈秉衡1关于修井机总体设计的若干问题1石油机械,

1986,14(4):38～42

作者简介:谢永金,生于1963年,1982年毕业于华中工学院机械制造专业,曾参与修井机技术引进工作,现从事油田机械制造和设备的管理工作。地址:(433124)湖北省潜江市。E-mail:xieyj@jhpa1com1cn。

收稿日期:2005-08-12

(本文编辑　王志权)