海洋油气生产平台液压解卡千斤顶.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 2年第 4 0卷第 1 2期 ●海洋石油装备 海洋油气 生产 平 台液压解 卡千斤顶 苏一凡 吴修德 汪永寿 1 ．中海石油 中国有限公司湛江分公司生产部2 ．长江大学机 械工程学院3 ．中国石油集团长城钻探工程有限公司苏丹项 目部 摘要鉴于海洋油气生产平 台修井机提升能力不足 的问题，研制 了海洋油气生产平台液压解卡 千斤顶。该液压解卡千斤顶主要 由同步顶升装置、液压站和控制系统 3大部分组成。 同步顶升装置 采用4个液压缸 同步运动来实现顶升解卡，液压站采用美国 D Y N E X多出口、超高压、大流量柱塞泵 及变频控制电机。采用位移、压力传感器和西门子可编程控制器构成位置检测与控制系统，可实现 精确的顶升位移和顶升力控制。现场试验情况表明，该液压解卡千斤顶投资成本低，安装周期短， 操作简单，可靠性高，适应性广 ，能够满足海洋油气生产平台上复杂解卡工艺的要求。 关键词 海洋油气；液压；解卡 ；千斤顶 ；P L C；生产平 台 中图分类号 T E 9 5 3 文献标识码A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 2 ． 1 2 ． 0 1 4 Hy d r a u l i c Un f r e e z i n g J a c k f o r Offs h o r e P r o d u c t i o n P l a t f o r m S u Yi f a n W u Xi u d e 1 ． P r o d u c t i o n D e p a r t m e n t o f Z h a n fi a n g S u b s i d i a r y ，C N O O C 3 ． S u d a n P r e c t D e p a r t m e n t of G r e a t w a l l D r i l l i n g C o ． ，L t d ． ，C N P C W a n g Yo n g s ho u 2 ． C o l l e g e of Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，Y a n g t z e U n i v e r s i t y Ab s t r a c t Du e t o t h e i n s u ffic i e n t l i fti n g - u p c a p a c i t y o f wo r k o v e r r o f o f f s ho r e p r o d u c t i o n p l a t f o r m ，t h e h y d r a u l i c u n f r e e z i n g j a c k w a s d e v e l o p e d ． T h e j a c k ma i n l y c o n s i s t s o f s y n c h r o n o u s j a c k i n g u p d e v i c e ，h y d r a u l i c s t a t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ． T h e d e v i c e a d o p t s t h e s y n c h r o n o u s m o t i o n o f f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s t o a c h i e v e j a c k i n g u p a n d a n f r e e z i n g ． T h e s t a t i o n a d o p t s t h e Ame r i c a n DYNE X p u mp w i t h mu l t i p l e o u t l e t s ，s u p e r h i g h p r e s s u r e a n d l a r g e d i s p l a c e me n t a s we l l a s v a r i a b l e fre q ue n c y c o n t r o l mo t o r ． Di s p l a c e me n t s e n s o r ，p r e s s u r e s e n s o r a n d Si e me n s p r o g r a m ma b l e c o n t r o l l e r a r e a d o p t e d t o f o r m t h e p o s i t i o n t e s t i n g a n d c o n t r o l s y s t e m． T h e p r e c i s e j a c k i n g u p d i s p l a c e me n t a n d j a c k i n g u p f o r c e c o n t r o l c a n b e a c h i e v e d ． T h e fi e l d a p p l i c a t i o n s h o w s t h a t t h e j a c k i s l o w i n t h e c o s t o f i n v e s t me n t ，s h o r t i n i n s t a l l me n t c y c l e，hi g h i n r e l i a b i l i t y a n d e x t e n s i v e i n a p p l i c a b i l i t y．I t c a n s a t i s f y t h e r e q ui r e me n t o f t h e c o mp l e x u n fre e z i n g t e c h n o l o g y for t he p l a t f o rm ． Ke y w o r d s o f f s h o r e p e t r o l e u m；h y d r a u l i c u n fr e e z i n g ；j a c k ；P L C；p r o d u c t i o n p l a t f o r m 0 引 言 在油 田修井作业过程中，起油管 、提钻杆遇阻 而需要解卡的情况时有发生 ，如果修井机提升能力 不足则无法实现修井 目的。随着海洋油气生产平 台 投产年份的增加，许多生产平台修井机因提升能力 限制都面临着油管封隔器解封困难的问题 。提高其 提升能力的途径有 2条①改造平台现有修井机， 使其提升能力提高；②租用自升式悬臂梁油气生产 平台实施修井作业。改造修井机或租用自升式悬臂 梁油气生产平 台均存在作业周期长 、投资成本高的 局限性 。因此 ，研制一种性能可靠 、操作简单 、适 用于海洋油气生产环境的液压解卡千斤顶 ，依托现 有海洋油气生产平 台修井机 ，加大提升能力 ，对满 足油管 、钻杆解卡的需要具有重要 意义 。鉴 于此 ， 研制了海洋油气生产平台液压解卡千斤顶。 1 技术分析 1 ． 1 总体结构 依据海洋油气生产平 台修井作业的要求 ，液压 2 0 1 2年 第4 0卷 第 1 2期 苏一凡等海洋油气生产平台液压解卡千斤顶 解卡千斤顶的主要设计要求为 额定顶 升力 2 0 0 0 k N，最大行程 1 m，最 大顶升速度 为 0 ． 5 m ／ m i n ， 同步顶升位移误 差 2 m m，且顶升力 和顶 升速度 无级可调 ，适合海洋油气生产平台恶劣工况下的装 卸 、使用和防爆 、防腐等要求 。 海洋油气生产平台液压解卡千斤顶主要由顶升 装置 、液压系统和控制装置 3部分组成 。按照顶升 装置的机械结构形式 ，液压解卡千斤顶的典型顶升 方案主要有单缸、双缸和多缸顶升等形式 ，一般采 用单级或多级活塞式液压缸 。 J 。单缸顶升方案的 控制简单 ，但顶 升力相对较 小 ，应设 计防顶偏结 构 ；双缸或多缸结构的顶升力较大 ，但需要实现多 缸同步控制 ，控制系统相对比较复杂。 针对双缸或多缸顶升装置的同步控制要求 ，有 3种典型的控制方式 ①采用分流 阀来实现多缸 同 步控制 。该方案结构简单 、成本低 ，控制精度主要 受分流阀 的影 响，一般不 高 ，且容 易 出现顶偏 现 象。②设置位移传感器 ，采用比例流量阀或伺服阀 控制进入液压缸 的流量 ，构成 闭环控制系统 ，其控 制精度很高 ，但控制系统 比较复杂 ，整个装置 的成 本较高。③采用多泵供油 ，通过流量控制来实现多 缸的同步动作 。该方案控制简单 ，但整个液压系统 的体积较大 ，且因为需要多个液压泵 ，相应地会增 加成本 ，其控制精度 主要 受泵 流量控制精度 的影 响。因此 ，液压解卡千斤顶采用类似于多泵供油 同 步顶升 的控制方案 ，用 4个液压缸来 实现 同步顶 升 。采用美 国 D y n e x超高压 、大流量 、四输出的柱 塞泵供油，它具有体积小、流量控制精度高的特 点，从而使控制系统结构简单，也可减轻整个装置 的质量和减小其体积 。 液压解卡千斤顶总体结构如图 1 所示 ，主要由 顶升装置 、液压软管 和液压 站等组 成。基 于 P L C 的防爆控制箱安装在液压站上 。考虑到液压解卡千 斤顶的使用安全性和控制复杂性要求 ，选用西门子 P L C s 7 2 0 0 作为 系统 的控制核心 ，采 用拉绳 式位移传感器进行实时位置检测。 1 ． 2 顶升装置 液压解卡千斤顶 的顶升装置结构如图 2所示 。 在修井机钻 台转盘面上放置液压缸基座 ，4支液压 缸安装在液压缸基座相应护套内，液压缸顶端安装 卡瓦座 ，卡瓦座 内的卡瓦和转盘面卡瓦同时卡紧油 管 ；根据井下油管受阻遇卡情况 ，控制液压站操作 手柄 ，4支液压缸缓慢上升顶推卡瓦座 ，此时卡瓦 自动收紧并带动油管上行 ，而转盘面卡瓦在油管上 行同时 自动松脱 ，任由油管上行 ；当 4支液压缸缓 慢上升至极限后开始回缩；当液压缸活塞杆缩 回时， 推卡瓦座同步 回落 ，卡瓦 自动松脱下行 ；油管在卡 瓦下行的同时也将下行 ，并 带动转盘面卡瓦下行 ， 同时卡紧油管 ；4支液压缸反复上升、下行可实现 油管在井下部分解卡。各个油缸均可 以单动 ，也可 以联动，单动时可对卡瓦座的某一边位置进行微调。 图 1 液压解卡 千斤顶 总体 结构 示意图 F i g ． 1 O v e r Ml s t r u c t u r a l d i a g r a m o f h y d r a u l i c u n fr e e z i n g j a c k l 一油管 ；2 一上卡瓦 ；3 一 卡瓦座 ；4 一转盘面 卡瓦 ； 5 一 顶 升液 压 缸 ； 6 一 护 套 ； 7 一 液 压 缸 基 座 ； 8 一 转盘 面 ； 9 ～ 液压软管 ； 1 O 一 液压站 。 ／1 膨／ 图 2顶升装置 结构 示意 图 F i g ． 2 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f l i ffin g u p d e v i c e 1 一 油管 ；2 一卡瓦 1 ；3 --卡瓦座 ；4 一 液压缸 ； 5 一卡 瓦2； 6 一 护套 ； 7 一 液压缸 基座 ； 8 一 转盘 。 1 ． 3 液压系统 液压解卡千斤顶的液压系统原理如 图 3所示 。 液压系统主要包括液压站 、液压油缸和各种液压阀 及管路 。采用 中位机能为 H 的三位 四通 电磁换 向 阀来控制液压缸活塞杆的运动方向。采用平衡 阀组 2来实现液压缸 的自锁及平衡功能。 液压系统的动作有顶升、悬停 、下降①顶 升 ，让 1 Y A ／ 3 Y A ／ 5 Y A ／ 7 Y A同时通 电，使 电磁换向 阀处于左位，压力油从柱塞泵经换 向阀、平衡阀组 进入液压缸的下腔，液压缸开始顶升；实际的顶升 压力由载荷确定 调整安全阀可确定最高工作压力 ， 2 0 1 2年 第4 O卷第 1 2期 刘 合等 油田井下微型水轮机的数值分析与研究 一 6 3一 足井下供电蓄电池的充电要求 ，得到如下结论 1 所设计 的井下高 比转速微 型轴流式水轮 机 ，可通过增加叶片的数量来提高水轮机的整机效 率 ，本设计采用 5片 ； 2 通过增加转 轮直 径和叶片厚度可 改善转 轮叶片正背面承压能力 ，并通过数值模拟验证 了改 进后转轮叶片翼型性能的优越性 ； 3 开展样机 测试 ，当流量大 于 3 5 ． 2 3 m ／ d 时可满足微型发电机额定转速要求 。 4 基于微 型水 轮机 的油 田井下 电能转化技 术可取代非接触式 电能转换器 ，为以机 电一体化为 特色的采油工程技术提供了技术保障。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 刚振宝，卫秀芬 ．大庆油田机械分层注水技术回顾 与展望 [ J ]．特种油气藏 ，2 0 0 6 5 4 9 ． 丁晓芳 ，张一羽，刘海涛 ．双管分层注水工艺技术 的研究与应用 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 9，3 7 1 0 5 O一51 ． 钱杰 ，沈泽俊，张卫平 ．中国智能完井技术发展 的机遇与挑战 [ J ]．石油地质与工程 ，2 0 0 9 2 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 7 6 一 7 9． 林森 ，孟大伟 ，温嘉斌 ．注水井分层自动测调系 统的设计 [ J ]．自动化技术与应用，2 0 0 9 7 6 8 71 ． J i a D e l i ．Z h a o C h a n g j i a n g ．Z h a n g S h u j i n ． R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f s y n c h r o n o u s d y n a m i c t e s t a n d a d j u s t m e n t t e c h n o l o g y f o r n o v e l w a t e r i n j e c t i o n w e l l[ J ]． A p p l i e d M e c h a n i c s a n d M a t e ri a l s ，2 0 1 1 4 4 ／ 4 5 ／ 4 6 ／ 4 7 1 47 61 4 81 ． Wa n g F e n g s h a n ，J i a D e l i ，Z h a n g S h u j i n ． I d e n t i fi c a t i o n f r e e a d a p t i v e s e p a r a t e l a y e r w a t e r i n j e c t i o n c o n t r o l b a s e d o n e x p e rt a me n d me n t[ J ]． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ，2 0 1 1 4 4 ／ 4 5 ／ 4 6 ／ 4 7 1 4 7 01 4 7 5 ． 第一作者简介刘 合 ，教授级高级工程师，生于 1 9 6 1年，1 9 8 2年毕业于大庆石油学院机械系石油矿场机械 专业，2 0 0 2年获哈尔滨工程大学控制理论与控制工程专业 博士学位，现从事油 田开发和提高原油采收率研究工作， 任副总工 程师。地址 1 0 0 0 8 3 北 京市 海淀 区。电话 0 1 0 8 3 5 9 8 2 7 3 。 收稿 日期 2 0 1 21 01 0 本文编辑刘峰 上接第 5 8页 载 1 0 0 0 k N 另 2个液压缸空载 ，顶升行程 9 0 0 加载缸和未加载缸的位移误差小于 2 mi l l ； 3 调 速试 验 ，载荷 1 0 0 0 k N，行 程 1 0 0 0 m i l l ，改变 P L C中速度参数设置 ，使得液压 缸的顶 升速度 分别为 1 0 、2 0 、3 0 、⋯ 、1 0 0 ram ／ rai n ，实 测速度的平稳性较好 ，无低速爬行现象。 3 结束语 海洋油气生产平台液压解卡千斤顶 采用 P L C 构成控制系统 ，具有手动 、自动控制模式和多项报 警功能 ，可方便地控制顶升力和顶升速度 。该液压 解卡千 斤 顶体 积 小、质 量 轻 ，同 步 控 制 精 度 高 小于 0 ． 2 ％ ，最大顶升力可达 2 0 0 0 k N，系统结 构简单 。现场试验情况表 明，该液压千斤顶投资成 本低，安装周期短，操作简单，可靠性高，适应性 广 ，能够满足海洋油气生产平 台上复杂解卡工艺的 要求 。 使用该液压解卡千斤顶进行解卡时， 将可能使 修井机底座所受载荷大于设计载荷 ，实施作业前须 对修井机底座进行结构强度校核 ，保证修井机底座 结构的强度和稳定性。 参考文献 王迪 ，陈喜娟，刘依众 ． Y B J 一1 5 0型修井液压强 拔机 的研制 与应 用 [ J ]．石 油机 械，1 9 9 9 ，2 7 5 4 1 4 3 ． 张积明，李树臻 ．修井用液压式油管解卡装置中 国，0 2 2 1 4 0 4 9 ． 2[ P ]． 2 0 0 3 ． 方淑媛 ，王玉军 ．油管解卡装置的设计 [ J ]．胜利 学刊 ，1 9 9 8 ，1 2 4 2 3 2 5 ． 项凤 义，王 燕 ，隋莉莉 ．解卡助力器中国， 0 2 2 7 4 2 7 4 ． 3[ P]． 2 0 0 3 ． 魏昌进 ，黄印国 ．煤层气钻井辅助解卡装置中 国，2 0 1 0 2 0 1 0 8 9 4 6 ． 7 [ P ]． 2 0 1 0 ． 苏一凡，谢玉红，柯吕雄，等 ．海洋油气生产平台 修 井 用 油 管 液 压 顶 升 解 卡 装 置 中 国 ， 2 0 1 0 1 0 5 4 3 6 8 8 ． X [ P ] ．2 0 1 1 ． 第一作者简介苏一凡，高级工程师，生于 1 9 6 3年， 2 0 0 8年获长江大学机械工程专业硕士学位，现从事钻修井 设备管理 工作。地址 5 2 4 0 5 7 广 东省 湛江 市。电话 0 7 5 9 3 9 0 9 6 4 6 。Em a i l s u y i f c n o o c ． c o n ． e n 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 71 8 本文编辑南 丽华 ] J] J] ] j] j 1J _l _寸l