XJ675YZ液压蓄能修井机的开发与应用.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 3年第4 1卷第 l 2期 ●油气 田开发工程 x J 6 7 5 Y Z液压蓄能修 井机 的开发与应用 刘 炜光 盛拥军 马金福 1 ．胜利石油管理局设备管理处2 ．胜利油田孚瑞特石油装备有限责任公司 摘要 在沿用顾心怡 院士原发 明专利 的基础上，研发并优化设计 了 X J 6 7 5 Y Z液压蓄能修 井 机。该修井机采用电机驱动液压泵提供作业动力，并通过特殊的液压控制系统将作业过程中非提 升时间的动能和管柱下放时的势能转化为液能储存起来，在提升管柱时再利用储存的能量。优化 设计 内容包括 主油缸提升能力优化设计；刹车阀缓冲优化设计 ；滑阀换 向缓冲优化设计 ；底盘 载荷布置优化设计及无绷绳抗风载稳定性的优化设计等。该型修井机装机功率小 ，可以直接使用 井场变压器，接电相对安全便捷。和传统机械修井机相比，节能3 0 ％，作业噪声降至6 5 d B，更 符合低碳经济需要。 关键词液压驱动；蓄能；修 井机 ；节能 中图分类号 T E 9 3 5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 3 ． 1 2 ． 0 2 9 De v e l o p me n t a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e XJ 6 7 5 YZ h y dr a ul i c En e r g y- s t o r i n g W o r k o v e r Ri g L i u We i g u a n g S h e n g Y o n g j u n Ma J i n f u 1 ． D e p a r t m e n t o fE q u i p me n t ， S h e n g l i P e t r o l e u m A d mi n i s t r a t i o n 2 ． F r e e t P e t r o l e u m E q u i p m e n t C o ． ， L t d ． ， S h e n g l i O i lfie l d Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f u s i n g Ac a d e mi c i a n Gu Xi n y i ’ S o rig i n a l p a t e n t ，t he de v e l o p me n t a nd d e s i g n o p t i mi z a t i o n o f t h e X J 6 7 5 Y Z h y d r a u l i c e n e r g y - s t o r i n g w o r k o v e r r i g w e r e c o n d u c t e d ． T h e r i g a d o p t s mo t o r t o d ri v e h y d r a u l i c p ump t o p r o v i d e o p e r a t i ng p o we r ．I t c o n v e ys t o t he flu i d e n e r g y f o r s t o r a g e t he k i n e t i c e n e r g y i n n o n- l i ft i ng t i me a n d t he p o t e n t i a l e n e r g y i n s t r i n g l o we r i ng t h r o u g h t h e s p e c i a l h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m． Th e s t o r e d e n e r gy wi l l be us e d i n l i fti n g s t rin g ． Th e d e s i g n o p t i mi z a t i o n c o v e r s t h e l i fti n g c a pa c i t y o f ma i n o i l c y l i n d e r，b r a ke v a l v e b u f f e r i n g，s l i de v a l v e r e v e r s e b u f f e r i n g ，c h a s s i s l o a d a r r a n g e me n t a n d g u y l i n e f r e e w i n d l o a d r e s i s t a n c e s t a b i l i t y ． T h e w o r k o v e r ri g h a s a s ma l l i n s t a l l e d p o we r ． I t c a n di r e c t l y u s e t h e we l l s i t e t r a n s f o r me r ． Th e e l e c t r i c t e r mi na l i s r e l a t i v e l y s a f e a n d c o n v e n i e n t ． Co mpa r e d wi t h t h e t r a d i t i o na l me c h a n i c a l wo r k o v e r r i g，i t s a v e s e n e r gy b y 3 0％ ．I t s o p e r a t i n g n o i s e d e c r e a s e s t o 6 5 d B． T he r e f o r e，i t i s mu c h mo r e i n a g r e e me n t wi t h t h e r e q ui r e me n t o f l o w c a r b o n e c o n o my ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c d riv e； e n e r g y s t o rin g； wo r k o v e r r i g； e n e r g y s a v i n g 0 引 言 随着全球性的能源价格上涨 ，以柴油机为动力 的传统修井机运行成本不断升高⋯，如何通过技 术创新实现节能降耗和降低油田开发成本已成为油 田企业面临的紧迫课题 _ 2 j 。另一方 面 ，随着 绿色 低碳要求的不断提高，石油企业必须高度重视节能 减排产品的开发和应用 。液压蓄能修井机是胜 利油 田以顾心怿院士为首 的科技人员于 1 9 9 2年发 明的新型石油修 井机。由于制造技术落后等原因， 多年来仅局限于单机试验I生 生产与使用。 在认真调研和总结经验的基础上，通过对影响 整机使用可靠性、耐用性的主油缸、双联滑阀、刹 车阀、滑阀换向缓冲机构和底盘载荷布置等关键部 件进行优化设计和采用新的制造工艺，胜利油田孚 瑞特石油装备有限责任公司在 2 0 1 2 年研发了新一 代 X J 6 7 5 Y Z液压蓄能修井机样机，样机现场试验 效果较好， 通过了中石化专家评审，并已开始投入 批最 生 产 2 0 1 3年 第4 1卷第 1 2期 刘炜光等 X J 6 7 5 Y Z液压蓄能修井机的开发与应用 1 技术分析 1 ． 1 基本配置 X J 6 7 5 Y Z 液压蓄能修井机为车载式小型修井作 业设备 ，主要 由底 盘、动力 系统 电机和泵 、 提升系统 主油缸和轮系 、蓄能系统 氮气包和 蓄能缸 、智能控制系统 P L C、液压阀及 管路 、 电气系统等 6 部分组成 见图 1 。 1 - - - 6 X6修井机专 用底 盘；2 一氮气包 ；3 一蓄能缸 ；4 m油箱机 泵 组 ； 5 一配 电柜 ； 6 一 台上 操作室 ； 7 一拉杆 ； 8 -- 旋转平 台 ； 9 m 定轮 ； 1 0 一变 幅油 缸 ； 1 1 一 主 油缸 ； 1 2 一 天 车总成 ； 1 3 一 滑车 。 图 1 X J 6 7 5 Y Z型液压蓄能修 井机基本 配置图 F i g ． 1 D i a g r a m o f b a s i c c o n f i g u r a t i o n f o r X J 6 7 5 Y Z wo r k o v e r r i g 该修井机应用了多种先进技术 ，包括 电机驱动 恒功率变量泵、多级差动液压缸、氮气蓄能器以及 智能控制等 J 。 1 ． 1 ． 1 自走式专用底盘 整机采用 中国重型汽车集 团泰安五岳专用汽车 有限公司生产的专用底盘 ，具有整车载质量大 、车 身短的特 点。驱 动形式 66 ，车身承 载能力 大。 车桥选择军用重型车轿 ，前一后二布置方式 ；装配 重载越野轮胎 ，越野能力强。采用平头单座全金属 结构驾驶室 ，视野开阔。 1 ． 1 ． 2 动力系统 由大、小2台防爆电动机分别驱动 2台恒功率 变量泵为作业系统提供动力。 1 ． 1 ． 3 提升 系统 主油缸采用四腔差动组合式，行程 4 8 5 0 m m， 缸径 3 2 0 m m 。游动系统包括整体箱式结构天车、 滑车和钢丝绳。 1 ． 1 ． 4液压操 作 系统 该系统包括作业操作阀和支腿操作阀 J 。 1 ． 1 ． 5 智能控 制 系统 通过 P L C控 制 电磁 阀实 现操 作 系统 的 集 成 化_ 9 j ，简化操作要求；液晶屏可即时显示各种作业 数据；系统还可实现计长、计重 、车辆平衡等方面 的电脑化。 1 ． 2工 作原理 X J 6 7 5 Y Z液压蓄能修井机通过在操作室内对阀 组的控制操作 ，使机泵组泵出的高压油进入主油 缸 ，主油缸的活塞杆伸出 ，同时带动大钩上升 ；在 大钩下放 过程 中，机泵组 泵 出的高压 油进 人蓄能 缸 ，通过高压油压缩蓄能缸和氮气包内的氮气 ，将 作业过程中非提升时间的动能和管柱下放时的势能 储存起来 ；当再次需要起升大钩时 ，蓄能缸储存 的 高压油和机泵组泵出的高压油同时作用使得主油缸 活塞杆伸出 ，带动大钩上升 j 。 1 ． 3 主要技术参数 额定钩载 4 0 0 k N，最大钩载 6 7 5 k N，起 升高 度 1 3 ． 0 ／ 1 4 ． 5 m，修井 深度 3 2 0 0 m 3 ． 0 3 mi n 油管 ，运 行功率 5 5 ／ 6 7 k W，最 大提升 速度 1 ． 3 m／ s ，行程放大 比例 1 3 。氮气包容积 6 2 0 L ，额 定压力 1 6 M P a 。蓄液缸容积 2 0 0 L ，压力 2 1 MP a 。 2 关键技术 2 ． 1 差动主油缸结构与提升能力的优化设计 利用液压油缸的差动原理实现不同缸径在进回 油时产生的提升和下压组合力。如图2所示，A油 口、B油 口进油 时主油缸 活塞杆 向上伸 出；C油 口、D油 口进油时主油缸活塞杆向下缩 回，通过液 压阀的操作控制 A、B、c、D 4个油 口不 同的进 、 回油 ，实现系统不同的提升动力和提升速度。 A油 D油 口 C 油 13 B 油 口 图2主油缸 工作原 理图 F i g ． 2 Di a g r a m o f o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f ma i n c y l i n d e r 石油机械 2 0 1 3年第4 1 卷第 1 2期 2 ． 2 液压动力源系统的优化设计 根据系统提升需求液压油量及配套驱动电机的 计算需求 ，选取优化的动力配置 ，设计专用 的液压 系统 见 图3 ，确保设备实现连续作业施工需要。 1 一低压球阀 ；2 一 D F型蝶阀 ；3 一泵机组 ；4 一单流 阀；5 一单 向节流 阀；6 一 液控单 向阀；7 一液压钳 ；8 -- 快 速 接 头 ； 9 一溢 流 阀 ； l O 一铝 制换 热器 ； 1 1 一 压力 表 开关 ； 1 2 一 蓄能缸 ； 1 3 一 氮 气包 ； l 4 一压 力 表 ； 1 5 一 两 位 三 通 大滑 阀 ； l 6 一 手动 多路 阀 ； 1 7 一 刹车 阀 ； 1 8 一主 油缸 ； 1 9 一 手动多路 阀 ； 2 0 一 支腿 油缸 ； 2 1 一 变 幅油缸 。 图 3液压 系统原 理图 F i g ． 3 D i a g r a m o f h y d r a u l i c s y s t e m p r i n c i p l e 2 ． 3 液压控制双联滑阀缓冲结构优化设计 2 ． 4 液压控制刹车阀缓冲结构的优化设计 为实现系统提升和下降时差动主油缸的大油量 需求 ，设计先导 阀控 制的大流量双联滑 阀 见 图 4 ，同时对 滑阀的结构进行优化设计 ，保 证滑 阀 运行时的连续缓冲，以保证主油缸运行 的平稳。 图 4 双联滑 阀优化设计 图 F i g ． 4 Di a g r a m o f d u p l e x s l i d e v a l v e d e s i g n o p t i mi z a t i o n 液压蓄能修井机采用新型液压刹车系统 ，通过 刹车阀 见图 5 控制主油缸的通断油实现终止油 缸动作 ，从而达到传统意义的刹车 目的。设计 了一 种能够安全 、及时地控制液压油通断，同时又要克 服常规的液压冲击实现刹车平稳的结构 。 2 ． 5 主要结构件在运移底盘上的合理布置 修井机关键零部件支架、旋转平台、主油 缸、蓄液缸、氮气包、泵组、液压油箱、散热器、 操作室及电气控制柜等在自 走式运移底盘上的合理 布置，使得整机在重心、前后桥载荷分配等技术参 数方面设计合理。 2 ． 6 作业状态下稳定性的优化计算 该计算须满足 8级风、钩载 4 0 0 k N 、无绷绳 条件下支腿布置的合理性。作业状态下将液压蓄能 修井机承载的倾覆力矩与在风载外力作用下产生的 2 0 1 3年 第4 1卷第 1 2期 刘炜光等x J 6 7 5 Y z液压蓄能修井机的开发与应用 倾覆力矩进行计算 比较 ，保证整机的稳定性 。 1 一 接 口挡板 ；2 一缸套 ；3 一活塞 ；4、2 9 ～耐磨环 ；5 、3 O u 形 密 封 圈 ； 6、 1 2、 2 3 ～ 内六 角 螺 钉 ； 7、 1 3、 2 4一 弹 簧 垫 圈 ； 8一 缸 套连 接 法 兰 ； 9 一 定位 活 塞 ； 1 0 一 缸 套通 丝 法 兰 1 1 一 六角 螺母 ； 1 4 一连接法兰 ； l 5 一接 口法兰 ； 1 6 一 出油 口缸套 ； 1 7 一 背紧 螺 帽 ； 1 8 一 紧 定 螺 钉 ； 1 9 一 阀 心 ； 2 0、 2 2、 2 6、 2 8 一 O形 密封 圈 ； 2 1 一 刹 车 阀阀座 ； 2 5 一 法 兰接 头 ； 2 7 一 进 油 口阀套 。 图 5 优化设计 的刹 车阀结构示意 图 F i g ． 5 S t r u c t u r a l d e s i g n o p t i mi z a t i o n o f b r a k e v a l v e 3 现场应用 X J 6 7 5 Y Z液压蓄能修井机样机完成优化设计 、 组装 、工厂试验后 ，于 2 0 1 2年 4 7月先后在胜利 油 田东辛采油厂辛 3 7 X 9、营 1 3 X 1 3 4等 1 1口井进 行了现场试验 ，试验情况总结如下 。 1 节 能效果 明显 。现 场试验 以辛 3 7 X 9 井 井深 1 6 0 0 m为例 ，耗能 4 2 7 k W／ h ，传统柴 油机械作业机 同工况油耗为 2 5 0 L ，以能耗标煤计 算新研制的液压蓄能修井机较传统柴油机驱动的机 械式修井机节能 3 0 ％。 2 噪声低 ，绿色环保。现场 作业测试 噪声 8 O d B ，较传统柴油机械作业机 1 0 0 d B明显降低， 满足标 准要 求的生活作业 区噪声低 于 8 5 d B的要 求。液压刹车杜绝传统的带式刹车的粉尘污染。 3 采用无绷绳作业 占地面积减少 ，更加适合 野外狭小井场或城市 、居民区等特殊地域井场作业。 4 采用 P L C控制操作 ，与现代 的全液压工 程机械操作技术基本 同步，通过现场培训能较好地 掌握该设备的操作技能 ，操作时较省力 ，工人劳动 强 度低 。 4 结 论 1 x J 6 7 5 Y Z 液压蓄能修井机运用现代成熟 的液压技术 ，通过蓄能系统将非作业时间的能量合 理利用 ，并采用 P L C控制技术 ，提供 了一 种新型 作业机模式 。 2 通过对影 响整机使用 的主油缸 、双联 滑 阀、刹车阀等关键部件进行优化设计 和采用新 的制 造工艺 ，提高了整机运行的可靠性。 3 现 场试验结果 表明 ，x J 6 7 5 Y Z液压蓄能 修井机具有安全环保 、节能高效 、适应性强 、操作 方便等优点。 参考文献 刘金亭，刘荣志，黄远滨 ．作业设备的技术现状与 发展趋势 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 8 ，3 7 8 9 4 98 ． 尹文波，张慧峰 ，安庆宝 ，等 ． X J 7 0 D B电动修井机 的研制与应用 [ J ]．石油机械，2 0 1 3 ，4 1 5 8 8 91 ． 谢永金 ．我国修井机发展的技术现状与展望 J ]． 石油机械 ，2 0 0 5 ，3 3 1 0 7 2 7 5 ． 马西庚，徐峻涛，路茂增，等 ． X J 4 0型橇装式电驱 动修井机 [ J ]．石油机械，2 0 1 2 ，4 0 1 6 1 6 3． 冯定，柳进 ，潘浩，等 ．全液压修井机起升系统的 速度调节方法 [ J ]． 机床与液压，2 0 1 1 6 5 5 5 7． 杨志远 ，冯定，柳进 ，等 ．液压修井机的节能技术 [ J ]．液压与气动，2 0 0 9 1 0 5 4 5 6 ． 刘健，蒋世全 ，殷志明 ．液压蓄能修井机在海洋平 台上的应用研究 [ J ]．中国造船 ，2 0 1 1 增刊 2 38 63 91 ． 张连业，吴文秀，刘威 ． x J 2 5 O修井机液压盘式刹 车液压控制系统仿真分析 [ J ]．石油机械，2 0 1 2 ， 4 O 9 4 9 5 3 ，7 7 ． 赵增辉 ． X J 7 0 D B Z电动修 井机 变频 控制 系统设 计与 应用 [ J ]．电工技术，2 0 1 3 5 4 1 4 2 ． 冯定，杨志远，柳进 ，等 ．液压修井机现状与发展 趋势 [ J ]．石油机械，2 0 1 0 ，3 8 1 6 9 7 2 ． 第一作者简介刘炜光，高级工程师，生于 1 9 6 2年 ， 1 9 8 5年毕业于上海同济大学机械管理专业，现从事石油设 备管理工作。地址 2 5 7 0 0 0 山东省东营市。电话 0 5 4 6 8 7 1 0 2 5 9 。 E ma i l l i u w e i g u a n g ． s l y t s i n o p e c ． e o m。 收稿 日期 2 0 1 3 0 83 0 本 文编辑南丽华 ] ] ] ] ] ] ] ] ]