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修井机起升液压缸设计

www.bysj580.com / 2017-04-02
修井机起升液压缸设计
一、题目来源
生产实践
二、研究(设计)目的和意义
近年来,我国修井机的设计制造有了很大发展,尤其在引进了美国的一些修井机后,在设计思想上也有了一些变化。使我过的石油事业有了较大的竞争优势,然而相对与世界较先进水平国家,如美国,加拿大,俄国,罗马尼亚等国家在某些方面还是有稍微的差距。因此我们必须把握好当前修井机技术状况和发展趋势,以应对更加激烈的竞争。
液压缸是一种配置灵活、设计制造比较容易而且广泛应用的液压执行元件。尽管液压缸有系列化和专用系列产品,但由于实际需要千差万别,非标准液压元件设计不可避免。
液压技术对钻井装备的技术进步起到了重要作用。修井机上井架的起升是依靠液压缸来完成的,伸缩式多级井架的伸缩及底盘的升降也是靠液压缸来完成的。
这些液压系统基本上是引进国外同类产品技术经消化吸收设计而成。因此为进一步开发、应用液压技术,将先进的液压技术应用于钻井装备制造行业,提高我国钻井装备技术水平和市场竞争力,对研制、开发钻机液压部件,加大液压技术在国产钻机上的应用,在吸收技术的同时有自己的提升创新,提升国产钻机的性能,是非常有必要的。
我国每年要进行十多万次的各类修井和增产措施作业,修井机是各类油田作业中起下油管柱和更换井下工具的必须装备。
井架是修井的关键部件,承受主要的载荷,如果设计不当,会浪费原材料,甚至在使用中出现事故。因此将一些新技术,如有限元技术等应用到井架设计中,不但能缩短开发周期,而且使产品重量轻,满足强度、受压失稳和震动要求。
 
三、阅读的主要参考文献
[1]张元越.《液压与气压传动》[M].北京:西南交通出版社,2014.
[2]张勇等.国外石油修井机技术动态.石油机械[J],2003,特刊
[3]杨晓红,张邦成,陈兆峰.油田修井机井架的力学分析与优化设计[J].石油勘探与开发,2007.8,Vol.34No.4
[4]姚春东,许亚芬.Baker修井机起升系统[J].液压与气动,2001,第5期
[5]杨海学,张兆文,张强.液压技术在钻机上的应用现状及发展建议[J].石油机械,2004,第8期
[6]S.D.Maddox,HalliburtonEnergyServices.HydraulicWorkoverTechniques:TheirVersatilityandApplications.SPE27605
[7]Larsmunch-soegaard,author,SmedvigOffshoreAS,AmfinnnNergaard,co-author,SmedvigOffshoreAS.OffshoreDrillingExperiencewithDUALDerrickOperations.SPE/ADC67706
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[12]徐忠明.修井机井架起升油缸回路分析与设计计算[J].石油机械,ChinaPetroleumMachinery,2002年,02期;
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[14]李仕斌,王传平.海洋小平台修井机井架设计[J].石油矿场机械,2008,37(12):80~82
 
 
 
 
 
四、国内外现状和发展趋势
4.1 国内发展现状及趋势
我国常规修井机额定钩载200~1500KN,最大钩载500~1800KN等基本型式的修井机,经过近几十年的持续开发,已经形成整的产品系列,主要产品型号有XJ150、XJ250~XJ750、XJ1000;XJ20、XJ40~XJ135、XJ150。在产品系列上与美国已无差异。
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。
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。
大量运用三维设计,进行运动仿真和模拟装配,工艺及质量控制能力进一步提高。自动化控制机开始应用。
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。
目前修井机的起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置及制动装置等组成,各部分又包括一定数量的零部件,每个部件既相互联系又具有相对独立性。
当前国内无论是应用于陆地还是海洋,在用井架主要有塔形井架、前开口井架、A形井架及近10年来发展起来的K形井架,这四种井架各有其特点。
4.2 发展现状及趋势
从国外进口来的修井机,由于缺乏设计依据,需要我们分析出不同工况下井架的承载能力和安全性。
①整体化钻修井机系统设备配套
传统的钻修井机是由彼此相互独立的子系统构成,重要的信息不能由其它子系统共享,而现代的石油钻修井机正向着整体化钻修井机/钻井系统的方向发展。所谓整体化钻修井机/钻井系统是指将所有的钻井机械装备、监测仪表和数据处理设备相互联结起来的构成一个标准化的系统,通过计算机网络可实现所有设备的信息共享。该系统可在中央控制室进行完全的控制。因此可实现先进的自动化和优化工艺,提高作业效率,降低作业成本。
②盘式刹车与配套控制技术
美国NationalOilWell、Varco等公司已完成了盘式刹车能量监控系统和自动送钻系统的研究,并形成产品。其能量监控系统可预先设定游车行程、钩载以及提升系统能量的合理范围,并在钻井过程中不停地监测与计算,系统将根据监测与计算数据进行不同地控制,以保证作业安全。其自动送钻系统可在送钻过程中连续采集钩载,计算钻压,并不断发出信号控制盘式刹车,实现设定目标钻压下自动给进。
③顶驱钻井装置
顶部驱动钻井装置克服了转盘钻井方式存在的许多缺陷,被石油工业界广泛接受和普遍应用,成为国际钻井市场上的必备装置。顶部驱动钻井装置有液压顶部驱动装置和电驱动顶驱钻井装置。交流变频顶驱具有调速范围宽,电机无炭刷,防爆性能安全,功率因数高,重量轻等优点,且随着变频技术的不断完善,交流变频顶驱钻井装置已成为电驱动钻井装置的主流。
4)全液压可移动式钻修井机得到了人们的青睐
全液压可移动式钻修井机彻底改变了传统石油钻修井机的结构模式,利用倍程油缸和液压顶驱,代替了传统钻修井机的井架和地盘,配以自动化工具,整套钻修井机自动化程度高,仅两人就可操作整套钻修井机进行钻井作业。该钻修井机作业费用明显下降,占地面积小,搬家省事,噪音低。Soilmec公司开发的全液压可移动式钻修井机,大钩载荷从910kN至2720kN。其中,HH-300型钻修井机,动态钻井载荷可达1800kN,液压动力为1500HP。据soilmec公司统计,全液压可移动式钻修井机总钻井费用减少达40%,搬家费用减少50%,占地面积减少40%。
近年来,国际原油市场一直处于较高价位,带动了石油机械的发展,修井机发展的技术趋势为:
(1)提高修井机效率,主要是提高修井的起下速度和设备移运安装速度。国外特别是美国各厂家的修井机装机功率比较大,约每百米小修深度在kW,并努力提高修井机集装化水平。
(2)提高自动化水平,液压修井机可以显著减轻工人劳动强度,提高自动化水平,意大利Soilmec公司的液压修井机每班用工只2—3人;加拿大Kremco公司的液压排管机械可显著提高排管的效率。另外,动力水龙头、动力油管钳、动力卡盘、液压转盘的使用也越来越普遍。
(3)开发深井、超深井修井机,各厂家在不断开发深井、超深井修井机。美国National和HRI公司已有修井井深达9114m(刃3mm油管小修)的修井机,装机功率745KW。
(4)发展特型修井机,代表产品有加拿大的全地形修井机、“沙漠王”、“泥地王”和“雪地王”等,美国NationalOilwell公司和加拿大Kremco公司的折头转向全地形修井机已批量供应到西伯利亚油田。
(5)提高HSE要求,国外对修井机的安全性、可靠性非常重视,如修井机使用低压照明系统、二层台逃生装置、井架起落伸缩的信号警示、远距离操纵技术、全天候驾驶舱等;海洋修井机上使用了带导轨游车、滚子步进移位技术等。
4.3 国内发展趋势
目前,修井机起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置及制动装置等组成,各部分又包括一定数量的零部件,每个部件既互相联系又具有相对独立性。
目前,我国立井井架安装通常采用桅杆起立法,先在斜架腿部安装铰链,大型起重设备以桅杆为支点、以铰链为转轴,将斜架翻转竖立至设计角度。然后利用吊车和斜架将立架起立至设计位置后,将斜架与立架合拢。
起升方法一:用绞车钢丝绳通过滑轮拉起
现代钻机井架起升由绞车来完成,绞车滚筒快绳通过井架上的滑轮很容易实现井架起升,绞车会有很长的钢丝绳,以便满足其提升高度要求。依照传统的起升机构设计方法,就要求设计一个长度和直径尺寸很大的卷筒存储钢丝绳。卷筒尺寸的增大,就会引起支撑卷筒的小车架受力增大,还要配备一台大速比的减速器、大尺寸卷筒。大的小车架以及大速比减速器的使用,将对提高绞车的价格影响很大。
整个井架在接近地面处水平组装,依靠绞车动力,利用起升人字架将井架整体升起到垂直的工作位置。井架起升后,人字架成为井架整体的一部分。井架和人字架每一侧主梁上有3个导向滑轮,起升钢丝绳一端固定在井架一侧主梁上的起升钢丝绳固定装置上,另一端通过这一侧的3个导向滑轮后,再通过与大钩钩口连接在一起的导向滑轮,然后绕向井架和人字架另一侧的3个导向滑轮,最后固定在井架另一侧主梁上的起升钢丝绳固定装置上。如图1所示:

起升方法二:液压回路起升
现代修井机的井架起升和伸缩都采用液压缸来实现。控制一个双作用多级伸缩油缸,完成井架的升降动作,用调压阀进行压力调节。油液通过单向阀,手动换向阀快速使伸缩油缸柱塞伸出,同时将井架起升。当手动换向阀换向后,伸缩油缸柱塞靠反向油压和井架自重缩回,并由固定节流阀调节排油速度,以使井架平稳降落,避免冲击支架、破坏机件等事故。控制一个单作用长油缸,完成井架上体的伸缩动作。用调压阀调节压力。固定节流阀控制排油速度,以使井架上体能平稳缩回。
修井机井架起升系统趋势:
1.为了设计出合理的石油修井机井架,基于CAE技术的分析、设计、优化即在计算机和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法,已成为非常有效的方法。
2.向安装运输与作业方便、可靠、经济、、多规格、多品种、高强度、适应性强的新型井架研究方向发展。
3.新型快速移动式直升机吊装井架起升,它是满足用户在环境温度较高、适度大以及高腐蚀地区(如沼泽、热带雨林)等复杂区域修井的需要,对修井机进行优化和创新设计。
五、主要研究(设计)内容,关键问题及解决思路
5.1 内容、关键问题
1.修井机井架起升结构方案选择及论证;
2.进行修井起升结构传动结构设计、计算及校核;
3.起升系统液压缸设计及绘制其装配图;
4.起升系统液压缸主要零部件设计计算及绘图;
5.2 解决思路
    1.为了适应不同的起升高度和场地的转换,起升系统用的液压缸必须采用伸缩式多级液压缸,具体形式可以是单作用的柱塞式多级液压缸、活塞式多缩液压缸或末级活塞式多级液压缸。
2.进行全面分析研究,了解工作环境条件和设计参数,选择井架起升系统的结构。
3.明确设计步骤。
六、完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件
1.毕业设计所需资料及原始数据;
2.图书馆查阅资料;
3.良好的绘图能力和设计能力。
七、预期成果(达到目标)
通过本次的毕业设计,明确修井机井架起升结构方案选择及方案论证;并对修井起升结构传动结构进行合理的设计、计算及校核;并绘制出相应液压缸的零件图和总装图。
八、工作的主要阶段、进度与时间安排
第1周:与指导老师会面,领取任务书,并认真研究;
第2-4周:到学校机房查阅有关资料,到图书馆借阅相关图书,不懂的向指导老师请教,在老师指导下更好地检索相关资料;
第5周:检索外文资料,翻译外文期刊,认真阅读所检索的资料,开始写开题报告;
第6-8周:写毕业设计正文。(确定方案、具体步骤等);
第9-12周:绘制液压缸装配图;
第13周:绘制液压缸主要零部件图;
第14周:整理修改毕业设计;
第15周:经指导老师审查评阅后准备答辩。
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