（机械工程专业论文）生产井液压抢喷系统的设计与研究.pdf

摘要 抢喷装置是油田生产中的重要设备。井喷是油气田勘探开发中的灾难性事故，受多 种因素的影响，井喷事故时有发生。生产井井喷事故的发生，会造成井口装置破坏，影 响油田的正常生产和附近居民生活，形成对自然环境的破坏，并会造成很大的经济损失。 为此油f f l 必须使用井喷抢险装置对井喷事故进行处理。 本文对目前油田使用的抢喷装置的结构和功能进行分析，针对目前抢喷作业中的安 全性差、抢喷功能单一、抢喷效率不高、操作人员劳动强度大等突出问题，提出一种新 型的液压抢喷系统，并对该系统进行机械结构的设计，以及作业方式和控制原理的分析， 以期为现场应用提供参考。 文中分析了顶喷和侧喷这两种主要的井喷形式，根据井喷的破坏形式确定了井口装 置为抢喷作业的对象，拟定了以拆除废旧井口装置和更换新井口装置为抢喷装置的主要 设计功能。文中对液压抢喷系统的机械结构按功能需要分别进行了具体的设计，包括定 位调整装置、定位央紧装置、抢顶喷装置、抢侧喷装置、定位辅助装置等的设计，并将 这几部分结构有机地结合起来，形成了一整套的液压抢喷装置的设计方案和抢喷作业规 程。为了保证抢喷装置设计的合理性和安全性，对关键零部件进行了强度计算和校核。 在机械结构设计的基础上，通过对载荷的分析与计算，最终确定了液压系统的主要 参数，制定了液压系统的控制方案，完成了液压元件的选型，并对液压系统中的关键零 部件液压阀块进行了结构设计。 利用功率键合图的理论，建立了关键阀件的数学模型，分析了系统的性能。通过对 抢喷装置控制原理的分析，制定抢喷装置的控制方案，并利用p l c 编程软件 c x p r o g r a m m e r 编写抢喷装置的控制程序。 关键词：抢喷，液压，顶喷，侧喷，p l c r e s e a r c ha n dd e s i g no fh y d r a u l i cb l o w o u tw r e c k i n gs y s t e mf o r p r o d u c i n gw e l l s y a n gd o n g z e ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gz u o l o n g a b s t r a c t b l o w o u tw r e c k i n ge q u i p m e n ti sv i t a ld e v i c ei nt h eo i l f i e l dp r o d u c t i o n b l o w o u ti sa t r a g i ca c c i d e n ti nt h ep e t r o l e u me x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，w h i c ho c c u r sf r o mt i m et ot i m e u n d e rt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s t h eo c c u r r e n c eo f p r o d u c i n gw e l lb l o w o u tw i l lr e s u r i nt h ed a m a g eo f w e l l h e a d ，t h ei n f l u e n c eo nt h en o r m a lp r o d u c t i o na n dl i v e so fi n h a b i t a n t s n e a r b y ，t h ed a m a g et ot h ee n v i r o n m e n t ，a n dc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cl o s e t h e r e f o r eo i lf i e l d m u s td e a lw i t l lb l o w o u tu s i n gs p e c i a lb l o w o u tw r e c k i n ge q u i p m e n t t h es t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fb l o w o u tw r e c k i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi su s e di no i l f i e l da t p r e s e n t ，a r ea n a l y z e d ，a n dan e wt y p eh y d r a u l i cb l o w o u tw r e c k i n gs y s t e mi sd i s c l o s e d ，a i m i n g a tt h e s eo u t s t a n d i n gi s s u e si nt h eo p e r a t i o no fb l o w o u t w r e c k i n gs u c ha sp o o rs a f e t y ，s i n g l e f u n c t i o n ，l o we f f i c i e n c y ，h i g hl a b o r i n t e n s i v eo p e r a t i o n ，e t c m e a n w h i l e ，t h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ei sd e s i g n e d ，a n dt h eo p e r a t i o np r o c e d u r e sa n dc o n t r o lp r i n c i p l ea r ea n a l y z e di nt h e h o p eo fp r o v i d i n gar e f e r e n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t w om a i nf o r m so fb l o w o u t ，t o p b l o w o u ta n ds i d e - b l o w o u t ，a r ea n a l y z e d ，a n dw e l l h e a d e q u i p m e n ti ss e l e c t e da st h eo p e r a t i o n a lo b j e c t i v e sa c c o r d i n gt ot h ed a m a g ef o r m si nt h e p a p e r t h em a i nf u n c t i o ni sf i xo nc h a n g i n gt h eu s e l e s sw e l l h e a de q u i p m e n tf o rt h en e w t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f h y d r a u l i cb l o w o u tw r e c k i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sl o c a t i n ga n d a d j u s t i n gd e v i c e ，l o c a t i n ga n dg r i p p i n gd e v i c e ，t o p - b l o w o u tw r e c k i n gd e v i c e ，s i d e - b l o w o u t w r e c k i n gd e v i c ea n da u x i l i a r yl o c a t i n gd e v i c e ，i sd e s i g n e di nt h ep a p e r t h ef o u rp a r t sa r e i n t e g r a t e di nas y s t e m a t i cw a y ，a n dt h eh y d r a u l i cb l o w o u tw r e c k i n gp l a n sa n dt h eo p e r a t i n g r u l e ss h a p eu pu l t i m a t e l y t h ei n t e n s i t yc h e c k i n go ft h ek e yc o m p o n e n t sa r eo b t a i n e d ，i no r d e r t oe n s u r et h er a t i o n a l i t ya n dt h es a f e t yo ft h ee q u i p m e n t t h em a i np a r a m e t e r sa n dt h ec o n t r o ls c h e m ea l ed e t e r m i n e dt h r o u g ha n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no ft h el o a d so nt h eb a s eo fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g n a tt h em e a nt i m e ， h y d r a u l i cc o m p o n e n ts e l e c t i o na n dd e s i g no fh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c ka r ef i n i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h ek e yv a l v e sf i l ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h ep o w e rb o n dg r a p h t h e o r y ，a n ds y s t e mp e r f o r m a n c e st i t l ea n a l y z e d a f t e rt h ea n a l y s i so fc o n t r o lp r i n c i p l e ，t h e c o n t r o ls c h e m eo ft h eb l o w o u tw r e c k i n ge q u i p m e n ti sd e t e r m i n e du l t i m a t e l y ，a n dp l c p r o g r a m sa r ec o m p i l e da n dd e b u g g e db yc x p r o g r a m m e r k e y w o r d s ：b l o w o u tw r e c k i n g ，h y d r a u l i c ，t o p b l o w o u t ，s i d e - b l o w o u t ，p l c 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学 ( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所 做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：拓蝉 同期：加，。年上月；口日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子 版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文， 以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论 文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 扬查聋 指导教师签名： 日期：洌d 年t 月；多日 日期：, 2 名0 年，月多d 日 中国石油大学( 华东) 硕：l ：学位论文 1 1 课题来源及选题依据 第一章绪论 改革开放以来，我国国民经济实现了持续、快速的发展，人民的物质生活得到极大的 丰富，而与此同时，经济的发展对能源，尤其是石油的依赖性越来越大。在石油供给方面， 国家加快了石油资源的勘探开发的步伐，不断加大对石油地质工作的投入力度，石油勘探 开发正在向全方位、多层次、宽领域、大规模的方向发展，为国家经济的快速发展提供了 保阿1 】。但是，石油天然气勘探开发的高危特性一直伴随着开发进程而存在，尤其是随着 油田开发的深入，开发难度越来越大，开发工艺越来越复杂，开发作业未知的危险因素越 来越多，发生井喷、爆炸事故的概率不断加大【2 】。 通过对过去多起油井井喷事故的总结，油井井喷发生的原因主要有以下几个方面： 修井作业中发生的井喷事故；机械故障引发的井喷事故；井口设备老化引发的井喷事 故；非法破坏引发的井喷事故【3 4 】。而实际上，各种井喷诱发因素并不是孤立存在的，发 生井喷失控往往是多种不利因素共同作用的结果，而其中最重要因素的是人为因素【5 】。因 此，强化安全意识，注重提高作业人员的素质，优化管理体制，加强井控，制定可操作性 强的井喷抢险应急预案，成为预防和处置井喷的必然选择。 井喷发生后，如果不能及时正确地处理，就会形成井喷失控，造成很严重的后果。井 喷失控往往引发天然气、原油失火，造成人员伤亡、财产损失、环境污染、设备和油气井 报废、油层破坏，甚至影响整个油气田的开发。其中，对环境的污染，如对水体、土壤和 空气的污染，需要较长的时间来治理和恢复；而人员的伤亡则容易引发社会问题，需要细 致、妥善地处理。就目前的技术水平而言，大部分的井喷是可以避免的，小部分的井喷是 可以通过抢险措施加以控制的 6 - 8 。 在井喷的处理上，传统的方式是打人海战术，完全利用人力将现场被油气流刺坏的井 口拆除，然后再将新的井口装置或封井器安装在有高速油气流喷出的井口，通过关闭井口 完成井喷抢险作业。由于现场条件恶劣，作业人员的安全往往难以得到保障，并会造成很 大的财力、物力浪费，井喷抢险的成功率低。有鉴于此，抢喷装置研究的重要性不言而喻， 而提高作业的安全性，提高抢喷作业的效率，实现自动化或半自动化操作以节省人力，将 成为抢喷装置研究中不可忽视的问题。 随着液压技术的不断发展和成熟，液压技术的应用领域越来越广。无论是造纸、纺织、 塑料等轻工业，还是矿山、石油、冶金等重工业，都大量使用着液压系统。虽然存在易出 l 第一章绪论 现泄漏、空气进入液压油会引起爬行等缺点，但是液压传动所具有的易获得较大力或力矩、 功率重量比大、传动工作平稳，易实现缓冲吸震，能自动防止过载，与电气配合能实现操 作自动化的优点【9 】，使它得到了日益广泛的认可和应用，并且随着液压技术的发展与进步， 泄漏和爬行问题的解决已有极大地改善。因此，液压技术在抢喷装置研究中有良好的应用 前景。 目前，在井喷抢险领域，已经有部分基于液压技术的抢喷作业产品，并获得了良好的 应用效果，但同时，液压技术还没有大范围地应用在同类产品当中j 相关技术的研究还有 待进一步完善。 1 2 国内外研究现状 目前，在生产井抢喷装置的研究方面，国外并没有形成抢喷技术体系，而国内各油田 对井喷的处理也大多依靠少量的、简单的井喷处理工具【l o 】。这些工具在使用过程中暴露了 一些实际问题：装备简陋，整体安全性不高，往往不能有效地完成抢井喷作业；功能单一， 难以应对复杂井喷；结构和功能类型杂乱，不成系列，难以形成抢喷作业理论体系；装置 的自动化水平不高，造成作业人员的劳动强度偏大。 国内对抢喷装置的研究成果主要集中于各项专利中，例如h l 型油气井井喷抢险装 置，抢喷作业机，大港油田研发的套管头抢喷装置、采油树抢喷装置等。 ( 1 ) h l 型油气井井喷抢险装置【l l 】 h k - 3 型油气井井喷抢险装置是胜利石油管理局河口采油厂在多年井喷事故的基础 上，历时三年研究成功的，能够完成一般井喷状况下的抢喷作业。该装置主要由抢喷支架、 拆卸爪、套管支架等构成，抢喷作业时，还要有配套的全封封井器、半封封井器、水力割 枪、抢喷头盔、专用小推车等工具。 在抢顶喷方面，抢喷支架是主要的作业工具。 在抢项喷过程中，要先将抢喷支架的下卡瓦锚定在套管短节上，然后用两个不同直径 的销轴将抢喷支架的轴体固定于井口的一侧，通过上轴套绕轴体的旋转将封井器推向油井 套管的轴线位置，结合调整丝杠微调偏心距，使封井器通径中心与套管轴线重合，完成冒 喷定位调整操作。通过调整中心丝杠，可以将封井器压紧在原井口法兰盘上，并依次进行 安装井1 ：3 连接螺栓、紧固井口、关闭封井器等作业步骤，最终完成抢顶喷作业【1 2 】。 同时，该装置能够完成井喷情况下拆卸废旧井口和无井口法兰时换装新井口装置的作 业。下卡瓦通过更换牙块可适应5 ”和7 ”两种最常见的油井套管。 2 中国石油大学( 华东) 硕- 上学位论文 在抢侧喷方面，套管支架则成为主要的作业工具。 在抢顶喷过程中，首先通过螺栓将支杆固定在井口法兰上，通过装置的绕支杆旋转和 调整螺套的调整来实现套管闸门的对正，通过调整螺杆的调整压紧大四通侧端面，然后安 装卡箍，最终完成抢侧喷作业。 总体看来，该装置能实现抢顶喷和抢侧喷等多种井喷抢险作业，装置的总体尺寸较小， 造价较低，适合油田的推广，在同类产品中较具有代表性。同时，在实际应用中，该装置 暴露出了一些问题：抢喷作业时，操作人员距离井口太近，操作的安全性不高；操作过程 繁琐，需要多人配合才能完成作业；作业过程全人工操作，作业人员的劳动强度大；驱动 丝杠的行程较小，不能适应现场井口条件；对中微调距离较小，封井器与井口法兰对中的 难度较大；对于项喷和侧喷同时发生的复杂井喷，抢顶喷和抢侧喷作业需更换装置分别进 行，浪费了抢喷时间。 ( 2 ) 抢喷作业机 近些年，一些石油装备生产企业研发了多种抢喷作业机，其中较具代表性的为胜利油 田河口采油厂研发的抢喷作业机。 该作业机的油气井自动抢喷装置主要由车载液控系统、伸缩梁、液压旋转机构、工作 升降缸、装置升降缸、防喷悬挂套器、自锁液压钳、全封封隔器、卡管器、切管器、螺帽 破切器等组成【1 3 】。 该装置能实现包括冒喷拆卸废井口，井口底法兰或大四通完好状况下冒喷安装封井器， 光套管头井喷时冒喷安装半封、全封封井器，切断油管抢喷等诸多功能。整个抢喷过程仅 需要两个人操作。在作业过程中，操作人员要佩戴防噪声耳罩和隔音耳塞，身穿抗油拒水 防静电连体服，如有有毒气体，还需戴过滤式呼吸器。在整个抢喷作业过程中，全部采用 液压控制，减轻了作业人员劳动强度，节省了作业时间，在整套装置运行的各个环节，均 能实现自动调整找正，操作简单。 在冒喷拆除废井口的作业过程中，先要将拆卸爪安装在伸缩节的下端，并将作业机运 至距离井1 2 13 5 m 的范围以内，然后启动液压控制系统。在系统启动后，通过操控手柄控制 伸缩梁的伸缩和底盘的整体旋转，以使装置对正井1 3 ，然后通过升降缸调整自锁液压钳的 高度，并使自锁液压钳锚定在套管短节上。在拆卸废井口时，防喷悬挂器前伸并对正井口， 在伸缩节下端的拆卸爪卡住并抱紧废井口后上提，进而将废井口拆下，然后，防喷悬挂器 回缩，人工拆下拆卸爪，并换装防喷器。防喷悬挂器再次伸出，对正并压紧井1 3 ，由人工 安装井1 ：1 连接螺栓，关闭防喷器，最终完成废井口的拆除、更换作业。 3 第一章绪论 在光套管头井喷时，伸缩节的下端要预先连接防喷器和光管封隔器。先将作业机对正 井口，并使自锁液压钳锚定在套管短节上，然后通过操控手柄的控制，使防喷悬挂器前伸， 工作升降缸下降，并使与防喷器下端三通连接的光管封隔器插入井筒内。由操控手柄控制 打压，使光管封隔器座封在套管内壁上，光管封隔器胶筒压缩，封闭光管封隔器与套管之 间的环空，关闭防喷器，进而控制井喷，完成抢喷作业。 在部分油管喷出时，伸缩节的下端要预先安装液压切管器。同样先将作业机对正井口， 并使自锁液压钳锚定在套管短节上，然后通过操控手柄的控制，使液压切管器套入大四通 上法兰，启动液压切管器以切断油管。在切断油管后，打开液压切管器的钳口，收回液压 切管器，并使与防喷器连接的三通找正并压紧井口法兰，然后由人工连接井口螺栓，关闭 防喷器，完成抢喷作业。 总体来看，该装置自动化水平比较高，同时充分考虑了作业人员的安全因素，在同类 产品中较为先进，能够实现安全、高效地抢喷作业，但从装置能完成的功能来看，该装置 无法进行抢侧喷操作，在复杂井喷工况下，没有完全处理能力。另外，该装置的总体尺寸 较大，造价较高。 ( 3 ) 大港油田研发的抢喷装置 大港油田消防支队根据大港油田生产井的实际情况，结合井喷事故的不同工况，自主 研发出了2 6 种抢井喷装置及配套的抢喷处理工艺技术，这些装置大多针对特定的井喷状况 研制，并取得了相关专利。近年来，已采用该系列装置制止了多起井喷事故【m 】。下面对主 要的井喷抢险工具分别进行介绍。 套管头抢喷装置，主要用于仅有套管头或套管头损坏的老井井喷事故抢险。装置由上 而下依次为防喷管、防喷器和大四通法兰，在大四通法兰下部安装有造扣装置。在抢喷过 程中，通过造扣工具进行造扣作业，然后关闭防喷器，即可完成抢喷。如果井口的套管头 严重损坏，则要将造扣装置换为尼龙密封短节，将尼龙密封短节通过抢喷装置加压挤入套 管头，实现压井封闭【1 5 】。 采油树井口抢喷装置，主要用于采油树井口法兰大四通上部损坏和刺漏的井喷事故抢 险。装置由下至上依次由下卡总成、纵向调节总成、径向调节总成、上卡总成组成。下卡 总成外侧通过调节插孔安装有固定卡瓦和外卡，纵向调节总成通过支撑总成与径向调节总 成垂直布置，并固定连接成一体，径向调节总成一端接有上卡总成。在抢喷过程中，要通 过上卡总成卡紧防喷装置，并把固定卡瓦锚定在套管短节上，外卡则卡住井口法兰，下卡 总成固定在井口法兰和套管短节上，以支撑整套装置【1 6 】。 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 大港油田所设计的抢喷装置种类较多，但是多为针对某一特定井喷状况进行的设计， 对于井喷现场情况比较复杂的情况，则需备齐所有所需抢喷工具，而多种抢喷工具协同操 作难以做到高效而准确，还有可能因为工具功能干涉导致抢喷操作无法进行。另外，作业 人员距离井口较近，安全难以得到保障。 1 3 本论文的主要内容与意义 通过对课题的研究，设计生产井液压抢喷系统，并为现场应用提供参考依据。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 针对油田井喷抢险的客观条件，以提高安全性和方便操作为准则，设计出合理的液 压抢喷系统的机械结构，使其满足抢喷现场的场地和井口基本限制要求，并对重要零部件 进行强度校核。设计的抢喷装置要能实现拆除废旧井口装置、更换大四通、法兰完好时抢 装封井器、光套管头抢喷、抢侧喷等功能，而且这些功能均为冒喷操作。抢喷系统应满足 井喷最高压力i o m p a ，套管最大直径7 ( 1 7 7 8 0 m m ) 时的抢喷作业要求。 ( 2 ) 分析和计算液压执行元件的工作载荷，选定液压控制系统的主要参数，并通过对液 压执行元件的分析，合理设计液压抢喷系统的液压控制回路，完成液压元件的选型和液压 阀块的设计。 ( 3 ) 利用功率键合图的理论，建立关键阀件的数学模型，应用m a t l a b 等软件对其进行仿 真，并根据仿真结果分析系统的性能。 ( 4 ) 通过对抢喷装置控制原理的分析，制定抢喷装置的控制方案，并利用欧姆龙公司的 p l c 编程软件c x p r o g r a m m e r 编写抢喷装置的控制程序。 5 第二章机械系统设计 第二章机械系统设计 本章将分析液压抢喷装置研究所面临的主要问题，针对这些问题提出一套详细的抢喷 装置的设计方案及抢喷作业的步骤，并对抢喷装置的关键零部件进行强度的分析校核。 2 1抢喷装置研究面临的主要技术问题 由于引发油井井喷的因素多种多样，井口失效的形式也不尽相同。抢喷作业所面临的 井喷状况多种多样，对抢喷工具的功能要求也是多方面的。一般来说，抢喷装置应该具有 以下几种功能： ( 1 ) 带压拆除废井口，更换大四通； ( 2 ) 井1 3 底法兰或大四通完好时，带压抢装封井器； ( 3 ) 光套管头井喷时，冒喷安装封井器； ( 4 ) 有侧喷时，拆除废阀门，换装新阀门。 根据上述功能要求和既有抢喷装置，结合实际井喷时的复杂情况分析，抢喷工具的研 究面临的主要技术问题有以下几个方面： ( 1 ) 锚定的形式 由于在装置安装过程中会有强大油气流喷射，要采用将装置锚定于井口的方式，使装 置在安装过程中与井口锚定成一体，能确保在强大油气流喷射情况下安全地完成抢喷作业。 ( 2 ) 复杂井喷时的一次定位和锚定 目前，些实际问题增加了井喷抢险的难度，影响了井喷抢险的效率，如顶喷和侧喷 的同时发生。在这种情况下，由于抢喷时井场环境复杂，如果采用抢顶喷和抢侧喷的两次 定位和锚定的方式，会增加抢喷难度，增加抢喷风险，影响抢喷效率，如果采用一次定位 和锚定、抢顶喷和抢侧喷依次操作的方式，就会避免上述问题。当然，一次定位和锚定也 会使设计变得复杂，面临着装置在狭小空间内动作协调的问题。 ( 3 ) 简化操作和半自动化抢喷 用现有的抢喷工具进行抢喷时需要多人配合操作，增加了作业的复杂性，对操作人员 的人身安全没有保障。井场环境的复杂性决定了不可能实现装置抢险完全自动化，而装置 的半自动化操作能最大程度地减少人力，保障人员安全，简化操作，提高抢喷效率，满足 抢险现场的需要。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此外，抢喷工具的设计还应考虑作业人员安全、装置的可靠性、便于运输、符合抢喷 现场的防火要求等问题。 2 2 抢喷作业的对象 生产井井喷对采油装置的破坏主要表现为对采油气井口装置的破坏，因此，冒喷更换 废旧的采油气井口装置成为抢喷作业的重点。充分地认识井口装置的构成，将有利于抢喷 装置的研究和应用。 采油气井口装置是引导和控制油气混合物的流动方向、流量大小和进行油气生产的重 要地面设备。井口装置一般由套管头、油管头和采油树等部分组成【1 7 】。以下是两种典型的 井口装置和采油树结构，其中，图( a ) 井口装置的额定工作压力为3 4 5 m p a ，图( b ) 井口装置 的额定工作压力为6 9 o m p a 。 a )啦j 图2 - 1 典型井口装置结构 f i 9 2 - 1t y p i c a ls t r u c t u r eo fw e l l h e a dd e v i c e 套管头位于井口装置的底部，用以固定整套井口装置，连接井下各层套管柱，并使各 层套管间的环形空间相互密封。油管头位于套管头上方，用来悬挂油管柱，并密封油管与 生产套管之间的环形空间，可进行多种工艺作业。装在油管头上方的是采油树，用来引导 油井喷出的油气通向地面的输油管线，控制和调节油井的流量和井口压力，必要时可关闭 油井。 7 第二章机械系统设计 井口装置的连接方式有三种，即螺纹式、法兰式和卡箍式【1 8 】。其中，螺纹式连接现场 应用不多。法兰式连接的承载能力较大，可达2 0 0 m p a ，但拆卸不方便。卡箍式连接便于拆 卸，但承载能力较小，一般不超过7 0 m p a 。井口装置的最大工作压力和公称通径如下表所 示。 表2 - 1 井i = l 装置的最大工作压力和公称通径 t a b l e 2 1m w pa n dd no fw e l l h e a dd e v i c e 最大工作压力，m p a 连接型式 1 42 l3 57 01 0 51 4 0 螺纹 ia 法兰 卡箍 附注l ：“”表示不同连接型式井口装置应有的最大工作压力。 2 3 拟定抢喷作业流程 为了解决抢喷作业过程中的突出问题，要有针对性地进行抢喷装置的设计。在设计之 前，要形成一条清晰地抢喷装置的设计思路，并制定抢喷作业的流程。 拟定将抢喷装置安装在汽车底盘上，以达到方便运移的目的。在抢喷作业前，要通过 汽车移动来完成装置位置的初步调整。在抢喷作业流程中无需人工拆装抢喷装置，节省了 抢喷作业时间。作业过程仅需两人，其中一人在控制室完成控制操作，另一人在井口外1 5 m 外观察并协同控制人员完成定位调整、锚定和更换井口装置等操作。操作人员需身穿抗油 拒水防静电连体服，佩带防噪声耳罩和隔音耳塞，如有有毒气体，还需带过滤式呼吸器。 装抢抢 拆换 古 置喷喷 除 人 装 人7 1 5 】龟装装 废 t 新 工 成装 移置置 井 拆 井 换换置 与 ， 的 的 - 口 除装装 和 初定锚 装 废 口 ， 新 人 步位定 置 井 装 调调操 刖 口 置 井关员 调 装 月u 口 闭撤 整整作置 调 装井禺 置 口 整整 图2 - 2 抢喷作业流程 f i 9 2 - 2o p e r a t i n gp r o c e s so fb l o w o u tw r e c k i n g 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 表示了抢喷作业的主要流程。由该图可以看出，抢喷过程中要依次完成装置运 移、前期初步调整、锚定操作、废井口装置的拆除、新井口装置德换装、关闭井口以及装 置和人员的撤离等步骤。抢喷作业流程的确定，也为以后的p l c 控制规则的制定提供了现 实依据。 2 4 机械系统设计 2 4 1 总体设计 生产井液压抢喷装置将液压技术整合到了抢喷装置的研究中，能实现抢顶喷、抢侧喷 等多方面的功能要求。生产井液压抢喷系统主要包括定位调整装置、定位夹紧装置、抢顶 喷装置、抢侧喷装置以及定位辅助装置等部分，如图2 3 所示。装置总长3 3 m ，总宽1 “m ， 总高1 8 4 m ，装置的安装高度约为l m ，整体重量约为3 7 吨。 l 一油气井井口装置2 一定位夹紧装置3 艳侧喷装置 4 一汽车底盘( 部分) 5 捻项喷装置铲定位调整装置 图2 - 3 液压抢喷系统整体结构图 f i 9 2 - 3 t h eo v e r a l ls t r u c t u r e o fh y d r a u l i cb l o w o u tw r e c k i n gs y s t e m 2 4 2 定位调整装置 定位调整装置是实现抢喷作业过程中前期位置调整的机械装置。它安装在汽车后端底 盘上，它在组成抢喷系统的四个部分中结构最为复杂。随着汽车按一定方位将装置送到井 口附近，汽车的初步调整工作即已完成，剩下的锚定前调整工作由定位调整装置来完成。 9 第二章机械系统设计 它能在抢喷作业中，实现装置的快速、准确地定位，为下一步的锚定操作做准备。定位调 整装置主要包括后端旋转支撑盘、前后移动导向焊件、前后移动焊接体、x 轴旋转体、x 轴旋转体压块、垂直立柱、垂直提升固定套、垂直提升导向套、支撑板间套筒、支撑板、 各种驱动油缸和马达等，其结构如图2 4 所示。 l 一上部镄紧螺母2 一垂直提升固定套3 垂直提升导向套蛳直提升油缸5 一下支撑板 6 一上支撑板7 一支撑板间套简8 一下部锁紧螺母9 一前端z 轴旋转马达支撑焊件 l o 一前端z 轴旋转马达1 l 一小锥齿轮 1 2 - x 轴旋转驱动油缸1 3 一后端旋转支撑盘 1 4 一后端旋转驱动油缸1 5 前后移动导向焊件1 6 一前后移动驱动油缸1 7 前后移动焊接体 1 8 - x 轴旋转体1 9 _ x 轴旋转体压块2 0 - y 轴转动驱动油缸2 1 一垂直立柱 图2 - 4 定位调整装置结构图 f i g z - 4 t h es t r u c t u r eo fl o c a t i n ga n da d j u s t i n gd e v i c e 装置的前后移动导向焊件采用矩形钢管焊接构成，它与后端旋转支撑盘也通过焊接连 接，它们共同负担整个抢喷装置的重量。后端旋转支撑盘由液压缸1 4 驱动旋转，实现整个 装置的左右摆动。前后移动导向焊件的矩形钢管同时为前后移动焊接体提供导向轨道。前 后移动焊接体通过四拉杆油缸1 6 驱动完成整个装置的前后移动调整。液压缸1 2 和液压缸 2 0 则分别控制着装置沿x 轴和y 轴旋转。 垂直立柱在垂直提升油缸的驱动和垂直提升导向套的导引下，带动定位夹紧装置、抢 顶喷装置和抢侧喷装置一起运动。为了更加安全、平稳地对其他装置进行纵向调整，垂直 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 立柱通过与抢顶喷装置齿轮箱箱体的配合，为其提供辅助垂直导向。垂直立柱与垂直提升 固定套之间的固定连接通过其上圆螺母来的锁紧来实现。垂直立柱下端也通过锁紧的圆螺 母与下支撑板连接。在垂直提升油缸将其他装置进行提升的过程中，液压缸缸筒会穿过上、 下支撑板，从而实现大范围的高度调整。 上支撑板左右两侧均打有螺纹孔，供抢项喷装置的法兰连接所用。同时，上、下支撑 板上均采用较厚的钢板，并在一面开有同规格的弧形燕尾槽，为前端z 轴旋转马达驱动定 位夹紧装置旋转提供轨道。 装置通过五个液压油缸和一个液压马达的驱动可以实现多达六个自由度的调整操作， 各个方向上的调整能力如下表所示。 表2 - 2 定位调整装置各方向调整能力 t a b l e 2 - 2a d j u s tc a p a b i l i t yo fl o c a t i n ga n da d ju s t i n gd e v i c ea tv a r i o u sd i r e c t i o n s 调整方向调整范罔 x 向 z 向 x 轴旋转 y 轴旋转 前端z 轴旋转 后端z 轴旋转 o - - 5 0 0 m m o - - 一7 8 0 m m 1 5 。1 5 0 1 5 。1 5 。 3 0 。 - - 3 0 。 3 0 。3 0 。 2 4 。3 定位夹紧装置 定位夹紧装置是实现抢喷作业过程中锚定操作的机械装置，它的结构如图2 5 所示， 主要包括上固定板、井口装置夹紧固定块、下固定板、丝杠传动结构、夹紧驱动马达、下 固定板、固定板支撑件、锥齿圈、燕尾形导轨等。 上、下固定板均是一块扇形钢板，并且在钢板上打有若干圆孔。通过穿过这些圆孔的 螺钉，丝杠传动结构、燕尾形导轨、固定板支撑件、锥齿圈等结构才得以连接在一起。在 上固定板上开有两个长方形孔，它们是抢侧喷装置中前后调整导向体与相应的丝杠传动结 构的连接通道。固定板支撑件连接在上、下固定板之间，它填补了两板之间较大的空隙， 使装置的整体结构更牢固。燕尾形导轨是定位央紧装置与定位调整装置连接媒介，它也为 定位夹紧装置实现旋转提供了保障。锥齿圈与定位调整装置中的小锥齿轮相配合，在马达 的驱动下，带动装置沿燕尾形导轨旋转。 第二章机械系统设计 l 一上固定板2 一井口装置夹紧固定块3 一丝杠传动结构4 一夹紧驱动马达 5 一下固定板6 一固定板支撑件7 _ 匪齿圈8 一燕尾形导轨 图2 5 定位夹紧装置结构图 f i 9 2 - 5 t h es t r u c t u r eo fl o c a t i n ga n dg r i p p i n gd e v i c e 丝杠传动结构通过螺钉固定在上下固定板之间，主要由丝杠螺母导向体、丝杠轴向固 定体、马达支撑板、丝杠、轴承、丝杠螺母等组成。丝杠传动结构按其功能可以分为两类， 即夹紧用丝杠传动结构和抢侧喷用丝杠传动结构，分别如图2 - 6 ( a ) 和( b ) 所示。 l 一马达支撑板2 一丝杠轴向同定体3 a 一抢侧喷丝杠螺母 3 b 一井口装置夹紧丝杠螺母4 一丝杠螺母导向体5 一轴承6 一丝杠 图2 - 6 丝杠传动结构图 f i 9 2 - 6 t h es t r u c t u r eo fl e a ds c r e wd r i v e 这两种类型的结构形式基本相同，大部分结构尺寸保持一致，不同之处在于丝杠螺母 1 2 中国油大学( 华东) 碰上学位论文 的形式。井口装置兴紧丝杠螺母的一侧有一个突出结构，用来安装定位夹紧块，两者通过 螺钉连接。抢侧喷丝杠螺母上面开有两个条形槽，前后调整导向体的突出结构内嵌其中， 这种结构使得抢侧喷过程中的工作载荷完全旄加到抢侧喷丝杠螺母上，并且承压能力比螺 栓的上下连接方式增大很多。抢侧喷丝杠螺母在有条形槽的一例开有螺栓连接孔，通过螺 栓的连接，固定了前后调整导向体的位置。 从定位夹紧装置结构图上还可以看出，央紧用和抢侧喷用丝杠传动结构的布置形式有 所不同。央紧用丝杠传动结构的驱动马达均位于外侧，这是出于方便液压管线布置的需要。 抢侧喷用丝杠传动结构均位于内侧，主要是因为抢侧喷工作位置靠外，而为了尽量减小装 置的尺寸，只能采用这种布置形式。 丝扛螺母导向体开有导向槽，使得丝杠螺母沿导向槽运动。马达支撑板和丝杠轴向固 定体嵌在丝杠螺母导向体结构内，并在丝杠螺母导向体的一侧通过螺钉连接。丝杠轴向固 定体内安装有止推轴承和防尘密封圈，用来固定丝杠的轴向位置。马达支撑板用来安装液 压马达，它与丝杠轴向固定体通过螺钉连接在一起。丝杠的一端通过花键孔与马达轴直接 连接，从而省去了联轴器。 凰2 - 7 定位夹蟹块结构图 f i 9 2 - 7 t h es t r u c t u r e o f g r i p p i n g b l o c k 定位央紧块是锚定操作中直接与套管头接触的结构，它的一端与兴紧丝杠螺母相连接， 通过丝杠的调节来实现央紧或松开套管短节的操作。在抢侧喷操作过程中，侧喷冲击力通 过装置问作用力的传递，对定位央紧块的作用基本上位于在水平平面内，垂直方向上的分 量很小。在抢顶喷操作过程中，顶喷冲击力的作用使得定位兴紧块的工作载荷基本上是沿 竖直方向，在这种情况下，要克服顶喷冲击力的影响，就要增大定位兴紧块与套管短节之 白j 的摩擦力。为了达到这一目的，采用了两种应对措施：增大接触面积。由于定位夹紧 块在水平平面内呈4 5 。均匀分布，接触面为弧形面，摩擦力的大小不仅与丝杠方向的作用 力有关，还与接触面积的大小有关，这在关键零部件强度校核及计算部分将有介绍。为了 第二章机械系统设计 增加接触面积，要加大定位央紧块的宽度，使其弧面角度接近9 0 。增大摩擦因数。影 响摩擦因数的因素很多，如材料性质、表面粗糙度、温度等。本设计中采用了与虎钳钳口 板相同的处理方式，即增加网纹，如图2 7 所示。采用的网纹由横纹和纵纹组成，横纹切 削深度较大，纵纹切削深度较浅。 2 4 4 抢侧喷装置 抢侧喷装置是直接执行抢侧喷作业的前端装置，其结构如图2 8 所示。抢侧喷装置主 要由前后调整导向体、上下调整导向体、阀门固定体、抢侧喷导流体、阀门、阀门卡箍、 液压马达、调整齿轮、调整齿条、齿轮轴、轴承、锁紧螺母等构成。 123456 l 一阀门2 一阀门卡箍3 一阀门固定体4 _ 一上下调整齿条5 - - - 锁紧螺母6 _ 一抢侧喷导流体 7 _ _ 位置调整马达8 一前后调整导向体9 一前后调整齿条 l o 一上下调整导向体 图2 - 8 抢侧喷装置结构图 f i 9 2 - 8 t h es t r u c t u r eo fs i d e o b l o w o u tw r e c k i n gd e v i c e 抢侧喷装置共有两套，对称分布于左右两侧，分别用于进行抢左侧侧喷和抢右侧侧喷 作业，可以根据实际井喷情况，选择安装与否。 前后调整导向体下部与抢侧喷丝杠螺母相连接，上部则通过燕尾形结构和上下调整导 向体相连接，同时在燕尾形结构上安装齿条。上下调整导向体两侧丌有圆形孔，同时阀门 固定体中部也开有长方形孔，两者互相嵌入移动结构，为阀门固定体的上下调整提供了更 为稳定、坚固的结构保障。在上下调整导向体的上部结构上开有矩形槽，为上下调整齿轮 提供了安装空间，而在矩形槽的一个侧面安装有与齿轮配合的调整齿条。上下调整导向体 的底面燕尾形轨道内也丌有矩形槽，为前后调整齿轮提供了安装空间。齿轮轴的设计更为 紧凑，其一端与齿轮通过平键连接，另一端加工有花键孔，使得液压马达能够直接驱动齿 轮轴。 1 4 中再5 油大学( 华东) 哺学位论文 阀门固定体的两端对称分布着两个圆孔，用以安装抢倒喷导流体。抢侧喷导流体的一 端可通过卡箍与阔门连接，同时在该侧加工有轴肩，而另一侧加工有螺纹，可通过锁紧螺 母固定在阀门固定体上。在实际操作中，其中一个抢侧喷导流体用以拆卸废旧阀门，而另 一个已各有阀门的抢侧喷导流体则用以更换新阀门。 245 抢厦喷装置 抢顶喷装置是直接执行抢项喷作业的前端装置，其结构如图2 - 9 所示。抢顶喷装置主 要由垂直调整丝杠、径向调整导向块、抢顶喷齿轮箱、导流体、导流体固定块、导流体固 定块压板、导引法兰、单闸板封井器、液压缸和液压马达等组成。 l 搪顶琐导流体2 一径向调整油缸卜一导流体固定块卜导流体固定块压扳卜导引法兰 6 垂直调整杠7 一径向调整导向块8 一单鲥板封井器9 位置调整马选l o 掩顶喷齿轮箱 用2 - 9 抢顶喷装置结构强 v 酿2 - 9t h es t r u c t u r e o f t o p - b l o w o u t w r e c k i n g d e v i c e 垂直调整丝杠与齿轮箱中的丝杠螺母连接，用以调整导引法兰或单闸板封井器的高度。 径向调整导向块的上端与齿轮箱中的摆动大齿轮通过螺栓连接，前端是焊接成的矩形钢管 为导流体固定块提供运动轨道，在液压缸的作用下实现径向位置调整。在导流体上设计有 轴肩，轴肩两端面安装止推轴承。导流体固定块和导流体固定块压板利用止推轴承将导流 体进行轴向固定。导流体的下端加工有螺纹，与导 i 法兰连接。导流体固定块的圆形面的 中间部分加工有矩形孔，而导流体的轴肩相应高度上加工有螺纹孔，在最后调整时，可通 过插入调节手柄或者预先安装好的手柄来旋转导流体，来对j 下导引法兰或单婀板封井器法 1 5 第二章机械系统设计 兰螺栓孔的位置。 抢顶喷齿轮箱是完成抢顶喷作业的重要装置，它的结构如图2 1 0 所示。抢顶喷齿轮箱 主要由齿轮箱箱体、