带压作业自动引扣装置开题报告

《带压作业自动引扣装置设计设计》开题报告第1章研究意义和现状带压作业自动引扣装置的研究背景和意义1.1.1研究背景带压作业是指利用专业设备在油气水井井口带压状态下进行的作业，在不压井、不放压的情况下进行起下管柱，是一种先进的井下作业技术[1]。带压作业自动引扣装置的起源可以追溯到20世纪末,随着石油、天然气等领域的迅速发展,带压作业技术的需求日益增长。然而，在实际带压作业中，由于受到多种因素的影响，经常会出现一些问题，如：油管卡住、油管连接失败等。这些问题不仅会影响到作业效率，还会增加安全隐患。在早期的带压作业中,引扣问题一直困扰着工程人员。为了解决这一问题，一些简易的引扣装置开始被开发出来。随着技术的进步和工程实践的积累，带压作业自动引扣装置逐渐发展成熟，并广泛应用于各个领域[2]。进入二十一世纪以来，无论是国内还是国外，能源问题都提升到了前所未有的高度，而在新能源尚且不成熟有待开发的现阶段，由于可替代清洁能源的缺乏，仍然需要大量的传统能源作为经济的发展的引擎，显然，这就导致的油田开采作业的深化，自然而然的加剧了原本就故障频发的油田开采过程。具体而言，在作业过程中由于操作者个人作业失误、井下工具意外损坏、油层出砂等各种自然以及人为的故障因素频繁发生，引发了各种各样的油田现场作业事故，并且因为事故的发生大大的阻碍了油气资源的开采进程。因此，对于正常油田开采作业而言，与之相应的修井作业工艺和设备都是油田正常生产过程所必不可少的配套设施[3]。至今为止，在四川盆地共探明了189个含油气构造和油气田，其中天然气产出大约占据全国总产量的四分之一，使得四川和重庆地区成为国内用气最广泛、气化率最高的地区。四川天然气井具有井深、高温、高压、高含硫化氢、普遍产水的特征，同时天然气具有易燃易爆、易泄露、膨胀性大的特点，天然气井带压修井作业安全风险控制难度为世界之最。一旦管控失效，将造成井毁人亡的灾难性事故。（如1223特大井喷事故：重庆市开县（今开州区）高桥镇罗家寨发生特大井喷事故，富含硫化氢的天然气猛烈喷射30多米高，失控的有毒气体随空气迅速向四周弥漫，距离气井较近的重庆市开县4个乡镇6万多灾民需要紧急疏散转移。事故导致243人因硫化氢中毒死亡、2142人因硫化氢中毒住院治疗、65000人被紧急疏散安置。）与国外修井井口的自动化水平较高相比，国内修井井口作业多处于人工操作半自动化阶段。为了解决这些问题，如何实现修井作业全过程的自动化是带压作业的关键，其中带压作业自动引扣装置是实现油管运输由油管输送猫道到井口并引扣的关键装置，可实现与油管扣的旋进、吊装、对扣和引扣，更是其中的重中之重。1.1.2研究意义随着对修井设备的安全性、智能化及效率要求的不断提升，开发一套自动化的引扣装置显得尤为重要。引扣装置是修井作业中不可或缺的工具，主要负责从猫道口夹持油管，并将其输送到井口进行定位。然而，在当前我国的修井作业中，许多地方仍旧依赖于手动操作吊卡、手动定位。作业人员站在井架二层平台上进行管柱上下，在发生井喷时，作业人员没有时间远离事故现场。这种传统的作业方法不仅无法充分保护作业人员的安全，还有可能引起严重的工程和人员安全事故。所以提高吊卡和管柱对中的自动化程度是十分重要的，因为它对于提高修井作业效率和降低成本至关重要。自动化吊卡是自动化修井作业设备中不可或缺的组成部分，能有效降低工程事故和人身事故的发生。因此，实现最终修井自动化的目标，需要不断提升吊卡和管柱对中的自动化水平。1.2带压作业自动引扣装置的国内外发展现状1.2.1国外研究现状国外对修井作业中管柱提放的机械化和自动化研究起步比较早。从20世纪50年代开始就推广应用各种机械化的修井装置，目前已经具备了一定规模[4]。目前，美国等部分发达国家已经成功研制出了机械化、自动化的修井机，实现用最少的人力进行起、下、卸管柱全套作业的自动化操作。美国怀特公司总裁路易斯·怀特和杰姆斯·汉森在90年代中期就发明了一种半自动化的遥控修井机，如图1.1所示。由于这种修井机的井口工作台上只需两个人操作，所以又称为两个人操作的修井机，这种半自动化修井机经过两年的试验和改进后，已经在美国加州Baker油田的KernRiver油区使用[5-6]。1-油管座2-卡瓦3-油管4-动力油管钳5-排管工6-操作控制工7-油管8-吊卡9-游动系统10-二层台11-立根排放器12-井架13-操作平台14-计算机控制系统15-车辆16-井口图1.1半自动化摇动修井机示意图目前，美国哈里伯顿公司的液压不压井修井装置技术比较成熟，其采用的液压修井装置有两种，一种是可以独立完成修井作业的车载式修井作业装置；另一种是需要和修井机或者是起重机配合使用才能完成修井作业的辅助液压修井装置，使用修井机或者起重机的主要作用是起吊运送管柱和辅助液压修井装置。这两种液压修井装置在进行起下管柱作业时的机械化和自动化程度都比较高。在进行修井作业时，当工作压力为55MPa，辅助液压修井装置起下管柱的速度能达到每行程2.44m。在修井作业过程中，辅助液压修井装置起下管柱作业主要是通过控制两个卡瓦来实现，这两个卡瓦也是通过液压来控制的，其中一个可以移动，另一个是固定的，在起下管柱作业过程中，它们是交替工作的。这种作业方式代替了传统的双吊卡或吊卡—卡瓦的工作方式，消除了摘、搬和挂吊卡的操作。进行修井作业时，只需要一人在修井平台上工作，一人在管桥边工作，减少了一半工作人员，采用这种液压修井装置，能提供广泛的安全、高效、无环境污染的修井服务[7]。不过在管柱上卸扣和油管拉、送和排放的操作方面还要进行人工搬运对中液压大钳、人工挂吊钩以及拉排管柱等操作。1997年，在新西兰举办的SPE钻井会议上，威德福的讴格·金赛提出了一种安全运行以及低成本的管柱处理方案，设计了远程控制的自动吊卡并在北海进行了相关实验，取得了一定的效果，其整体实现机械化，如图1.2所示，但其体积较大，成本高昂，不适合陆地修井作业低成本、高频率运移的需求[8]。图1.2机械化管柱处理装置顶驱系统能实现钻井井口作业的自动化。系统通过液压动力卡瓦来悬挂和夹紧管柱，替换了用于传统钻井作业的吊卡和吊钳，动力卡瓦和吊环倾斜系统配合使用，实现了对管柱抓送的自动化；顶驱系统通过液压扶正机械手总成能对管柱对中和扶正。顶驱系统有以上的优点，将其应用在修井作业中的话，就能实现修井作业管柱提放的机械化和自动化。加拿大的ESCO公司为此设计了“轻便顶部驱动专家”，这种系统就能应用于修井机上。1.2.2国内研究现状我国对修井作业机械化自动化的研究起步较晚，目前国内油田修井作业井口操作的机械化程度很低。为了改善修井作业工人的工作环境，降低工人的劳动强度，增加修井工人工作的安全性，国内一些石油机械厂和石油相关院校对修井井口作业的机械化进行了研究。1993年，大庆石油管理局设置了“五不十配套”的方案，涵盖了修井过程的机械化研究进程，引发了第二次国内大规模研究机械化作业的潮流，在此阶段中取得了大量研究成果，包括有筒式吊卡和油管扶正机械手等一系列机械化作业装备。但令人遗憾的是，研究成果并未满足大规模油田现场作业的要求[9]。2002年，山东东营海洋开发公司油气技术大队发明了一种油田修井自动化作业装置[10]，该作业装置通过油管自封封堵管内油压。在进行油管上卸扣作业时通过油管接箍下定位器识别接箍位置，装置的固定卡瓦能夹住油管，通过油管套筒吊卡能自动起吊油管，液压作业钳能完成油管的上卸扣作业，除此之外，主要还有井架滑轮组件和导轨系统等。整套装置主要通过液压来控制，该装置的主要优点是能和油田上现有的修井设备配套使用，自动抓起和卡紧油管以及抽油杆，对油管和抽油杆进行上卸扣作业以及对接和下放等工作，该套设备有收集修井液的装置，因此能大大降低井液对修井现场的污染。2006年，中国石油大学的张宝增设计出了一种新型管柱起下装置[11]，如图1.3所示。该装置通过卡紧管柱体来夹持管柱，并能和现有的修井设备如井架、通井机、液压大钳等配套使用。除此之外他还设计了专用的筒式吊卡、防溢流罩和动力卡瓦等部件。在运用新型管柱起下装置进行起下管柱作业时，井口只需作业工人进行部分辅助工作，主要的操作由专门的控制系统来完成。设计的筒式吊卡能识别接箍位置并自动卡住和松开管柱接箍，因此修井工人不需要进行摘挂吊环、倒换吊卡和推拉闭锁环手柄等作业。2007年，张宝增又提出了一种自动起下管柱的作业系统，该系统利用现有的通井机和井架，设计了新型的筒式吊卡、液压钳、支座卡瓦和立式排管架等，基本实现了油田修井作业管柱自动提放的机械化、自动化[12]。井架2-吊钩3-吊环4-简式吊卡5-管柱传送机械手6-管柱7-卡瓦接箍定位器8-防溢流罩9-动力卡瓦10-自封封井器11-井口法兰图1.3新型管柱起下装置示意图值得一提的是，在2007年至2014年期间，东北石油大学的常玉连教授课题组对修井机的机械化操作进行了大量深入的研究。具体而言，针对陆地修井作业小修工况的管柱操作机械化进行了研究，首先提出了整体机械化的设计方案[13]，接着对自动吊环系统进行了动力学分析[14]，对卡瓦承载部件进行了参数计算[15]，对扶正机械手碰撞过程进行了仿真研究[16]，对起升系统进行了设计及仿真[17]，并完成修井机整体机械化以及液压联合仿真分析工作[18]，完成了样机的试制，但目前尚未完成现场的推广使用。2013年，一种新型不压井修井作业自动卡瓦由西南石油大学钟功祥等人提出，如图1.4所示[19]。图1.4液压动力卡瓦机构不压井作业自动卡瓦结构主要由提升杆、卡瓦牙模、卡瓦体、液压缸、卡瓦座、卡瓦架，压盖等组成。由卡瓦牙模和卡瓦体组成卡瓦实现对管、杆柱的卡紧。上下两组卡瓦组件对称安装，采用液压缸做动力，通过提升杆提放卡瓦体。液压缸固定在卡瓦座上。当液压缸带动提升杆上行时，同时也带动卡瓦体上行，从而使卡瓦体张开，使得油管或抽油杆柱从卡瓦中心自由通过。当液压缸带动提升杆下行时，卡瓦体推动油管或抽油杆柱居中，随之使卡瓦体沿卡瓦座内锥面燕尾槽下行收拢夹住油管或抽油杆柱。在不压井起下油管或抽油杆柱作业过程中，由于井口密封，井内压力会给油管或抽油杆柱一个上顶力。当油管或抽油杆重力不足以克服井内压力造成的上顶力时，这种现象称为“管轻”，这时下卡瓦夹住油管或抽油杆柱阻止油管或抽油杆柱被顶出井外。反之，当油管或抽油杆柱重力大于上顶力时，这种现象称为“管重”，这时上卡瓦夹住油管或抽油杆柱阻止油管或抽油杆柱落入井内。2014年，华北油田公司采油工程研究院的耿玉广、谷全福等人研究了一种新型结构的修井作业机械化装置，如图1.5所示。该结构与东北石油大学相比，具有明显的区别，主要采用了在现有井架底端增设机械固定座的方式，进行修井机的改装，并设计了液压马达驱动的自动吊卡，完成液压钳控制装置的设计，实现了操作井口作业的目的，并进行了样机的制造与试验，取得了可靠的效果，不足之处在于其对井架底部的空间提出了较高的要求，并且结构略显笨重[20]。图1.5管柱操作装置2016年，中国石油大学牛文杰教授设计了一款新型自动化智能液压修井机[21]。其中管柱自动提放系统如图1.6所示。载车2-变幅油缸3-钢丝换向轮4-井架5-钢丝绳6-提升液压缸7-天轮8-自动吊卡9-二层工作台10-管柱自动运移排放系统11-双根管柱12-井口系统13-钢丝绳固定端图1.6管柱自动提放系统管柱自动提放系统采用液压缸驱动，包括钢丝换向轮、天轮、钢丝绳、变幅油缸、液压自动吊卡等部件。起升管柱时，通过天轮、提升液压缸与机架上的钢丝换向轮实现了管柱的3倍增距提升方式，当提升液压缸上升1m时，钢丝绳末端连接的液压自动吊卡上升3m，避免了由于提升双根管柱而导致的液压缸行程过大的问题。提升液压缸为该系统的关键部件，为河南汝阳液压机械厂生产的ZQ型重型冶金设备液压缸，型号为ZQ-320/220×7635G。液压缸活塞杆直径为220mm，最大行程为7635mm。该管柱自动提放系统的工序流程如图1.7所示。图1.7自动化智能液压修井机提放管柱工序流程在2018年里，ZXJ-675全自动修井机项目经过江苏油田与江苏赛瑞机器人公司三年时间进行调研、立项和样机试制，经过两年现场测试改进和试用。目前，该修井机已基本实现一键启动全自动起下油管功能[22]。总体而言，近年来国内又掀起了修井设备机械化、自动化的研究热潮。国内许多研究机构以及高校都参与其中，并提出了若干自动化修井作业的可行方案，但由于实际生产与理论研究差距较大，并且存在对已有修井机的改造成本等问题，仍然没有完成现场的推广使用，目前作业现场操作方式参差不齐，仍需完善修井设备自动化的研究。第2章设计要求和技术方案2.1设计要求（1）能自动完成起下管柱。在下管柱时能实现吊卡在猫道口自动抱合管柱并将管柱送到井口，在起管柱时能实现卸扣后的管柱被带离井口，待管柱到达预定位置时吊卡能自动张开释放管柱并能够自动回位，并且保证管柱运移过程中具有足够的稳定性。（2）能在井口自动垂直对中。管柱之间采用螺纹方式进行联接，因此要求具有较高的同轴度，而管柱上端是由大钩进行悬吊，导致管柱难以避免的发生摆动，因此要求悬吊上端管柱的同时对管柱下部进行固定，以保证螺纹联接的要求。2.2技术方案天车2-自调式垂直对中导轨3-自动吊卡4-井架5-固定导轨装置6-扶正装置图1.4自动引扣装置示意图本文设计的自动引扣装置如上图1.4所示，该自动引扣装置主要包括天车、井架、自调式垂直对中导轨、可调式滑车装置、自动吊卡、扶正装置、导轨固定装置等组成。相比较传统的现有的油田修井中的引扣装置，针对功能需求，增加了自调式垂直对中导轨、扶正装置，自动吊卡、可调滑车装置、导轨固定装置。自调导轨装置：滑车导轨是管柱作业的关键装置，区别于现有修井作业中人工进行井口作业操作的工况，由于进行自动化改进，因此对吊卡起下管柱过程中的垂直对中提出了较高的要求。借鉴目前成熟的顶驱导轨装置[23]，进行针对性的改进，设计出自调式垂直对中导轨装置。修井作业过程中，自调导轨主要起到以下功能：（1）对自调滑车装置进行导向，满足吊卡起下过程中的对中要求；（2）承受吊卡摆动过程中的力，固定自调滑车装置的相对位置；（3）自动补偿由于大钩载荷引起的井架变形，保证管柱下放过程中始终垂直并且对中井口，确保上卸扣的顺利进行[24]。可调式滑车装置：自调滑车装置在管柱提放作业中起到至关重要的作用，主要由大钩、滑车、吊环、吊环摆动装置以及自动吊卡组成。相较于目前使用的油田修井机，增加了滑车以及摆动装置等结构，即在大钩下端通过短吊环与滑车相连，起到固定起升系统运动轨迹的作用，滑车下端通过销轴连接有长吊环，自动吊卡通过吊耳悬挂在长吊环末端，长吊环中间位置安装有吊环套筒，吊环摆动液压缸一端与吊环套筒相连，另一端铰接于滑车下端，通过液压缸完成吊环的摆动动作。滑车通过两组滚轮固定在自调导轨上，使得整个起升系统沿着导轨滑道上下运动。自动吊卡设计思路如下：由液压缸提供动力，通过吊卡开合装置完成吊卡卡爪的开合，达到夹持油管的目的，同时由锁闩液压缸驱动吊卡锁闩装置，进行吊卡卡爪的锁死，保证吊卡作业时的安全性。另外，由于设计的自动吊卡需要满足起下管柱时始终保证轴线相对固定的要求，在吊卡左右侧分别设计了吊卡固定臂结构。因此自动吊卡的设计重点即为吊卡卡爪自动开合装置、自动锁死装置以及固定臂结构。根据油田修井作业工况表明，自动吊卡的设计应该满足以下要求：（1）能够准确抓取管柱；（2）抓取管柱全作业过程中应当运行平稳，不发生过大的摆动；（3）随着滑车上下滑动过程中不与修井系统其它结构发生任何干涉；（4）中心应该满足不同管柱管径夹持要求，并且便于更换。扶正装置：管柱扶正机械手是起升下放管柱作业的关键装置，其主要起到以下功能：（1）吊卡吊起来自输送装置的管柱时，在游车大钩上升到悬挂点时接住管柱，防止管柱的摆动及对井口设备的撞击；（2）下放管柱时保证管柱与井口管柱对中；（3）辅助吊卡摆动机构完成管柱的倾斜动作，将管柱平稳推放到地面输送装置。第3章计划安排和预期成果3.1计划安排1、完成带压作业自动引扣装置相关文献资料调研。（1-3周）2、完成外文资料翻译（20000字符以上），完成开题。（4-6周）3、提出带压作业自动引扣装置设计方案。（7-8周）4、完成带压作业自动引扣装置的结构设计。（9-12周）5、完成带压作业自动引扣装置的力学分析。（13-16周）6、撰写报告，完善设计（论文），准备答辩。（17-18周）3.2预期成果1、翻译2万印刷字符(或译出5000汉字)以上有关技术资料或专业文献，内容尽量结合毕业设计内容(译文连同原文单独装订成册)；2、1.5万以上的说明书和折合2.5张0号图纸工作量；3、完成带压作业自动引扣装置的装配图和关键零件图1套（设计型）；[1]涂君君.高压高产气井环空带压作业机理研究[D].成都：西南石油大学硕士论文，2009：3-53.[2]王思凡，胡东锋，张安康.带压修井工艺技术在气井水平井上的探索 [J].2020.[3]常玉连,肖易萍,高胜.修井井口机械化自动化装置的研究进展[J].石油矿场机械,2008,37(5):62-67.[4]常玉连.修井井口机械化自动化装置的研究进展[J].石油矿产机械，2008,37(5):62-67.[5]石冰，谢鹏明，LouisWille.两人操作的新型修井机[J].国外石油机械，1997(01):46-47.[6]HansenJ,WitteLE.Automatedoilrigservicingsys-tem:美国,5988299[P],1999-11-23.[7]HalliburtonInternationInc.HalliburtonRiglessServices[EB/OL].http:/.[8]HolgerK.,LorenzJ.Anewapproachtomechanizedtubularhandlingandrunningasasafeandcosteffectivealternative[A].SPE/IADCDrillingConferencepaper37603[C].SocietyofPetroleumEngineers,1997:239-248.[9]HALSE,Helge-Ruben.APOWERTONG.[P].WorldIntellectualPropertyOrganizationPa