井下金属补偿器中心管压进装置的设计原理与实现

摘要：本文分析了井下金属补偿器中心管压进装置的设计设计需求、结构设计、工作原理分析，探讨了以往的金属补偿器中心管压进装置面临压入力量不足、安全风险高与操作不稳定以及报废率高等问题，在此基础上，选择了适应工艺需求的材料，并制定了相应的制造工艺、关键部件的设计确保了装置的性能优越以及通过功能测试和性能验证，确保了压进装置在实际应用中的效果。该压进装置的应用不仅提高了工作效率，降低了成本，实现了显著的经济效益，而且减少了修复井下金属补偿器工作中的安全隐患，具有重要的社会效益。

关键词：井下金属补偿器；中心管；压进装置

随着我国油气资源开采深度和复杂性的不断提升，井下作业工艺的技术要求越来越高。井下金属补偿器作为确保油井生产稳定、延长油井寿命的关键设备，在井筒内承担着调节管柱伸缩、缓解应力、防止因温度压力变化引起的油管，工具损坏等重要作用。其中，中心管是金属补偿器的核心组件，其压进伸缩直接影响金属补偿器的性能和油井作业工艺成功率。然而，在实际修复过程中，由于条件受限、工艺受限、操作难度大等原因，中心管的压进安装成为了一项极具挑战性的任务。目前市场上的相关装置在工作效率、适应性、安全性等方面还存在一定的局限性，迫切需要研发一种高效、稳定的井下金属补偿器中心管压进装置。

1工程概述

生产准备2队QC小组自1993年10月成立以来，一直专注于解决维修工作中的疑难问题及安全隐患。在2021年3月至2021年12月期间，该小组针对井下金属补偿器中心管压进装置的研制展开了一系列创新型的活动。小组共有7名成员，在活动期间共进行了12次活动，通过不断的探索和尝试，成功研制出了井下金属补偿器中心管压进装置。该装置的研制旨在解决传统压进方式中存在的效率低下、操作复杂以及安全隐患大等问题。通过科学的设计和优化，新装置不仅提高了压进效率和精度，还降低了操作人员的劳动强度，并显著提升了压进工作中的安全性。

2井下金属补偿器中心管压进装置的设计原理

2.1设计需求分析

井下金属补偿器中心管压进装置的设计原理源于对现有维修工艺缺陷的深入剖析，以及对提升维修效率和保障作业安全性的迫切需求。传统维修方式中，金属补偿器中心管压入操作主要依赖叉车撞击，但这种方法效率低下，成功率仅为30%，且存在较大的安全隐患。针对这些问题，设计需求明确指向提高压入成功率与现场修复率，同时确保操作过程的安全稳定。为实现这一目标，装置设计需确保足够的压入力、精准的控制性能以及操作的稳定性[1]。为此，设计团队采用了液压驱动系统，结合齿条千斤顶与液压缸等部件，以实现平稳、精确的压入操作。在材料选择方面，设计团队充分利用报废油管、钢板等既有资源，既降低了成本，又保证了装置的强度与耐用性。此外，装置设计还考虑了现场操作的便捷性，使操作人员能够轻松、快速地完成压进任务。

2.2结构设计

装置设计围绕中心管稳定、高效压入外管展开，同时注重现场操作便捷、设备耐用和废旧资源利用。主体框架采用长方形镂空设计，轻量且便于吊装和悬空，同时促进空气流通，减少热量积聚，保障长时间稳定工作[2]。框架两端用600mm×600mm钢板加固，中间焊接4根长7000mm的φ62mm报废油管，既强化结构又利用废旧资源。中部设116mm宽U型卡槽，精准定位中心管，防止偏移。核心驱动元件选用额定压力16Mpa、推力达5T的液压缸，克服摩擦力，实现中心管快速稳定压入。液压系统提供恒定且可调节的压入力，操作平稳可控，避免冲击破坏。材料方面，除钢板和油管外，还配置两根定压16Mpa、长度2M×2的高压软管，连接液压动力源与液压缸，保障液压能量高效传输，并适应现场灵活布置需求。所有材料经过严格测量验收，确保尺寸精度和性能符合设计要求。整体来看，井下补偿器中心管压进装置的结构设计集成了高效的动力传输系统、稳定的框架支撑结构、精确的中心管定位装置以及合理选材，形成了一个结构紧凑、操作便捷、安全可靠的压进设备，充分满足了设计之初设定的各项功能需求，有效解决了传统维修方法中的问题，提高了井下金属补偿器的修复率和修复作业安全性。

2.3工作原理分析

井下金属补偿器中心管压进装置的设计原理中，其工作原理分析揭示了装置如何将设计构想转化为实际操作过程，确保中心管顺利、高效、安全地压入外管。整个工作流程围绕液压动力源、工作部件（液压缸）和结构框架的协同运作展开，实现了精确控制、稳定传递和有效执行的功能集成。液压拧扣机作为动力源，通过液压泵产生高压油液，为压进过程提供稳定可调驱动力。液压油液经高压软管输送至液压缸，液压缸内部活塞在压力作用下推动压紧机构，对中心管施加持续均匀推力[3]。液压缸的额定压力16Mpa、推力5.0T，确保迅速平稳压入中心管，提高作业效率。结构框架承载、导向、定位，长方形镂空设计便于搬运固定，U型卡槽精准对接中心管，防止偏移，增强稳定性。装置各部件联动配合，形成高效力传递链，操作人员通过液压拧扣机调控压力，实现精准压入，简化流程，提升安全性，符合现场生产条件，有效利用废旧资源。该装置工作原理体现了设计构想的实现，确保了中心管压进的顺利进行。

3井下金属补偿器中心管压进装置面临的问题

3.1压入力量不足

传统的维修方法依赖于叉车撞击来压入中心管，然而这种方法存在明显的压入力量不足问题。由于撞击产生的力量有限，部分中心管无法被顺利压入外管体内，这直接导致了维修工作的难度增加，甚至无法完成。此外，这种撞击方式的效率极低。在尝试压入中心管的过程中，不仅耗时耗力，而且多次撞击还可能损坏工具的两端接头，甚至造成中心管变形，最终不得不报废。这种低效且易损的维修方式严重影响了维修工作的进度，不仅延长了维修周期，还增加了维修成本。

3.2安全风险高与操作不稳定

叉车撞击压入方法在井下金属补偿器中心管压进过程中存在显著的安全风险。实际操作中，由于撞击力度和方向的难以精确控制，工具在撞击过程中容易出现大幅度偏移，这极大增加了操作的不可预测性。一旦工具偏移，不仅可能损坏正在维修的设备，更严重的是，可能对现场的操作人员构成直接的人身伤害威胁。此外，这种操作方式的不稳定性使得整个维修过程变得异常复杂和危险。在尝试压入中心管的过程中，由于力度和方向控制不当，中心管本身也可能出现意外情况，如断裂、弹出等，这些都进一步加剧了维修工作的安全风险。

3.3报废率高

根据2020年的统计数据，由于中心管不能压入、变形、丝扣损坏等原因导致的报废件数量高达154件，报废率极高。这不仅意味着大量的井下补偿器中心管需要被替换，增加了维修成本，同时也造成了资源的严重浪费。此外，高报废率还影响了设备的整体性能和使用寿命，对企业的生产运营造成了不利影响。因此，降低报废率、提高资源利用效率成为井下金属补偿器中心管压进装置面临的重要问题。

4井下金属补偿器中心管压进装置的实现方法

4.1材料选择与制造工艺

井下金属补偿器中心管压进装置的实现方法，尤其是材料选择与制造工艺，是确保装置性能优良、满足设计需求的关键环节。在该设计项目中，小组精心选择了适合的材料，并制定了严谨的制造工艺，以确保装置的耐用性、安全性与高效性。

在材料选择上，设计团队充分考虑了经济效益与资源利用。框架结构主要采用φ62mm的报废油管以及600mm×600mm的钢板，这些材料来源于废旧资源，既降低了成本，又实现了废物再利用，符合绿色制造理念。报废油管经过严格筛选与清洗处理，确保其具备足够的强度和耐腐蚀性，适用于作为框架的主要承力元件。钢板则经过切割、打磨等预处理工序，确保其表面平整、尺寸精确，适合作为框架端部的连接件。此外，两根高压软管作为液压油液的传输管道，其材质、压力等级和长度均严格按照设计参数采购，确保在高压环境下不会发生泄漏或爆裂。

在制造工艺方面，小组遵循精密制造的原则，确保每个环节的工艺精度与质量控制。首先，通过CAD软件绘制详细的框架结构图纸，并经上级技术部门审核确认，为后续制造提供准确的技术依据。接着，按照图纸要求进行下料，包括对报废油管进行切割、对钢板进行裁剪，确保尺寸精确无误[4]。然后，进行焊接作业，将油管与钢板焊接成整体框架，过程中严格执行焊接工艺标准，确保焊缝质量优良、无虚焊、漏焊现象，同时进行必要的焊后热处理，消除焊接应力，增强结构的稳定性。对于液压缸等关键工作部件，小组通过市场调研，选择符合设计要求的成熟产品，如型号为HSG-E 63×35×1000的液压缸，确保其性能稳定、可靠性高。在材料验收与设备组装阶段，小组对所有零部件进行严格的尺寸、性能检测，确保其符合设计要求。组装时，按照设计图纸将框架、液压缸以及高压软管等部件精确对接，通过高压软管将液压拧扣机与液压缸连通，形成完整的液压传动系统。最后进行整体设备的调试与检验，包括对焊点牢固性、连接部位密封性以及整机工作性能的测试，确保装置达到设计指标，能够在实际使用中安全、稳定、高效地完成中心管压进任务。

4.2 关键部件设计

井下金属补偿器中心管压进装置的实现方法中，关键部件的设计与实现是确保装置整体性能和工作效果的核心。该装置的关键部件设计主要包括动力源（液压拧扣机）、工作部件（液压缸）、框架结构以及材料的选择与加工，如图1所示。

4.3 功能测试与性能验证

功能测试与性能验证是确保装置实际效能满足设计要求、达到预期目标的关键步骤。该验证过程涵盖了对装置整体功能的集成测试、安全性能的全面评估以及实际应用效果的现场验证，旨在确保装置在实际使用环境中能够稳定、高效、安全地完成中心管压进任务。一方面，进行装置的组装实验，严格按照设计图纸进行各部件的装配，包括将框架结构与液压缸进行组合焊接，用高压软管将液压拧扣机与液压缸连接起来，形成完整的压进装置。在组装过程中，仔细检查核对工具，确保所有部件安装位置准确，连接紧密无松动，为后续功能测试打下良好基础。另一方面，进行设备的安全验证。小组对装置在使用过程中的安全性能进行了深入论证，关注设备在操作、运输、维护等各个环节可能存在的安全隐患，评估其在极端工况下的稳定性和故障防护能力[5]。通过模拟实际操作环境，对装置的结构强度、密封性能、防爆性能等关键安全指标进行严格测试，确保装置在任何情况下都能保证操作人员的安全，降低事故风险。接下来，进行效果验证，即现场对压进装置的使用效果进行实测。在确保补偿器完好的状态下，使用装置将中心管压入外管内，记录并监控压入过程，重点观察压入时间、中心管位置稳定性、装置运行平稳性等关键性能指标[6]。通过实验，验证装置能否在规定时间内（压入时间≤10min）顺利完成中心管压入任务，同时确保压进过程中中心管不发生偏移、工具无损坏，达到预期的维修效果。结果显示，压入时间满足预定要求，工具完好，表明装置实现了设计目标。

5效果分析

本文对2021年4月-11月井下补偿器的回收和维修情况进行了统计，如表1所示。在装置现场应用后，井下金属补偿器的修复率从原来的31%提升至84%，远超设定的60%目标。这一显著提升验证了装置设计的科学性与实用性，有效解决了原维修方法力量不足、安全性差、效率低下的问题，显著提高了中心管压进成功率和整体维修效率。

5.1经济效益

每修复一根井下金属补偿器发放单价为3010.4元，而投入成本包括液压缸、高压软管成本约600元，更换密封圈费用约为100元。计算得出，每修复一台井下金属补偿器可创造的直接经济效益为3010.4元 - 100元= 2910.4元。按照2021年修复147台计算，总经济效益为147台 × 2910.4元/台-600元 = 427，228.8元。这表明装置的应用不仅提高了维修效率，还带来了可观的经济效益。

5.2社会效益

使用新装置后，降低了井下金属补偿器的报废率，减少了采油二厂的作业成本，同时降低了操作人员的劳动强度，提高了维修工作的安全性。这不仅有助于优化企业资源利用，也有助于提升员工工作满意度，营造更加安全、高效的工作环境。

6结束语

井下金属补偿器中心管压进装置的设计原理与实现，不仅是技术创新的重要成果，更是对石油工程安全高效作业的一次有力推动。通过精准设计，成功打造了结构稳固、性能卓越的装置，为井下作业提供了有力保障。在实现过程中，注重细节，精益求精，确保了装置的可靠性和耐用性。该装置的成功应用，不仅提高了作业效率，降低了成本，更提升了维修作业安全性，为石油行业的稳步发展注入了新的活力。

参考文献

[1]王通，孙永涛，白健华，等. 海上耐高温井下安全控制管柱系统的研制 [J]. 石油钻探技术， 2017， 45 （06）： 49-54.

[2]杨波，林长吉，李学忠. 自适应井下信号补偿器 [J]. 石油仪器， 2002， （05）： 9-12+60.

[3]张顺清. 推广OSB型三相交流电压补偿器效果的分析 [J]. 煤炭科学技术， 1994， （09）： 59-60.

[4]蒯泽明. 注汽井下隔热补偿装置的研究及应用 [J]. 中小企业管理与科技（下旬刊）， 2014， （03）： 320.

[5]王洪林，李啸南，段建辉，等. 热敏封隔器的最佳受力设计 [J]. 特种油气藏， 2007， （05）： 91-93+110.

[6]刘志华，王志敏. 井下温度补偿器的打捞方法 [J]. 特种油气藏， 2002， （01）： 59-60+84-85.