海洋液壓模塊鉆機關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景分析

周林帥，仝兆盤，尹永晶，張 勇，余利軍，劉延峰(南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006)

海洋液壓模塊鉆機關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景分析

周林帥，仝兆盤，尹永晶，張 勇，余利軍，劉延峰
(南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006)

海洋液壓模塊鉆機在國外已經(jīng)有應(yīng)用，其液壓技術(shù)和自動化技術(shù)的顯著優(yōu)勢，使其成為未來海洋鉆機發(fā)展的新趨勢，而國內(nèi)還未見有研發(fā)和應(yīng)用的先例。為使海洋液壓模塊鉆機更好地在國內(nèi)推廣，從國產(chǎn)化生產(chǎn)制造角度，總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)海洋液壓模塊鉆機研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。從現(xiàn)場應(yīng)用角度，分析了海洋液壓模塊鉆機的應(yīng)用優(yōu)勢和劣勢，推廣應(yīng)用的意義及需克服的障礙，并分析了應(yīng)用前景，給出了發(fā)展應(yīng)用的建議。分析得出，海洋液壓模塊鉆機的國產(chǎn)化，在國內(nèi)已具備技術(shù)攻關(guān)和市場環(huán)境等推廣條件，應(yīng)予以積極研發(fā)。

液壓鉆機；海洋鉆機；模塊；關(guān)鍵技術(shù)

目前，國內(nèi)對海洋鉆機的研發(fā)、制造、應(yīng)用，主要是配備絞車、轉(zhuǎn)盤等設(shè)備為主要特色，采用機械/電動傳動的方案，并且實現(xiàn)了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，技術(shù)成熟，整套裝備國產(chǎn)化程度日益提高。但是，傳統(tǒng)機械/電動海洋鉆機的自動化程度較低，質(zhì)量大，占用平臺空間大等缺點，導(dǎo)致工人勞動強度大，安全操作風(fēng)險大，對平臺的建造規(guī)模要求較高。以液缸提升為特色的海洋液壓模塊鉆機，自20世紀(jì)90年代在國外出現(xiàn)并應(yīng)用以來，就一直備受關(guān)注，由于技術(shù)復(fù)雜，引進成本高等原因，國內(nèi)一直沒有應(yīng)用案例。與傳統(tǒng)海洋鉆機相比，同級別的海洋液壓模塊鉆機的自動化程度高，質(zhì)量輕，占用平臺空間小，以及后期改造升級容易等優(yōu)勢，將成為未來海洋鉆修機發(fā)展的新趨勢。

在20世紀(jì)末，廖謨圣[1]就指出液缸提升的液壓鉆機具有強大的生命力，總結(jié)了此類鉆機在升沉補償，質(zhì)量、尺寸，作業(yè)性能等方面的優(yōu)勢。進入21世紀(jì)以來，國內(nèi)對海洋液壓模塊鉆機的研發(fā)呼聲不斷，王榮修[2]，廖國敏[3]等總結(jié)了國外此類鉆機的發(fā)展?fàn)顩r，并為其在國內(nèi)的發(fā)展給出建議。同時，廖國敏[3]指出應(yīng)當(dāng)結(jié)合國家“中國制造2025”的發(fā)展規(guī)劃，使液缸升降型鉆機的研發(fā)站在一個高起點上。

本文結(jié)合國內(nèi)以液缸提升為特色的液壓鉆機的發(fā)展情況，從生產(chǎn)制造的角度，指出海洋液壓模塊鉆機的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，為其國產(chǎn)化進一步探索方向，指明道路。

1 研究背景

液缸提升的液壓鉆機在陸地上出現(xiàn)和應(yīng)用的較早，比較著名的有意大利DRILLMEC的輪式全液壓系列鉆機(HH系列)，挪威TTS公司生產(chǎn)的250D Land Rigs鉆機，美國的雪姆液缸升降型鉆機，以及最近的德國海瑞克的TI-350全液壓自動化鉆機。國內(nèi)研發(fā)應(yīng)用的較少，僅渤海裝備遼河重工有限公司在2012年研發(fā)一套鉤載3 150 kN，鉆深5 000 m(4″DP)的輪式全液缸升降型鉆機[4]，與DRILLMEC的HH系列相似。海洋液壓模塊鉆機在國外也有20多年的歷史，例如挪威的MH公司的Ram Rig 液缸升降型鉆機，加拿大Tesco公司新型套管鉆井液缸升降型鉆機[5]，以及意大利DRILLMEC HH系列液壓海洋鉆機[6]等，覆蓋的水域從幾十米到3 000 m，提升鉤載從900 kN到7 500 kN，鉆深從1 000 m到10 000 m，適應(yīng)鉆井平臺從固定式到浮動式等，可謂種類齊全，技術(shù)成熟，優(yōu)勢明顯。

國內(nèi)海洋液壓鉆機尚屬空白，也未見有針對海洋的液缸提升的液壓鉆機的攻關(guān)研究，研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗均待進一步提升。南陽二機石油裝備集團股份有限公司對液缸提升的液壓鉆機的關(guān)注和研發(fā)比較早，在2012年就采取與外國液壓鉆機先進制造商合作的方式，成功運營多個項目，在對海洋液壓模塊鉆機研發(fā)的過程中，根據(jù)國內(nèi)市場和應(yīng)用需求特點，在吸收國外先進鉆機和前期項目經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，做了大量的適合國內(nèi)平臺的海洋液壓模塊鉆機技術(shù)儲備，確立了自己的研發(fā)目標(biāo)和產(chǎn)品特色。

2 海洋液壓模塊鉆機研發(fā)

2.1 鉆機選型與性能指標(biāo)

本文所述的海洋液壓模塊鉆機，是結(jié)合國內(nèi)市場和應(yīng)用需求特點，以液缸提升代替?zhèn)鹘y(tǒng)絞車提升為主要特色的液壓模塊鉆機。目標(biāo)平臺是淺水固定式平臺，其總體性能滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

1) 處理單根管柱最大質(zhì)量50 kN。

3) 處理管柱最大長度15 m(包括R2、R3級的鉆桿和套管)。

4) 管柱處理速度500 m/h。

5) 液缸最大提升速度1.5～2.0 m/s。

6) 液壓系統(tǒng)額定工作壓力35 MPa。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

海洋液壓鉆機的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

1) 成套設(shè)備的液壓設(shè)計和控制技術(shù)。液壓鉆機整機配備大功率液壓站，動力源集中，而自動化的液壓工具較多，導(dǎo)致接口眾多，且部分工具間存在邏輯關(guān)系，需要進行全新的液壓原理設(shè)計，確定控制機制，如圖1所示。

2) 各自動化設(shè)備的配合銜接技術(shù)。自動化設(shè)備是集中控制，無人直接操作，各自動化設(shè)備的配合銜接方式，決定了設(shè)備的布局定位和工作流程制定。

3) 模塊化分組技術(shù)。為鉆機的陸運，海運，以及海上安裝調(diào)試提供方案。

4) 精確的監(jiān)測和控制技術(shù)。液壓鉆機的多數(shù)工具由PLC控制，各設(shè)備工作接口的對接需要自動監(jiān)測和反饋，達到精準(zhǔn)對接和控制，是實現(xiàn)執(zhí)行—反饋—調(diào)整—執(zhí)行等閉式或開式控制的關(guān)鍵技術(shù)。

5) 數(shù)據(jù)采集和分析處理技術(shù)。液壓鉆機的自動化程度高，操作人員少，然而設(shè)備的正常運行，依賴各運行參數(shù)的控制，需要采集各種運行參數(shù)，自動判斷運行狀態(tài)并顯示，為操作人員提供決策意見，甚至自動處理微小事故，輔助操作人員對鉆機進行操控。

6) 裝配技術(shù)。多數(shù)液壓設(shè)備的組裝屬于精密組裝，以確保各執(zhí)行動作的精確到位，是無人操作下的各設(shè)備接口順利對接的重要保障。

7) 相應(yīng)的檢驗和試驗技術(shù)。為液壓鉆機的制造過程監(jiān)督和接收標(biāo)準(zhǔn)，提供執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，是液壓鉆機從工廠走向現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)。

1—內(nèi)防噴器；2—下壓缸；3—主提升缸；4—平衡缸；5—流量控制閥；6—泵組控制閥組；7—工況選擇閥組；8—頂驅(qū)液壓馬達控制閥組；9—上下動力鉗；10—旋轉(zhuǎn)缸；11—控制面板。圖1 液壓鉆機液壓系統(tǒng)原理(提升系統(tǒng)部分)

2.3 關(guān)鍵設(shè)備

液壓鉆機的關(guān)鍵設(shè)備有：

1) 大功率液壓站。是整個液壓鉆機的核心動力源，可以用柴油發(fā)動機或電機驅(qū)動，多組泵同軸串聯(lián)作業(yè)，使液壓執(zhí)行機構(gòu)獲得充足的動力，并配以散熱系統(tǒng)，使液壓油可以循環(huán)利用。

2) 高效大推力的雙作用液壓缸。是井架伸縮的關(guān)鍵設(shè)備，其伸縮速度和推力是起下鉆效率關(guān)鍵的影響因素，其配套的高效的控制閥組配合液壓站的動力控制，是實現(xiàn)無級變速的關(guān)鍵因素。

3) 自動化管具處理裝置。例如HTV，立式鉆桿盒，鐵鉆工，液壓鼠洞等，是實現(xiàn)鉆具自動上卸扣，自動排管、接單根等作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。

4) 配套的液壓頂驅(qū)及其滑移裝置。可在井架上體的滑道上滑動，并在井口和鼠洞之間平行移動，是鉆機主要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備和旋扣設(shè)備。

5) 高效可靠的數(shù)據(jù)采集模塊(DAQ)和工控機設(shè)備(IPC)。實現(xiàn)鉆機的各參數(shù)收集和PLC運算處理，及時表征鉆機的運行狀態(tài)，是司鉆操作決策的依據(jù)。

這些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，從目前國內(nèi)的技術(shù)水平(如機器人研發(fā)技術(shù)[7]和大功率液壓降噪技術(shù)[8]、冷卻技術(shù)[9]以及仿真設(shè)計技術(shù)[10]等)來講，已經(jīng)具備研發(fā)實力，需要組織專門的人力、物力，予以立項攻關(guān)，而且突破這些關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，不僅有利于液壓模塊鉆機國產(chǎn)化，從而大幅度降低采購成本，也為后期投產(chǎn)后，長期運營提供技術(shù)保障，降低對外國的依賴度。

2.4 總體布置

目前，海洋液壓鉆機的布置方案也主要分為DES，DSM和P-Tank三大模塊，與常規(guī)機械/電動海洋鉆機不同的地方主要是DES模塊，液壓海洋鉆機的DES模塊主要有3大結(jié)構(gòu)：DES主結(jié)構(gòu)，滑橇結(jié)構(gòu)，平臺導(dǎo)軌，主結(jié)構(gòu)一般分為3層，上層為鉆臺面，用來安放井架，節(jié)流壓井管匯，固井管匯，立管管匯，司鉆房以及其它附屬工具等，由于鉆臺結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，方便與DES主結(jié)構(gòu)做成一體，從而降低了鉆臺面高度，中層用來安放防噴器控制裝置，固控罐及泥漿凈化設(shè)備等，下層用來安放綜合液壓站和各固控泵，主結(jié)構(gòu)正前方設(shè)置立式鉆桿盒或HTV等管子處理裝置。DES各層布置緊湊，從而減小了總體尺寸。其典型布置圖如圖2所示。

1—液缸提升型井架；2—立式鉆桿盒；3—司鉆控制房；4—高壓管匯；5—固控模塊；6—固控泵；7—滑橇結(jié)構(gòu)；8—防噴器控制裝置；9—液壓站；10—液壓頂驅(qū)。圖2 典型海洋液壓模塊鉆機DES布置示意

DES主結(jié)構(gòu)在滑橇結(jié)構(gòu)上沿一個方向滑移，滑橇結(jié)構(gòu)在平臺導(dǎo)軌上沿另一方向滑移，實現(xiàn)對井口區(qū)各個井槽的覆蓋。

3 現(xiàn)場應(yīng)用優(yōu)劣勢分析

3.1 優(yōu)勢分析

海洋液壓模塊鉆機的應(yīng)用優(yōu)勢主要集中在以下幾個方面：

1) 體積小，質(zhì)量輕，對中小型平臺(平臺尺寸約30 m×40 m)的適應(yīng)能力強。

2) 自動化程度高，省去了傳統(tǒng)的鉆臺工和架子工，且人員勞動強度低，作業(yè)效率高。

3) 動力集中，傳動簡單，易于維保，沒有了傳統(tǒng)的傳動軸，傳動箱，傳動鏈，聯(lián)軸器，離合器等需要潤滑、保養(yǎng)的零部件，省去了大量維保工作和易損件采購更換工作。

4) 鉆臺結(jié)構(gòu)簡單，不需要為動力傳動裝置設(shè)計復(fù)雜的安裝結(jié)構(gòu)，且集污、排污結(jié)構(gòu)簡單，更有利于實現(xiàn)HSE等安全環(huán)保的要求。

5) 由于沒有暴露在外的作業(yè)人員，可以實現(xiàn)全天候作業(yè)，對惡劣天氣作業(yè)適應(yīng)能力強，同時也減少了誤操作對人員的損傷，提高了作業(yè)安全性。

6) 井架、動力系統(tǒng)等模塊化程度高，拆裝簡單，方便在各平臺間拆運、組裝，提高設(shè)備利用率。

7) 主機動力采用全液壓驅(qū)動，無工作火花，更易滿足防爆要求，作業(yè)更安全。

3.2 劣勢分析

從目前國內(nèi)現(xiàn)狀看，海洋液壓模塊鉆機的劣勢表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 初始投資大。目前，海洋液壓模塊鉆機主要依賴進口，其采購成本較高，根據(jù)某4 000 m海洋液壓模塊鉆機項目的經(jīng)濟分析，液壓鉆機的采購成本比常規(guī)電動海洋鉆機高出￥2 000多萬，單提升系統(tǒng)部分，成本增加約75%，這也成為液壓鉆機在國內(nèi)發(fā)展的經(jīng)濟瓶頸。

2) 結(jié)構(gòu)受力集中。從設(shè)備布置上來看，液壓鉆機井架跨距小，井口區(qū)集中了井架，頂驅(qū)，轉(zhuǎn)盤，管子處理裝置等設(shè)備。從作業(yè)載荷上看，液壓鉆機的天車結(jié)構(gòu)屬于費力杠桿，相比常規(guī)機械海洋鉆機的天車而言，其最大受力為最大鉤載的2倍。因此，井口區(qū)受力狀況比較惡劣，需特別加強，對大跨距結(jié)構(gòu)不利。

3) 對操作人員要求的素質(zhì)較高。自動化工具性能的發(fā)揮，很大程度上依賴于操作人員的素質(zhì)，如果操作素質(zhì)不高，反而會引起各種事故，延滯作業(yè)進度，而如果操作嫻熟，則會事半功倍，而人員素質(zhì)的提升，除了大量培訓(xùn)，還需要長期磨合，不能一蹴而就。

綜上，從長期運營發(fā)展以及海洋裝備朝著自動化、智能化的發(fā)展方向來看，液壓海洋鉆機在人工成本和可靠性等方面有著傳統(tǒng)鉆機無法比擬的優(yōu)勢，傳統(tǒng)海洋鉆機若要提高自動化水平，除了增配一系列自動化工具以外，還需要對傳統(tǒng)海洋鉆機的結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程做較大改進，并需要相當(dāng)長的一段時間的磨合，而液壓鉆機在對各種自動化工具整合方面渾然天成，配合緊湊，起點較高。

4 應(yīng)用前景及發(fā)展建議

目前，海洋油氣田為了控制投資成本，小平臺多鉆井和老平臺鉆新井會日漸成為油氣鉆井承包商的主流呼聲，而液壓鉆機的特點，正可迎合這種需求。從設(shè)備演進(人力化，機械化，自動化，智能化)的角度來看，液壓鉆機的高度自動化水平，也順應(yīng)了這種演進趨勢。

就國內(nèi)情況來看，很多海洋油氣田平臺已進入中后期開發(fā)階段，且由于以前的勘探開采技術(shù)的限制，很多油氣田平臺在開發(fā)過程中又發(fā)現(xiàn)新的潛在油藏，出現(xiàn)鉆修并用的需求，這類平臺由于建造時對平臺的生產(chǎn)能力估計不足，平臺面積設(shè)計的較小，液壓鉆機對這類平臺有很好的適應(yīng)能力。所以，做好相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備，通過國家政策的扶持，結(jié)合適當(dāng)?shù)耐茝V，海洋液壓模塊鉆機會有良好的政策依托和廣闊的市場前景。

為配合海洋液壓模塊鉆機的未來發(fā)展，除了突破關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備之外，還應(yīng)做好以下兩方面的準(zhǔn)備：

1) 相應(yīng)作業(yè)人員的培訓(xùn)和作業(yè)制度的制定。

由于液壓鉆機在國內(nèi)海洋還未有應(yīng)用的先例，一批適應(yīng)自動化工具作業(yè)的專業(yè)化操作隊伍是海洋液壓鉆機推廣必不可少的，且鉆機先進性能的發(fā)揮，也很大程度上依賴于操作人員的專業(yè)素養(yǎng)。

2) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

在液壓鉆機研制和推廣過程中，具有針對性的成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，對液壓鉆機的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化是不可或缺的，有利于推動液壓鉆機在行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可和推廣，指明液壓鉆機的研發(fā)方向。

5 結(jié)論

1) 通過關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備分析，海洋液壓模塊鉆機在國內(nèi)具備國產(chǎn)化的能力，應(yīng)當(dāng)結(jié)合相關(guān)政策扶持，積極開展設(shè)計和樣機試制。

2) 海洋液壓模塊鉆機優(yōu)勢明顯，自動化起步較高，雖然有一些缺點，但可以專題研究，逐一攻破。

3) 海洋液壓模塊鉆機應(yīng)用前景良好，且符合國家未來裝備制造自動化、智能化的發(fā)展規(guī)劃，宜結(jié)合相關(guān)海洋項目予以推廣。

4) 海洋液壓模塊鉆機的應(yīng)用與推廣，離不開操作隊伍建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定等軟件配套措施，應(yīng)予以積極準(zhǔn)備。

[1] 廖謨圣.21世紀(jì)初的世界海洋石油鉆機[J].石油礦場機械，2000，20(1)：5-9.

[2] 王榮修.液壓驅(qū)動鉆機技術(shù)現(xiàn)狀和國內(nèi)發(fā)展建議[J].石油天然氣學(xué)報，2010，32(4)：381-382.

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Analysis on Key Technology and Application Prospect of Offshore Hydraulic Modular Drilling Rig

ZHOU Linshuai，TONG Zhaopan，YIN Yongjing，ZHANG Yong，YU Lijun，LIU Yanfeng
(RgPetro-MachineryGroupCo.，Ltd.，Nanyang473006，China)

Offshore hydraulic modular drilling rig has been applied overseas for many years，while there is still no report about the domestic research and application.But the distinct advantage of the rig rooted on hydraulic technology and automatic technology make it the new development trend of future offshore drilling rig.With the purpose of better domestic spreading of offshore hydraulic modular drilling rig，the key technology and key equipments in the research process of the rig in terms of localization manufacture is concludes in this thesis，which gives a start-point for the rig’s localization.And it also shows the advantage and disadvantage in practical application，which manifests the significance of popularization and barrier to overcome.Also，the possibility of future application is analyzed to provide the suggestion for the rig spread domestically.At last，it concludes that the localization manufacture of the rig has been qualified in our country in terms of technical strength and market environment，we should research it actively.

hydraulic drilling rig；marine drilling rig；module；key technology

2016-12-18

周林帥(1987-)，男，河南南陽人，碩士，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，主要從事石油機械結(jié)構(gòu)與裝備的設(shè)計工作，E-mail：zhouls_kys@126.com。

1001-3482(2017)03-0068-05

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.015