石油鉆機(jī)整機(jī)移運(yùn)裝置設(shè)計(jì)研究

李睿明

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機(jī)是開采石油的主要鉆井設(shè)備，由于鉆機(jī)設(shè)備龐大、零部件比較多，一定程度上增加了鉆機(jī)移運(yùn)難度。當(dāng)前我國石油鉆機(jī)普遍存在移運(yùn)不便、搬遷安裝時(shí)間長、拆卸工作量大等問題，嚴(yán)重影響鉆機(jī)工作效率和石油開采成本。我國陸地石油資源主要集中的東北、華北、西北等地方，這些地方的石油資源豐富，西部地區(qū)多沙漠、隔壁，東部地區(qū)石油資源主要集中在平原，井場寬廣，井距近，有利于鉆機(jī)整體搬移，可以減少鉆機(jī)拆卸時(shí)間，從而減低鉆井的生產(chǎn)成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)、液壓技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)在石油開采工藝中的應(yīng)用，鉆井的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平不斷提高。目前，國內(nèi)常見的拖車式移運(yùn)裝置、步進(jìn)式移運(yùn)裝置、滑移式整體移動(dòng)裝置以及輪軌式移運(yùn)裝置，這些移運(yùn)裝置無法實(shí)現(xiàn)整機(jī)整體移動(dòng)，且適合小區(qū)域鉆從式井作業(yè)。因此，我國還需要進(jìn)一步研發(fā)大型鉆井整機(jī)移運(yùn)裝置，提高移運(yùn)裝置的工作效率和工作范圍。

1 幾種常見的鉆機(jī)移運(yùn)裝置

（1）拖車式移運(yùn)裝置。拖車式移運(yùn)裝置利用拖車牽引裝置將底座和井架運(yùn)輸?shù)焦ぷ鲌龅?，這種類型的移運(yùn)裝置需要在鉆機(jī)底座上安裝承載升降系統(tǒng)、承載輪滑、鵝頸等附件，在移運(yùn)過程中，升降系統(tǒng)托起底座，并安裝承載輪軸，牽引車的牽引拖臺連接底座上的鵝頸將其移運(yùn)到鉆機(jī)底座。井架移運(yùn)時(shí)，將井架水平放置以后，安裝滑動(dòng)系統(tǒng)托架，并固定在游車上，天車尾部的前托架和牽引車連接，牽引車牽引整個(gè)底座和井架到規(guī)定位置。但是，這種拖車式移運(yùn)裝置在移運(yùn)過程中，托架、牽引車、底座不容易對接好，運(yùn)輸過程中，無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

（2）步進(jìn)式移運(yùn)裝置。步進(jìn)式移運(yùn)裝置是在鉆機(jī)底座安裝4 個(gè)角液壓系統(tǒng)的移動(dòng)裝置，井架豎直方向的頂升液壓系統(tǒng)伸長將鉆機(jī)整體抬升到一定高度，平移液壓系統(tǒng)則沿著水平方向移動(dòng)移運(yùn)車在軌道上移動(dòng)，移動(dòng)到指定位置以后，頂升液壓排放壓力，鉆機(jī)自動(dòng)落下，平移液壓系統(tǒng)則縮回到原來的位置，導(dǎo)軌恢復(fù)到原來初始狀態(tài)。這樣一個(gè)過程為一個(gè)步進(jìn)，在鉆機(jī)移運(yùn)過程中，需要多次循環(huán)數(shù)步進(jìn)才能完成移運(yùn)工作目標(biāo)。這種移運(yùn)方式，對平移和頂升的距離、角度要求比較高。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，越來越多的石油企業(yè)加大對鉆機(jī)移運(yùn)裝置的研究，第四石油機(jī)械廠研發(fā)的步進(jìn)式鉆機(jī)將操作旋轉(zhuǎn)桿改為液壓桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置移動(dòng)，極大地提高了移運(yùn)裝置工作效率，縮短了建井周期。

（3）滑移式整體移運(yùn)裝置。滑移式整體移運(yùn)裝置主要由組合式滑軌和液壓平移裝置構(gòu)成，鉆機(jī)底部兩側(cè)滑移軌道上設(shè)置了距離相同的矩形槽，兩個(gè)移動(dòng)液壓缸活塞伸長或者縮回時(shí)，則棘爪被推入到導(dǎo)軌的矩形槽并卡住槽位，油缸收縮或伸長時(shí)則帶動(dòng)整個(gè)鉆機(jī)整體在軌道上移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，如果需要改變方向，只需要轉(zhuǎn)變棘爪的方向。這種移運(yùn)裝置不需要升降設(shè)備，滑軌與地面充分接觸，對地面的要求比較低。但是由于導(dǎo)軌接觸面安裝了棘爪槽，則一定程度上降低了導(dǎo)軌的承載重量。

（4）輪軌式移運(yùn)裝置。輪軌式移運(yùn)裝置則是在滑移式移運(yùn)裝置的基礎(chǔ)上，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)摩擦，通過液壓缸推滑輪向軌道平移。鉆機(jī)移運(yùn)時(shí)，利用底座四個(gè)角的8 個(gè)升降油缸將鉆機(jī)整體提升2m，然后拆除底座和軌道兩側(cè)的鎖緊裝置和墊片，上升油缸泄完壓力以后，車輪和軌道接觸，移動(dòng)油缸推動(dòng)鉆機(jī)沿著導(dǎo)軌平移一個(gè)油缸行程。然后，取下油缸和軌道的連接銷軸，則油缸液壓系統(tǒng)回縮到下一個(gè)軌道的步進(jìn)孔，將其連接銷軸則完成一個(gè)步進(jìn)工作。連續(xù)循環(huán)直到鉆機(jī)移動(dòng)到新的鉆井位。這種輪軌式移運(yùn)裝置的移運(yùn)效率比較高，移運(yùn)時(shí)間比較少，降低了工作量。但是，這種移運(yùn)裝置無法放置在井架底座，且只能單方向前后移動(dòng)，存在一定的缺陷。因此，需要進(jìn)一步完善鉆機(jī)整體移運(yùn)裝置的工作效率，提高移運(yùn)裝置的自動(dòng)化水平和靈活度。

2 石油鉆機(jī)整機(jī)移運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)

（1）移運(yùn)裝置整體設(shè)計(jì)思路。整機(jī)移運(yùn)裝置主要滿足7000m 石油鉆機(jī)開采和勘探工作要求，移運(yùn)裝置采用步進(jìn)式平移方式，也就是在鉆機(jī)的左右基座安裝平移裝置支撐座，需要平移作業(yè)時(shí)，則只需要將鉆機(jī)主體用四套平移裝置提升液壓缸，在自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的作用下，帶動(dòng)鉆機(jī)向前或者向后移動(dòng)到指定位置以后，剎車系統(tǒng)拉動(dòng)制動(dòng)器，然后收縮液壓油缸，將鉆機(jī)移動(dòng)指定位置。鉆機(jī)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵采用交流變頻電傳動(dòng)全數(shù)字控制，確保整個(gè)鉆機(jī)的自動(dòng)化控制。鉆機(jī)電力控制系統(tǒng)采用PLC 技術(shù)控制，并在頂部驅(qū)動(dòng)裝置、輸管機(jī)、鉆井泵等設(shè)備之間設(shè)置安全邏輯互鎖裝置和邏輯故障診斷設(shè)備，提高整個(gè)鉆機(jī)操作的安全性。

（2）設(shè)備基本技術(shù)參數(shù)。鉆機(jī)深度為7000m，最大靜鉤載重為4500kN，井架底座直立輪式移運(yùn)質(zhì)量為850t，井架底座移運(yùn)質(zhì)量為970t，鉆井液步進(jìn)移動(dòng)質(zhì)量為720t，液壓系統(tǒng)額定壓力為21MPa，頂升油缸單點(diǎn)最大頂升力為3000kN，移動(dòng)速度為112.5mm/min，高位貓道移運(yùn)質(zhì)量為68t。

（3）主機(jī)模塊設(shè)計(jì)。為了減少鉆機(jī)整體移運(yùn)過程中的拆卸時(shí)間，鉆機(jī)采用大模塊設(shè)計(jì)，井架、底座以及上部裝置為主機(jī)模塊，主機(jī)模塊配套步進(jìn)和輪軌式移運(yùn)裝置，根據(jù)具體作業(yè)環(huán)境，采用移運(yùn)方式。井作業(yè)時(shí)，井架底座處于直立狀態(tài)下可直接帶動(dòng)鉆柱移動(dòng)；長距離鉆井移運(yùn)時(shí)，則井架和底座可采取直立拖掛運(yùn)輸。主機(jī)模塊步進(jìn)裝置安裝4 個(gè)角點(diǎn)，由舉升油缸、步進(jìn)油缸、定向裝置、滾子總成構(gòu)成，移運(yùn)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)方向設(shè)置好定向裝置的方向，然后通過舉升油缸頂起移運(yùn)模塊，步進(jìn)油缸推動(dòng)移運(yùn)模塊前進(jìn)到下一個(gè)步進(jìn)位置，舉升油缸回落到原來位置，步進(jìn)油缸縮回到液壓系統(tǒng)，并將移運(yùn)靴歸位，進(jìn)入下一個(gè)步進(jìn)循環(huán)工作。

（4）鉆井液模塊設(shè)計(jì)。鉆井泵、吸入罐、振動(dòng)篩罐則安裝在鉆井液模塊上，并安裝步進(jìn)和輪軌式移運(yùn)裝置。井作業(yè)時(shí)，鉆井液的載荷跟進(jìn)主機(jī)移運(yùn)情況變化，減少了拆卸工作量，但是一定程度上增加了鉆井液模塊的面積，步進(jìn)移運(yùn)鉆井液的模塊面積為28.2×20.4×13.4（m），鉆井模塊面積太大，影響到長距離輪式運(yùn)輸，在運(yùn)輸過程中，可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎困難，增加整體輪式移運(yùn)質(zhì)量，影響到整個(gè)鉆井液模塊的移運(yùn)速度。因此，考慮到長距離運(yùn)輸，將鉆井液模塊拆分為鉆井液罐單元和鉆井泵單元，并將兩個(gè)單元分別安裝在步進(jìn)移運(yùn)裝置上、下升降系統(tǒng)，不需要大型吊裝設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)升降系統(tǒng)快速對接，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液模塊快速安裝和拆卸，提高整個(gè)移運(yùn)速度和工作效率。

（5）高位貓道設(shè)計(jì)。在鉆井作業(yè)時(shí)，需要為鉆機(jī)移運(yùn)預(yù)留一定的空間，讓移運(yùn)裝置可以同步主機(jī)移運(yùn)到指定位置。因此移運(yùn)裝置設(shè)計(jì)了拖掛式高位貓道，高度為5m，寬度為9.7m，并配備抓管機(jī)和輸管機(jī)。

高位貓道的輪軸設(shè)計(jì)為全轉(zhuǎn)向，可以實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、斜向任意角轉(zhuǎn)變，主機(jī)模塊前進(jìn)或者后退時(shí)，高位貓道可與主機(jī)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)同步移運(yùn)。如果鉆機(jī)需要長距離運(yùn)輸，則高位貓道主管機(jī)和輸管機(jī)拖掛主機(jī)整體移運(yùn)。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對鉆機(jī)整機(jī)移運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用模塊設(shè)計(jì)，可以提高整個(gè)移運(yùn)裝置的靈活性，并利用PLC控制系統(tǒng)，對鉆機(jī)移運(yùn)裝置進(jìn)行控制，降低工人的工作量，提高移運(yùn)裝置的靈活性。