山地小模塊化石油鉆機(jī)底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

楊曉紅，李玉武

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.哈爾濱工大金濤蘭州分處，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

因全球環(huán)保理念的提出，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)勢(shì)在必行，同時(shí)全球?qū)τ蜌赓Y源的需求持續(xù)增長(zhǎng)，資源豐富的非常規(guī)天然氣受到全球各國(guó)的青睞。我國(guó)擁有豐富的頁(yè)巖氣資源，四川省頁(yè)巖氣資源量和可采資源量均居全國(guó)第一。開(kāi)采頁(yè)巖氣成為我國(guó)天然氣勘探工業(yè)化的重要目標(biāo)，由于四川省縣鄉(xiāng)道路窄、坡度大、轉(zhuǎn)彎急，對(duì)鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)輸尺寸提出了更高的要求，結(jié)合四川省特殊地理?xiàng)l件、公路運(yùn)輸要求及鉆機(jī)設(shè)計(jì)原則，蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了7 000 m山地小模塊化鉆機(jī)，以適應(yīng)四川頁(yè)巖氣市場(chǎng)需求。

筆者通過(guò)對(duì)比鉆機(jī)底座優(yōu)化前及優(yōu)化后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得出鉆機(jī)底座優(yōu)化前及優(yōu)化后結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)重量，通過(guò)對(duì)照相關(guān)公路運(yùn)輸及鐵路運(yùn)輸要求，底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后達(dá)到了相對(duì)高的運(yùn)輸要求，從而解決了運(yùn)輸難及運(yùn)輸成本高等問(wèn)題，同時(shí)也解決了許多安裝操作安全問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)原則

底座依據(jù)API Spec 4F規(guī)范并結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)手冊(cè)》相關(guān)規(guī)定[1]設(shè)計(jì)計(jì)算，奉行“安全、可靠、先進(jìn)、適用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保”等原則，配合鉆機(jī)整機(jī)滿(mǎn)足現(xiàn)代鉆井工藝要求。

基于四川運(yùn)輸條件限制，根據(jù)交通部《超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》，對(duì)底座主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行拆分優(yōu)化。滿(mǎn)足公路運(yùn)輸要求，設(shè)計(jì)尺寸結(jié)合運(yùn)輸尺寸控制在超限范圍內(nèi)，降低運(yùn)輸成本，提高整機(jī)利潤(rùn)。

2 底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)[2]

底座型號(hào)：DZ450/10.5[3]；鉆臺(tái)高度：10.5 m；鉆臺(tái)面積：13.65 m×12.65 m；轉(zhuǎn)盤(pán)梁底面凈空高：9 m；轉(zhuǎn)盤(pán)梁最大靜載荷：4 500 kN；立根盒額定載荷：2 200 kN。其中優(yōu)化前原鉆臺(tái)面尺寸為13.9 m×12.65 m。

以原有DZ450/10.5旋升式底座[1]為基礎(chǔ)，底座主要有頂層、中層、底層、臺(tái)面內(nèi)圍、臺(tái)面外圍組成，主要優(yōu)化改造了頂層及底層結(jié)構(gòu)方案，使拆分結(jié)構(gòu)同時(shí)滿(mǎn)足使用強(qiáng)度和運(yùn)輸尺寸的要求。

2.2 頂層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

原底座頂層主要由立根盒梁、前飄臺(tái)、左上座、右上座、轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)座、絞車(chē)前梁、絞車(chē)后梁等組成。原有左上座跟右上座均為一片式部件，優(yōu)化后在沒(méi)有削弱基座強(qiáng)度的基礎(chǔ)上將左上座分為左前上座及左后上座，右上座分為右前上座及右后上座；原有底座絞車(chē)梁由絞車(chē)前梁及絞車(chē)后梁組成，因鉆機(jī)放置絞車(chē)的變化，在滿(mǎn)足承重絞車(chē)的前提下將絞車(chē)前后梁縮減為一個(gè)絞車(chē)梁；由于轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)沒(méi)有變化，所以用來(lái)承重的轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)梁在原有定位尺寸不變的情況下結(jié)合左右上座及走臺(tái)一和走臺(tái)二的尺寸后，稍許作了調(diào)整；原有底座上設(shè)立根盒梁及前支架，現(xiàn)有底座結(jié)合優(yōu)化后的左右上座及絞車(chē)梁，在滿(mǎn)足7000 m鉆機(jī)立根容量的能力和不減少鉆臺(tái)面活動(dòng)面積的前提下將前支架換成鋪板，立根盒梁的尺寸稍作調(diào)整。在包裝運(yùn)輸時(shí)，絞車(chē)梁可以在寬度方向上拆開(kāi)發(fā)運(yùn)。左右上座優(yōu)化后主機(jī)構(gòu)尺寸寬2 650 mm。優(yōu)化尺寸對(duì)比如表1所列，表中尺寸為最大輪廓尺寸。優(yōu)化前的底座頂層見(jiàn)圖1，優(yōu)化后的底座頂層見(jiàn)圖2。

表1 底座頂層主要部件優(yōu)化尺寸對(duì)比(表中尺寸為最大輪廓尺寸)

圖1 優(yōu)化前底座頂層1.立根盒梁 2.飄臺(tái) 3.左上座 4.走臺(tái)一 5.絞車(chē)前梁 6.絞車(chē)后梁 7.轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)座 8.走臺(tái)二 9.右上座

圖2 優(yōu)化后底座頂層1.立根盒梁 2.左前上座 3.左后上座 4.走臺(tái)一 5.轉(zhuǎn)盤(pán)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)梁 6.絞車(chē)梁 7.走臺(tái)二 8.右前上座 9.右后上座

2.3 中層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于底層高度提高，在保證鉆臺(tái)底座高度不變的情況下，中層立柱的尺寸有所縮短，由原先的8 160 mm改為7 810 mm。其余結(jié)構(gòu)基本保持不變。前后立柱寬度均為1 890 mm，斜立柱最寬2 046 mm。

2.4 底層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化前的底座底層見(jiàn)圖3，優(yōu)化后的底座底層見(jiàn)圖4。

圖3 優(yōu)化前底座底層1.左前下座 2.左后下座 3.底拉梁 4.斜拉梁 5.拉梁 6.右后下座 7.右前下座

圖4 優(yōu)化后底座底層1.左前下座 2.左后下座 3.底拉梁 4.斜拉梁 5.拉梁 6.右后下座 7.右前下座

底層作為鉆機(jī)與地面承重地基直接接觸的受力面，給整個(gè)底座井架提供基礎(chǔ)，在適應(yīng)特殊運(yùn)輸條件及滿(mǎn)足承重要求的條件下，將底座底層結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)的調(diào)整。結(jié)合原鉆機(jī)尺寸及中層原有結(jié)構(gòu)，綜合考慮結(jié)構(gòu)跟承重的情況，將左前下座尺寸縮短，加長(zhǎng)左后下座，縮短右前下座尺寸，加長(zhǎng)右后下座尺寸，同時(shí)遵循的原則是左前下座和左后下座總長(zhǎng)基本保持不變，右前下座和右后下座總長(zhǎng)基本保持不變，斜拉梁跟拉梁的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，隨著重心的移動(dòng)而改變。左前下座與右前下座優(yōu)化后主結(jié)構(gòu)尺寸寬2 650 mm。底座底層主要部件優(yōu)化尺寸對(duì)比見(jiàn)表2所列，表中尺寸為最大輪廓尺寸。

表2 底座底層主要部件優(yōu)化尺寸對(duì)比

2.5 底座低位起升尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

底座整體在低位起升狀態(tài)時(shí)，將原鉆機(jī)底座低位狀態(tài)尺寸D(如圖5)由3 000 mm升高到3 829 mm，升高底座低位高度后，有利于安裝BOP吊裝裝置跟絞車(chē)梁下的儲(chǔ)氣罐。原鉆機(jī)因?yàn)榈臀怀叽鐩](méi)有足夠高，所以BOP吊裝裝置在安裝時(shí)需要將地基挖低一點(diǎn)，這樣增加了安裝工作量，也存在安全隱患。優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸后，BOP吊裝裝置在低位可以正常安裝進(jìn)去。原鉆機(jī)安裝儲(chǔ)氣罐時(shí)多是在高位安裝，不符合現(xiàn)在油田安全使用要求，優(yōu)化此尺寸后，儲(chǔ)氣罐可以在低位完成安裝，極大的減少了安全隱患。

圖5 底座低位起升狀態(tài)

3 底座尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化后優(yōu)勢(shì)

由于四川省特殊的地理?xiàng)l件，公路運(yùn)輸要求比較高，鑒于道路蜿蜒崎嶇，轉(zhuǎn)彎半徑比較小，所以根據(jù)用戶(hù)要求，當(dāng)然這些要求是結(jié)合安全運(yùn)輸及降低運(yùn)輸成本來(lái)的，現(xiàn)將運(yùn)輸尺寸長(zhǎng)控制在10 500 mm內(nèi)，結(jié)構(gòu)主尺寸寬最大控制在3 000 mm內(nèi)，高度控制在2 800 mm內(nèi)。根據(jù)交通部《超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》，車(chē)貨總高度從地面算起超過(guò)4 m，車(chē)貨總寬度超過(guò)2.55 m，車(chē)貨總長(zhǎng)度超過(guò)18.1 m，二軸貨車(chē)，其車(chē)貨總質(zhì)量超過(guò)18 000 kg，三軸貨車(chē)，其車(chē)貨總質(zhì)量超過(guò)25 000 kg，三軸汽車(chē)列車(chē)，其車(chē)貨總質(zhì)量超過(guò)27 000 kg，滿(mǎn)足上述任何一個(gè)條件都屬于超限。由于我們常用的板車(chē)的高度最低為1.2 m，1 m的板車(chē)屬于特種車(chē)，所以我們還是在能控制產(chǎn)品尺寸的前提下將產(chǎn)品高度尺寸控制在2.8 m內(nèi)。

對(duì)于鉆機(jī)底座這種承重要求很高結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，我們經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的某些少數(shù)的寬度尺寸沒(méi)有達(dá)到交通部運(yùn)輸寬度不超限的要求(結(jié)構(gòu)附件超限)，但是在降低超限等級(jí)的情況下，我們盡可能的將寬度尺寸縮小。這樣既可以降低向政府部門(mén)申請(qǐng)超限運(yùn)輸?shù)某杀?，又可以?shí)現(xiàn)將所有貨物的運(yùn)行路線控制在一條線路上，避免繞路產(chǎn)生的費(fèi)用。

優(yōu)化后的底座大型部件尺寸在滿(mǎn)足山地小模塊汽運(yùn)的前提下，還滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)及俄羅斯鐵路運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)(俄羅斯鐵路運(yùn)輸是國(guó)外要求相對(duì)嚴(yán)格的國(guó)家)，尺寸均沒(méi)有超限，極大降低運(yùn)輸難度及運(yùn)輸費(fèi)用。中國(guó)和俄羅斯鐵路運(yùn)輸超限尺寸如圖6。

圖6 中國(guó)和俄羅斯鐵路運(yùn)輸超限綜合圖

結(jié)合底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸(見(jiàn)表1、表2)，可以看出優(yōu)化后底座所有大件單元的尺寸長(zhǎng)度均控制在10 500 mm內(nèi)，很好的滿(mǎn)足了運(yùn)輸時(shí)的長(zhǎng)度要求，滿(mǎn)足了汽車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑的要求，這樣在可以選擇短板車(chē)節(jié)省成本的同時(shí)也提高了運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著鉆機(jī)市場(chǎng)日新月異的變化，石油鉆機(jī)要適應(yīng)環(huán)境、氣候、地理位置、運(yùn)輸?shù)榷喾矫娴囊?，哪個(gè)方面考慮不周都會(huì)造成無(wú)法使用?；诂F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)鉆機(jī)的多方面要求，鉆機(jī)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)越來(lái)越通用化，可以同時(shí)滿(mǎn)足多種地形及其運(yùn)輸要求。鉆機(jī)可以根據(jù)用戶(hù)的多樣化要求隨時(shí)定制修改設(shè)計(jì)方案，鉆機(jī)在運(yùn)輸方面，會(huì)越來(lái)越完善，本著運(yùn)輸安全性和經(jīng)濟(jì)性，將運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)降為零，將用戶(hù)的運(yùn)輸成本降到最低，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)以及國(guó)際市場(chǎng)。