3 000 m快移快裝鉆機(jī)創(chuàng)新技術(shù)及應(yīng)用

李聯(lián)中 李曉明 王正濤 劉興邦

(1.中石化勝利工程物裝中心 2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司)

0 引 言

勝利油田油水井主要以淺井、中深井為主，平均深度約2 100 m，適合采用3 000 m鉆機(jī)施工作業(yè)[1]。國內(nèi)3 000 m鉆機(jī)以大慶型鉆機(jī)或ZJ32鉆機(jī)為主，設(shè)備普遍老舊、外形笨重、結(jié)構(gòu)零散[2]，近年新研制的ZJ30鉆機(jī)模塊化程度也不高，搬遷拆卸和移運安裝耗時。關(guān)于3 000 m快速移運鉆機(jī)，我國在車裝鉆機(jī)和拖掛式鉆機(jī)方面做了大量研究，相關(guān)廠家[3]開發(fā)了ZJ30DBT拖掛鉆機(jī)及ZJ30/1700CZ車裝鉆機(jī)。雖取得了開創(chuàng)性的成果，但也存在一些問題：主機(jī)偏重，半拖掛車承載能力略顯不足；部分部件仍沿用常規(guī)設(shè)計，搬遷和安裝不便；運輸時需抽取鉆井繩并拆除游吊系統(tǒng)，與常規(guī)鉆機(jī)相比并不快捷。此外，小型鉆機(jī)采用拖掛或車裝方案，雖然快速移運性能得到提高，但定制車體部分投資較大。一些拖掛鉆機(jī)因井架或底座使用拖車整拖尺寸與質(zhì)量都很大，適合在寬敞的沙漠環(huán)境中短距離移運，公路運輸需拆成散件，喪失了快速移運性。結(jié)構(gòu)設(shè)計重點關(guān)注快速移運而忽視了快速拆卸與安裝。

針對上述問題，筆者研發(fā)了一種液壓起升下放的3 000 m快移快裝鉆機(jī)。該鉆機(jī)不采用拖掛或車裝方案，而是充分考慮油田運輸條件和車輛運輸能力并保證鉆機(jī)整體性能可靠、先進(jìn)，在關(guān)鍵配套件上做了大量技術(shù)創(chuàng)新，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)并將鉆機(jī)主體拆分成盡量大的獨立模塊，模塊之間采用快速組合與拆分技術(shù)，減小鉆機(jī)拆卸安裝和運輸工作量，提高快速拆裝和移運性能。鉆機(jī)滿足公路運輸要求，特別適合公路發(fā)達(dá)地區(qū)的油田使用，也可推廣到山區(qū)、農(nóng)田和城市等小井場作業(yè)區(qū)域用于石油、天然氣及地?zé)岬茹@修井作業(yè)。

1 鉆機(jī)總體方案

3 000 m快移快裝鉆機(jī)由鉆臺區(qū)、固控區(qū)、油罐區(qū)、泵房區(qū)和動力區(qū)組成，總體平面布局如圖1所示。動力系統(tǒng)由3臺帶并機(jī)模塊的COMLER 500 kW發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。該發(fā)電機(jī)組發(fā)出600 V、50 Hz的交流電經(jīng)VFD變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，分別驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵電機(jī)。這種配置方式既能滿足鉆井工況需要，又極大地節(jié)省了動力設(shè)備的購置成本，也使鉆機(jī)的運營更加經(jīng)濟(jì)高效。另外，鉆機(jī)配置了網(wǎng)電接口及相應(yīng)的處理模塊，故可采用全網(wǎng)電拖動。由于采用交流變頻控制技術(shù)，所以絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵可無級調(diào)速，啟動平穩(wěn)，載荷能自適應(yīng)均衡分配，滿足鉆井工藝要求，具有機(jī)械鉆機(jī)或直流電動鉆機(jī)無可比擬的優(yōu)勢[4-5]。

1—自動貓道機(jī)；2—集成化偏房；3—快裝雙升式底座；4—整體式單軸絞車；5—鉆機(jī)動力系統(tǒng)；6—鉆井泵；7—固控系統(tǒng)。圖1 鉆機(jī)平面布局示意圖Fig.1 Schematic layout of drilling rig

絞車為整體式單軸結(jié)構(gòu)，由1臺700 kW電機(jī)驅(qū)動，配37 kW應(yīng)急電機(jī)；潤滑系統(tǒng)采用雙電動潤滑油泵，一備一用；主剎車為電機(jī)能耗制動，輔助剎車為伊頓風(fēng)冷常閉式剎車；絞車后臺低位安裝，不占用鉆臺面空間，底座起升載荷大幅減小。

轉(zhuǎn)盤由1臺400 kW電機(jī)驅(qū)動，以氣胎離合器作慣性剎車，配一擋齒輪箱以降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩。齒輪箱正下方鉆機(jī)底座內(nèi)設(shè)有1個300 L油箱與齒輪箱潤滑管路連通，由 1 臺 2 kW油泵實現(xiàn)齒輪箱與油箱之間的油液循環(huán)，保證齒輪箱潤滑良好。油箱呈扁平狀，散熱面積大，油液在流動過程中自然對流冷卻，無需外接散熱風(fēng)扇或水冷裝置。2臺鉆井泵組各由1臺1 000 kW電機(jī)驅(qū)動。

配全新型前開口套裝升縮式井架和快裝雙升式底座，使用液缸起升下放，不借助絞車動力，無需人字架。井架、底座共用一套起升液缸起放，整體結(jié)構(gòu)簡單輕便、投資成本較低。

選用集成化偏房，將傳統(tǒng)的司鉆房集成在左偏房底橇上，司鉆遠(yuǎn)離井口并且視野開闊，房內(nèi)尺寸不受限于鉆臺面，空間寬敞，在特殊工況下可以容納多人。房內(nèi)集成了機(jī)電液一體化、可視化的控制及通信系統(tǒng)，配備人機(jī)界面可實現(xiàn)司鉆對鉆機(jī)的全面監(jiān)控。

由于國內(nèi)鉆機(jī)鉆柱輸送多采用傳統(tǒng)的貓道，需人力作業(yè)，勞動強(qiáng)度大、危險性高[6]，所以3 000 m快移快裝鉆機(jī)配置了自動貓道機(jī)，以提高鉆機(jī)自動化程度、管具輸送效率和安全性。

鉆機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：名義鉆深范圍?114.3 mm鉆桿1 600～3 000 m，最大鉤載1 700 kN，絞車額定功率700 kW，絞車擋數(shù)1+1R，轉(zhuǎn)盤擋數(shù)1+1R，井架有效高度34.5 m，鉆臺高度6.0 m，凈空高度4.8 m，游動系統(tǒng)采用5×6，鋼絲繩直徑29 mm。

2 創(chuàng)新技術(shù)與指標(biāo)

2.1 新型井架

因井架需承受很大的載荷，所以必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性，應(yīng)綜合考慮高度、載荷、結(jié)構(gòu)型式、材料以及截面形狀等[7]。新型井架為頂、中、底三段式直立無繃?yán)K、前開口、套裝伸縮式結(jié)構(gòu)，所用型材全部為方管，既能保證井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能減輕井架質(zhì)量。鉆機(jī)主機(jī)立面圖如圖2所示。

1—天車；2—井架頂段；3—游鉤托架；4—游鉤；5—井架中段；6—井架底段；7—起升液缸；8—整體式單軸絞車；9—快裝雙升式底座；10—鎖銷機(jī)構(gòu)；11—舉升液缸。圖2 鉆機(jī)主機(jī)立面圖Fig.2 Elevation drawing of the main part of drilling rig

頂、中兩段為套裝伸縮式結(jié)構(gòu)，由1組舉升液缸實現(xiàn)頂段連同天車的起降，頂段起升到位后由位于中段頂部四角的4組鎖銷機(jī)構(gòu)推動4個插銷將頂、中兩段鎖死。鎖銷機(jī)構(gòu)為液動式，可遠(yuǎn)程操作，取代了傳統(tǒng)伸縮式井架廣泛使用的承載機(jī)構(gòu)，安全便捷。底段下部坐落在鉆臺面上，中段與底段之間采用銷連接。運輸時，井架分兩個單元，每個單元自帶運輸支腿，無需額外的運輸支架。

井架頂段下部設(shè)有一游鉤托架，中段下部設(shè)有盤繩裝置。下放井架前將游鉤固定在游鉤托架上，使用導(dǎo)繩機(jī)將絞車上纏繞的鉆井繩抽出，活繩頭盤在井架盤繩裝置上。井架下放后拆除中段與底段之間的連接銷，將井架中段、頂段、天車、游鉤、舉升液缸、鋼絲繩及導(dǎo)繩機(jī)一車發(fā)運，質(zhì)量尺寸均不超限。下放時天車與游鉤之間的游動鋼絲繩不抽出，再次起升無需重新穿繩，省時省力。

井架底段為翻轉(zhuǎn)折疊結(jié)構(gòu)，由左、右兩個L形結(jié)構(gòu)組成，中間用沿井架高度方向分布的4組(8個)雙錐銷連接，運輸前脫開背部4個銷子將井架左、右兩片折疊后裝車發(fā)運，如圖3所示。安裝前用吊車輔助，折疊的井架在自重作用下自然展開后插好背部4個銷子即可。這樣既解決了井架底段開襠過大而導(dǎo)致的運輸超寬問題，也不會如傳統(tǒng)分片井架一般結(jié)構(gòu)零散，拆裝費時費力。

1—左片；2—雙錐銷；3—右片；4—支腿。圖3 井架底段俯視圖Fig.3 Top view of derrick bottom section

2.2 快裝雙升式底座

快裝雙升式底座為平行四邊形結(jié)構(gòu)，低位安裝，液缸起升。鉆臺面積9.1 m×7.6 m，轉(zhuǎn)盤梁載荷1 700 kN，立根盒梁最大靜載荷900 kN。

底座主體由左、中、右3個便于拆裝的大模塊組成，如圖4所示。左、右兩個模塊均由上座、下座、中層支腿、伸縮拉桿以及一個起升液缸組成；中間模塊由立根盒、轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置組成。左、右上座的前、后位置各有一個支座，用于支撐井架。伸縮拉桿用于底座起升后的鎖定，使平行四邊形機(jī)構(gòu)具備足夠的穩(wěn)定性以承受鉆井載荷。

1—下座；2—上座；3—伸縮拉桿；4—井架支座；5—中層支腿。圖4 鉆機(jī)底座結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Substructure of drilling rig

每個獨立模塊中的內(nèi)部組件(如上座、下座以及中層支腿等)首次組裝完成后再無需拆卸。3個大模塊之間采用卡槽與定位銷連接，拆裝十分方便，避免了傳統(tǒng)鉆機(jī)零散部件之間銷子連接時的繁重操作。運輸時每個模塊是一個獨立的運輸單元，運輸尺寸、質(zhì)量均不超限。

轉(zhuǎn)盤梁下部凈空高4.8 m，利于安裝防噴器和井口鉆井液回流管，也有利于固控系統(tǒng)布局和鉆井泵吸入[8]。底座前部設(shè)有整拖接口，可在短距離內(nèi)用牽引車將整臺鉆機(jī)拖移到新井位(也可用棘爪式平移機(jī)構(gòu))，平移過程不需要下放井架底座，為叢式井的施工提供了便利，縮短了建井周期。

2.3 鉆機(jī)起升與下放

通常，使用液壓系統(tǒng)起升、下放的鉆機(jī)除配備舉升液缸外，井架、底座需各配一組液缸分別起放，也有一些鉆機(jī)的井架使用一組三級液缸起升，底座由4個單級液缸起升，垂直升降[9]。本鉆機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行了創(chuàng)新，用一組液缸起升、下放鉆機(jī)。起升時液缸缸體一端安裝在底座下座內(nèi)，活塞桿一端與井架連接，先將井架由臥倒?fàn)顟B(tài)推到直立狀態(tài)，而后繼續(xù)伸長液缸，由井架帶動底座起升，待底座起升到位后舉升液缸將井架頂段和天車從中段頂出，鎖銷機(jī)構(gòu)鎖死頂、中兩段。下放過程與之相反。

2.4 整體式單軸絞車

鉆機(jī)絞車多采用多軸和鏈條傳動結(jié)構(gòu)，體積和質(zhì)量都很大，而單軸絞車解決了漏油、噪聲大、更換鏈條繁瑣等問題，結(jié)構(gòu)簡單易于維護(hù)[10]。整體式單軸絞車由底座、絞車架、滾筒、齒輪箱、伊頓剎車、防碰裝置和電機(jī)等組成，是一個獨立的運輸單元。絞車主電機(jī)為交流變頻電機(jī)，滾筒與主電機(jī)之間采用一擋齒輪箱傳遞動力，絞車可無級調(diào)速，無需換擋。另外配有一套37 kW的電機(jī)，通過離合器掛合，用于應(yīng)急。絞車傳動原理如圖5所示。

1—應(yīng)急電機(jī)；2—離合器；3—齒輪箱；4—主電機(jī)；5—滾筒；6—伊頓剎車。圖5 絞車傳動原理圖Fig.5 Power transmission principle of drawworks

齒輪箱安裝采用單點懸掛支撐方式：齒輪箱一端懸掛于滾筒軸端，使用脹緊套連接，對中精度高且連接穩(wěn)定可靠，在超載時可以保護(hù)絞車和電機(jī)等設(shè)備不受損壞。齒輪箱另一端與絞車底座之間單點支撐，易于安裝定位。絞車用主電機(jī)自動送鉆取代傳統(tǒng)的小型自動送鉆裝置，既能滿足鉆井工況對送鉆精度和穩(wěn)定性的需求，也使絞車結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，故障率降低。

絞車以能耗制動為主剎車，風(fēng)冷常閉式伊頓剎車為輔助剎車，無需冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，在鉆機(jī)斷電、斷氣等意外情況下輔助剎車可自動剎車，保證提升系統(tǒng)不掉鉆具，游動系統(tǒng)不砸臺面。此外還設(shè)置了防碰和互鎖等多重保護(hù)系統(tǒng)，以提高鉆機(jī)的容錯性，在司鉆誤操作的情況下能按預(yù)設(shè)邏輯正常運行，不會引發(fā)安全事故。

絞車額定輸入功率700 kW，最大快繩拉力220 kN，鋼絲繩直徑29 mm，滾筒尺寸 (直徑×長度)560 mm×1 025 mm，絞車擋數(shù)1 正1倒，無級調(diào)速，絞車運輸尺寸(長×寬×高)：4.2 m×3.1 m×2.5 m，質(zhì)量17.2 t。

2.5 液壓系統(tǒng)

常規(guī)液壓起升鉆機(jī)需配備一臺機(jī)具液壓站，一臺專門的起升液壓站(以柴油機(jī)或電機(jī)為動力)。3 000 m快移快裝鉆機(jī)僅配置一臺液壓站，既可起放鉆機(jī)，也可在鉆井過程中驅(qū)動井口工具，液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.6 Principle of hydraulic system

液壓站采用雙變量泵為動力，兩泵互為備用，在常規(guī)機(jī)具液壓站的基礎(chǔ)上通過模塊化的拓展，融合了液缸位移檢測、同步數(shù)據(jù)顯示模塊、液缸同步模塊、多組安全模塊以及控制模塊，構(gòu)成鉆機(jī)升降控制系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程控制的方式實現(xiàn)鉆機(jī)的升放，安全性高。同步模塊可以自動控制兩個起升液缸同步。液缸位移檢測與同步數(shù)據(jù)顯示模塊可以實時測量、顯示兩個起升液缸的行程數(shù)據(jù)。因初始安裝誤差或載荷不均衡等引起的微小不同步，可以結(jié)合液缸行程數(shù)據(jù)通過同步糾偏調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)某一個液缸以達(dá)到同步。安全模塊能確保在井架底座起放過程中液壓管線意外爆裂或斷電動力丟失等情況下的設(shè)備安全。液壓站安裝在集成化的鉆臺偏房中，隨房體運輸。

2.6 集成化偏房

集成化偏房共分為3間：前部為液壓站間，中間為司鉆間，后部為走道間(設(shè)置上、下鉆臺的梯子)。司鉆間集成了鉆機(jī)顯示控制系統(tǒng)及其他輔助設(shè)施，為司鉆提供安全便捷的工作環(huán)境。房內(nèi)電、氣、液信號通過房側(cè)的插接面板統(tǒng)一進(jìn)出房體，既有效規(guī)避了液壓管線漏油導(dǎo)致的房內(nèi)污染，也使房內(nèi)走線規(guī)范，易檢修。司鉆操作臺的儀表和開關(guān)等做了大量精簡優(yōu)化，剔除冗余，按使用和觀察的優(yōu)先順序，將操作觀察頻率高的設(shè)備盡量布置在司鉆操作最舒適的位置，觀察頻次低的儀表盡量集成在顯示屏中。利用PLC技術(shù)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對鉆機(jī)交流變頻控制系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及視頻采集系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)與集成。將原本零散、相互獨立的模塊做了統(tǒng)一的梳理和調(diào)配。將視頻監(jiān)控、鉆井儀表系統(tǒng)與電控系統(tǒng)進(jìn)行了集成，除大鉤懸重、立管壓力表因司鉆需實時查看保留機(jī)械式表頭外，鉆井泵沖、大鉗拉力、游車高度和鉆井液容積等參數(shù)均集成在電控系統(tǒng)中，在其觸摸屏上顯示。司鉆操作面板上不再保留傳統(tǒng)的鉆井參數(shù)儀、游車數(shù)顯防碰裝置、監(jiān)控系統(tǒng)鍵盤以及畫面控制器等設(shè)備，而是通過觸摸屏查看、控制。

由于3 000 m快移快裝鉆機(jī)克服了常規(guī)鉆機(jī)接口較多、配置重復(fù)的缺點，所以其電控系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲得鉆機(jī)運行的各項數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)各區(qū)域的協(xié)同管理及各設(shè)備的連鎖保護(hù)，減輕了司鉆勞動強(qiáng)度，提高了安全生產(chǎn)可靠性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至目前，3 000 m快移快裝鉆機(jī)已在勝利油田成功應(yīng)用，平均單臺鉆機(jī)完成約20口井的鉆井任務(wù)。該鉆機(jī)在現(xiàn)場應(yīng)用中體現(xiàn)出以下優(yōu)點。

3.1 設(shè)備運行良好

絞車整體運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)沖擊性噪聲。風(fēng)冷式伊頓剎車性能可靠無故障。應(yīng)急電機(jī)能夠在絞車主電機(jī)或其控制系統(tǒng)故障的情況下長時間活動鉆具，有效保證了井下安全。

井架、底座達(dá)到鉆井載荷要求，使用過程中晃動小，無異常變形。井架、底座起放平穩(wěn)，起升液缸同步性能良好，舉升液缸安全無異常，液壓操作系統(tǒng)動作可靠。

鉆機(jī)控制系統(tǒng)連鎖保護(hù)功能完善，能夠在誤操作或發(fā)電機(jī)故障等意外情況下迅速啟動保護(hù)程序，有效保護(hù)設(shè)備不受損傷。

雖然在鉆機(jī)運行過程中液壓系統(tǒng)出現(xiàn)過不同程度的漏油問題，但通過更換密封件或接頭等措施均得以解決。

3.2 實現(xiàn)了快速搬家安裝，縮短了建井周期

綜合各井隊的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，運輸時鉆機(jī)主體部分的運輸車次(不含貓道、鉆具、循環(huán)罐及生活設(shè)施)比老式ZJ30鉆機(jī)減少2～3車，共13車：井架、天車連同游吊系統(tǒng)共2車，底座、轉(zhuǎn)盤及其獨立驅(qū)動裝置和起升液缸共3車，集成化偏房1車，絞車、二層臺以及臺面梯子欄桿等附件2車，發(fā)電機(jī)房及氣源凈化設(shè)施2車，電控房1車，鉆井泵2車。鉆機(jī)可在6 h內(nèi)完成鉆機(jī)主體下放及井場設(shè)備的拆卸工作。8 h內(nèi)組裝完成，連接好油、氣、電管線并順利起升。從上一口井完井拆卸開始到下一口井開鉆共計2.5 d(不含設(shè)備在井場之間的轉(zhuǎn)運時間)，老式ZJ30鉆機(jī)則需要3.5～4.0 d。如需叢式井作業(yè)，可免拆卸快速移動井位，當(dāng)天即可完成鉆機(jī)整體平移工作。

3.3 降低了開發(fā)成本

3 000 m快移快裝鉆機(jī)在節(jié)能降耗和降低開發(fā)成本等方面創(chuàng)效明顯。與原有的老式ZJ30鉆機(jī)相比，新鉆機(jī)井場占地面積4 200 m2，老式ZJ30鉆機(jī)井場占地面積6 300 m2，節(jié)約用地33%；以施工2 000 m井為例，鉆機(jī)柴油消耗量由30 t降低到25 t，節(jié)省燃油16.7%。

4 結(jié) 論

(1)3 000 m快移快裝鉆機(jī)采用先進(jìn)的設(shè)計理念，整體性能優(yōu)異，操作安全可靠；集成了交流變頻控制技術(shù)、主電機(jī)自動送鉆技術(shù)以及集成顯示控制技術(shù)，性能先進(jìn)可靠，契合未來石油鉆機(jī)發(fā)展的趨勢。

(2)鉆機(jī)高度集成化、模塊化，模塊之間又采用了快速組合與拆分技術(shù)，鉆機(jī)的拆裝移運性能突出。

(3)鉆機(jī)投資及后期運行成本較低，滿足3 000 m以內(nèi)各種油、水井的鉆修井作業(yè)要求。