ZJ40DBT超級單根拖掛鉆機的研發(fā) *

成 斌，龐世強，師 濤，聶景龍，苗 波

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

0 引 言

近年來隨著鉆井工藝水平的不斷提高，人們對石油鉆機的功能及作業(yè)效率要求越來越高。中東地區(qū)各鉆井承包商為追求效益最大化并降低成本，對鉆機搬家時間和移運車次都有明確規(guī)定，輕型化、模塊化和少拆裝的拖掛鉆機是地勢平坦的沙漠和戈壁地區(qū)鉆井作業(yè)的最佳選擇。

陸地石油鉆機是流動作業(yè)設備，其拆卸、運輸和安裝時間占整個鉆井周期的1/10～1/4。對于輕型和中型鉆機，鉆機周期短(4～20 d)，應對它們提出最高的移運性要求[1]。

超級單根自動化鉆機作為新一代淺地層自動化鉆機，通過使用超長管柱(單根管柱長度可達13.5 m)減少管柱交接及上、卸扣次數(shù)，縮短管柱交接時間；減配立根盒，井架結構輕量化緊湊化，提升移運能力；簡化管柱交接工藝，提高管柱交接效率與成功率，為淺層油氣田開發(fā)提供便利條件[2]。

筆者通過ZJ40DBT超級單根拖掛鉆機的研發(fā)，解決鉆機各個區(qū)域移運轉場[3-6]，主機區(qū)設備整體拖運，井架無繃繩及二層臺，單根鉆井工藝所要求的管具處理系統(tǒng)及可替代二層臺進行鉆桿存儲。

1 技術分析

1.1 總體方案

鉆機總體布局圖如圖1所示。

圖1 鉆機總體布局圖1.泥漿區(qū) 2.堆場 3.主機區(qū) 4.動力區(qū)

ZJ40DBT超級單根拖掛鉆機由主機區(qū)、泥漿區(qū)、動力區(qū)、堆場等組成。主機區(qū)是鉆機的核心區(qū)域，包含鉆井提升系統(tǒng)、旋轉系統(tǒng)、放噴系統(tǒng)等，主要包含有天車、井架、底座、絞車、頂驅、游車、鐵鉆工、司鉆房、倒繩機、液壓站、防噴器及控制房等；泥漿區(qū)包含計量罐、振動篩罐、循環(huán)罐、存儲罐、吸入罐、及五級凈化設備等；動力區(qū)包含3臺CAT3512B主發(fā)電機房及C15輔發(fā)電機房含氣源及凈化設備；堆場包含套管、鉆鋌、鉆桿及液壓鉆桿盒等。

ZJ40DBT超級單根拖掛鉆機主機區(qū)立面圖如圖2所示。運輸狀態(tài)是將井架下放至拖車上，井架底座整體拖運。

圖2 主機區(qū)設備立面圖1.天車 2.井架 3.頂驅控制房 4.游車 5.頂驅 6.防噴器及控制房 7.拖車 8.液壓站 9.絞車 10.起升裝置 11.鐵鉆工 12.防噴器 13.底座 14.貓道 15.司鉆房

1.2 技術參數(shù)

名義鉆深： 3200 (Φ127 mm鉆桿)m；最大鉤載： 2 250 kN；游動繩系： 5×6；鉆井泵功率： 1 000 hp×2；絞車額定輸入功率： 1 000 hp×l；井架高度： 26.0 m；鉆臺面高度：6.8 m；凈空高： 6.2 m。

1.3 技術與結構特點

1.3.1 鉆機移運方式多樣

主機區(qū)裝備為整體式拖掛移運，移運前先將井架上段縮回，頂驅和游吊裝置固定在井架下段背橫梁上，用液缸下放井架至高支架，井架與底座、拖車連為一個整體鋼架，倒繩機、絞車、司鉆房、頂驅控制系統(tǒng)、防噴器及防噴器控制裝置等不需要拆裝，主機區(qū)就可整體進行轉場搬運；泥漿固控區(qū)域為單個泥漿罐獨立運輸；兩臺泥漿泵成整托模塊運輸，動力區(qū)主、發(fā)發(fā)電機組及氣源系統(tǒng)、VFD及MCC房整體拖運。

1.3.2 無繃繩無二層臺無立根盒

單根鉆井鉆機是用單根長度可達13.5 m管柱進行起下鉆，鉆機無繃繩無二層臺無立根盒，通過鉆機配備頂驅、液壓吊卡、液壓卡瓦、鐵鉆工、翻轉貓道、液壓鉆桿盒等自動化設備，搭載先進的控制系統(tǒng)，通過提高設備運行速度、設備定位精度，縮短管柱交接時間，在確保設備安全的基礎上采用多設備聯(lián)動等方式，充分發(fā)揮超級單根自動化鉆機設備性能優(yōu)勢，作業(yè)效率提高很明顯。

1.3.3 翻轉貓道

翻轉貓道主要功能是將鉆桿從液壓鉆桿盒管具交接位置取出，通過翻轉機構傳送到貓道鉗頭內(nèi)，鉗頭夾緊鉆桿，抓舉貓道翻轉臂在液缸的作用下翻轉90°將鉆桿輸送到井口中心交給頂驅吊卡，或者反向動作，將鉆桿從井口中心輸送到液壓鉆桿盒，將鉆桿存儲。處理鉆具規(guī)格：73 ～339.7 mm最大鉆桿長度13.72 m。

1.3.4 液壓鉆桿盒

液壓鉆桿盒用于存儲鉆桿，并實現(xiàn)鉆桿的快速移運。該鉆桿盒采用自動化控制，釋放了勞動力，降低了勞動強度，通過內(nèi)部液缸驅動將鉆桿分層舉升，再通過傾斜機構將鉆桿輸送到管具交接位置，便于翻轉貓道抓取。該鉆機配套設置有4個液壓鉆桿盒，一個主鉆桿盒，三個輔鉆桿盒，主鉆桿盒設置有動力源，為所有鉆桿盒提供動力。

2 仿真驗證

井架、底座、天車設計計算完全遵循美國石油學會API 4F第5版《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》、美國鋼結構學會AISC 360-16關于鋼結構彈性設計要求部分計算。我們按AISC中組合應力校核公式，在SAFI后處理模塊中對每一單元進行校核,并以UC值(limit states summary)加以表示出來。

根據(jù)鉆機的轉場及使用情況，依據(jù)API 4F分別計算了鉆機的運輸工況及在位工況，其中井架的在位工況包括工作工況、預期工況和非預期工況。

鉆機運輸工況計算所考慮的載荷條件主要有16.5 m/s的風載、整體運輸時的所附帶的設備重量以及車頭的牽引力，邊界條件約束車輪跟地面的接觸點處三個坐標軸方向的位移，具體加載及邊界條件如圖3所示。

圖3 運輸工況載荷加載及邊界條件

根據(jù)上述運輸工況所加載荷做結構分析計算，最終得出各桿件的UC值，如圖4所示，最大桿件的UC值是0.94，所有桿件UC值均未超過1，運輸工況結構強度滿足要求。

圖4 運輸工況計算結果UC值

鉆機在位工況計算所考慮的載荷條件主要有風載、大鉤載荷、轉盤載荷、設備的重量載荷。工作工況加載16.5 m/s的風載、大鉤載荷或轉盤載荷、設備載荷，預期工況加載38.6 m/s的風載、轉盤載荷、設備載荷，設備載荷，預期工況加載30.7 m/s的風載、轉盤載荷、設備載荷。邊界條件約束鉆機跟地面接觸點在三個坐標軸方向的位移，具體加載及邊界條件如圖5所示。

圖5 在位工況載荷加載及邊界條件 圖6 在位工況計算結果UC值

根據(jù)上述在位工況所加載荷做結構分析計算，最終得出各桿件的UC值，如圖6所示，最大桿件的UC值是0.97，所有桿件UC值均未超過1，在位工況結構強度滿足要求。

3 結 論

通過對ZJ40DBT超級單根拖掛鉆機的研發(fā)得出以下結論：

(1) 該鉆機相比常規(guī)鉆機采用的是單根鉆井工藝，在一鉆到底的井，鉆井效率明顯提升。

(2) 該鉆機與常規(guī)拖掛鉆機相比，可實現(xiàn)鉆機區(qū)井架底座絞車防噴器及驅控制房等整體移運，運輸模塊少，裝拆更方便。

(3) 該鉆機可在中東地區(qū)具有廣泛的應用前景。