超深井鉆機(jī)K型井架底座4種起升原理和特點(diǎn)

常寶華，趙 瓏，彭 飛，楊建平，曹常青，陶俊堃，董發(fā)生，李亞騰，趙積登，任宗亮

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，蘭州730000)

我國(guó)的超深井鉆機(jī)發(fā)展迅速，在滿足國(guó)內(nèi)需要的同時(shí)，各大鉆機(jī)制造廠商在2000年以來(lái)開(kāi)始陸續(xù)為國(guó)外用戶(hù)生產(chǎn)和配套超深井鉆機(jī)[1-3]。為了提高超深井鉆機(jī)的安裝、拆卸效率，持續(xù)進(jìn)行井架、底座的起升方式的改進(jìn)研究，使得鉆機(jī)向著越來(lái)越便捷的方向發(fā)展，并具有較高的使用效率。石油鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式發(fā)展經(jīng)歷了塔型井架、A型井架、桅型井架和前開(kāi)口K型井架等階段。目前，塔型井架和A型井架已不在陸地鉆機(jī)的設(shè)計(jì)中采用，桅型井架應(yīng)用也較少。在5 000～9 000 m級(jí)別的陸地鉆機(jī)設(shè)計(jì)中，因K型井架的安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便，成為主要采用結(jié)構(gòu)[4-6]。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，K型井架在超深井鉆機(jī)中有多種結(jié)構(gòu)和起升方式，選取最經(jīng)濟(jì)和最簡(jiǎn)單的起升方式可減少非鉆井時(shí)間，提高鉆機(jī)的利用率，提高作業(yè)安全性，節(jié)省其安裝、拆卸和搬家時(shí)間[7-8]。本文對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外常用的K型井架和底座的起升方式進(jìn)行分析，為超深井鉆機(jī)的發(fā)展提供參考。

1 兩套繩雙升式井架底座

蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司在2004年制造了國(guó)內(nèi)首臺(tái)前開(kāi)口K型9 000 m鉆機(jī)，其井架和底座的結(jié)構(gòu)為兩套繩雙升式。雖然國(guó)內(nèi)超深井鉆機(jī)的研制晚于國(guó)外，但發(fā)展很快。自國(guó)內(nèi)首臺(tái)超深井鉆研制成功之后，國(guó)內(nèi)其他廠家也陸續(xù)研制出類(lèi)似的超深井鉆機(jī)[9-12]。這些鉆機(jī)的井架和底座均位于前方，絞車(chē)放置在底座后臺(tái)，起到后部平衡配重作用。起升井架時(shí)，底座頂層與底層連接，起到加強(qiáng)底座整體剛性作用，減少底座在井架起升過(guò)程中的翹曲。絞車(chē)上的鉆井繩通過(guò)天車(chē)連接游車(chē)，游車(chē)下安裝起升平衡架，井架兩側(cè)的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過(guò)人字架兩側(cè)起升滑輪，另一端連接在井架兩側(cè)。絞車(chē)滾筒旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鉆井繩給井架施加拉力，將井架起升至豎直狀態(tài)，如圖1所示。

1-絞車(chē)；2-人字架；3-井架起升大繩；4-底座；5-井架；6-游車(chē)；7-高支架；8-天車(chē)；9-底座起升大繩。圖1 兩套繩雙升式井架底座

起升底座時(shí)，將游車(chē)下放至低位，兩側(cè)底座起升大繩一端與起升平衡架連接，繞過(guò)井架內(nèi)部?jī)蓚€(gè)導(dǎo)向滑輪后，繼續(xù)繞過(guò)底座頂層的起升滑輪，繩子另一端連接在兩側(cè)人字架上，通過(guò)人字架和游車(chē)的拉力將底座起升至高位。

采用兩套繩分別起升井架和底座的結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：

1) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝時(shí)間長(zhǎng)，起升過(guò)程繁瑣耗時(shí)耗力。

2) 井架和底座的滑輪位于井架的第2段，尤其是用于起升底座的兩組倒繩滑輪剛好位于臺(tái)面上方的井架內(nèi)側(cè)，在實(shí)際使用中，占用井架內(nèi)部空間。當(dāng)水龍帶向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，與右側(cè)的倒繩滑輪纏繩摩擦。用戶(hù)在摩擦位置增加保護(hù)橡膠，用來(lái)避免水龍帶損壞。

3) 參與起升的相關(guān)部件多，成本高。

對(duì)于以上問(wèn)題，后期在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)井架的第2段結(jié)構(gòu)，將凸出該段井架內(nèi)側(cè)的底座起升倒繩滑輪組改至井架的第2段內(nèi)部，后期使用過(guò)程中用戶(hù)反映效果良好。

2 液壓絞車(chē)雙升式井架底座

液壓絞車(chē)雙升式井架底座的結(jié)構(gòu)與其他雙升式井架底座結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別在于人字架在臺(tái)面上，單獨(dú)為起升井架而設(shè)計(jì)，井架同樣位于臺(tái)面上，起升到位后人字架與井架連接，起到支撐和固定作用[13-14]。絞車(chē)位于臺(tái)面后方，井架起升過(guò)程如下：游車(chē)下安裝起升平衡架，井架兩側(cè)的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過(guò)人字架兩側(cè)起升滑輪，另一端返回連接在井架上。絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠人字架兩側(cè)的起升大繩的拉力將井架起升到位。此時(shí)，井架是直立狀態(tài)，但臺(tái)面位于低位，如圖2所示。

1-高支架；2-井架；3-游車(chē)；4-底座起升三角架；5-井架起升大繩；6-井架人字架；7-絞車(chē)；8-底座起升液壓絞車(chē)；9-底座起升繩系；10-底座。圖2 液壓絞車(chē)雙升式井架底座

起升底座時(shí)，底座底層安裝有液壓絞車(chē)和起升三角架，三腳架頂部和底座頂層裝有滑輪組，利用液壓絞車(chē)、滑輪組和底座起升繩系將井架和底座同時(shí)起升至高位，底座頂層和起升三角架固定，完成底座起升。在采用單獨(dú)液壓絞車(chē)起升之前，一直利用主絞車(chē)起升底座，實(shí)際使用中在臺(tái)面高度超過(guò)10 m的情況下，因三角架繩長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，易造成左右兩側(cè)起升不同步，易發(fā)生臺(tái)面傾斜。后期改為利用底座底層兩側(cè)單獨(dú)的液壓絞車(chē)起升底座，明顯改善了底座起升過(guò)程中左右不同步的問(wèn)題。該結(jié)構(gòu)的井架和人字架位于臺(tái)面，優(yōu)點(diǎn)是相比前兩種結(jié)構(gòu)更為輕巧，安裝拆卸都快速、便捷，但工作過(guò)程中井架受力未直接傳遞至底座底層，容易產(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)由于絞車(chē)在臺(tái)面上，占據(jù)不少臺(tái)面空間。

國(guó)內(nèi)訂購(gòu)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型鉆機(jī)較少。國(guó)外鉆機(jī)廠家采用該結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，尤其是沙特用戶(hù)尤為偏愛(ài)訂購(gòu)此結(jié)構(gòu)鉆機(jī)[15]。在實(shí)際使用過(guò)程中，因?yàn)榫艿鬃w質(zhì)量相對(duì)較輕，沙特的油田由于地廣人稀且地面平整，特別適合鉆機(jī)的整拖移運(yùn)，因此，整個(gè)鉆機(jī)可以在以下幾種情況拖運(yùn)：井架和底座高位拖運(yùn)、井架高位和底座低位拖運(yùn)、井架低位和底座低位拖運(yùn)、井架和底座分開(kāi)單獨(dú)拖運(yùn)。

3 一套繩同升式井架底座

圖1～2的結(jié)構(gòu)存在井架和底座分別利用各自結(jié)構(gòu)單獨(dú)起升的問(wèn)題，且各自的起升大繩存在安裝和拆卸過(guò)程部件多，耗時(shí)耗力的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，各個(gè)鉆機(jī)制造廠家都相繼研發(fā)出一套繩同升式井架底座[16-18]，如圖3所示。該起升方式是在圖1所示起升方式的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而來(lái)，最大區(qū)別是：起升前，井架和底座在低位，通過(guò)位于臺(tái)面的連接銷(xiāo)連接底座和井架，取消全部和底座相關(guān)的起升滑輪、導(dǎo)繩輪和起升大繩。合理設(shè)計(jì)底座各個(gè)中層桿件位置，使得井架在起升的同時(shí)，能夠利用平行四邊形結(jié)構(gòu)將底座整體帶至高位。井架和底座起升過(guò)程如下：游車(chē)下安裝起升平衡架，井架兩側(cè)的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過(guò)井架第2段的倒繩滑輪和人字架兩側(cè)起升滑輪，另一端返回連接在井架上。絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠人字架兩側(cè)的起升大繩的拉力起升井架，并帶動(dòng)底座同時(shí)起升到位。最后，將井架和人字架連接固定，完成整個(gè)起升過(guò)程。

1-絞車(chē)；2-人字架；3-起升大繩；4-底座；5-井架和底座連接銷(xiāo)；6-井架；7-游車(chē)；8-高支架；9-天車(chē)。圖3 一套繩同升式井架底座

這種結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了分別起升井架和底座、安裝拆卸部件多和耗時(shí)耗力問(wèn)題。由于井架要同時(shí)將底座連帶起升，導(dǎo)致井架的起升力大幅增加，井架和人字架需額外加強(qiáng)，是在犧牲結(jié)構(gòu)輕便的情況下?lián)Q取起升的簡(jiǎn)單，其起升力、人字架選材和截面在同級(jí)別的鉆機(jī)中都最大。底座整體和井架的裝配制造精度要求高，在地坪條件不是很好的情況下，底座與井架第1段的連接位置容易出現(xiàn)安全隱患。

4 一套繩旋升式井架底座

為了解決圖3所示起升方式的諸多不便，發(fā)展出一套繩旋升式井架底座。該結(jié)構(gòu)的井架仍位于前方，但底座位于后方，絞車(chē)位于底座的臺(tái)面上，而不在底座底層的后臺(tái)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是先起升井架至高位，將井架與人字架連接固定后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)絞車(chē)?yán)瓌?dòng)游車(chē)，起升底座至高位，整個(gè)過(guò)程不需要再次安裝起升大繩等操作，連續(xù)性好，無(wú)穿繩操作[19]。一套繩旋升式井架底座的起升過(guò)程如下：底座在低位時(shí)必須與底座底層連接，在井架起升過(guò)程中起到后部的配重作用。游車(chē)下安裝起升平衡架，井架兩側(cè)的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過(guò)井架倒繩滑輪和人字架兩側(cè)起升滑輪，另一端直接連接在位于低位的底座頂層上，絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，依靠繞過(guò)人字架上的單根起升大繩拉力將井架拉升至高位，如圖4所示。

1-絞車(chē)；2-底座；3-人字架；4-起升大繩；5-井架；6-游車(chē)；7-高支架；8-天車(chē)。圖4 一套繩旋升式井架底座

起升底座時(shí)，首先拆掉底座頂層與底層連接銷(xiāo)，絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)拉動(dòng)游車(chē)?yán)^續(xù)上升，起升大繩將底座拉至高位，連接底座與人字架的連接銷(xiāo)，即完成整個(gè)起升過(guò)程。

一套繩旋升式井架底座的結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中因安裝簡(jiǎn)單，起升過(guò)程簡(jiǎn)單、便捷，部件少，普遍應(yīng)用在7 000 m及以下級(jí)別的鉆機(jī)中。對(duì)于絞車(chē)位于臺(tái)面上的鉆機(jī)，此種結(jié)構(gòu)備受用戶(hù)歡迎。

缺點(diǎn)是：

1) 人字架需要足夠高，絞車(chē)上的鉆井繩才能保證在起升井架時(shí)具有足有的起升力。

2) 由于僅有1根起升大繩起升井架或底座，導(dǎo)致起升力大，并且人字架兩側(cè)滑輪高度過(guò)高，人字架中間須有大橫梁來(lái)穩(wěn)定人字架。

3) 絞車(chē)在臺(tái)面上，占用了大部分臺(tái)面空間，由于前重后輕，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，井架起升時(shí)會(huì)出現(xiàn)底座后臺(tái)翹起過(guò)高，易對(duì)鉆機(jī)產(chǎn)生不良影響。

5 結(jié)論

1) 7 000 m級(jí)別的超深井鉆機(jī)，以上幾種起升方式都適用，可根據(jù)用戶(hù)偏好選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，一套繩旋升式井架底座適用于7 000 m以下級(jí)別鉆機(jī)，主要原因是只有一根起升大繩拉升井架，起升力已經(jīng)達(dá)到2 400 kN。8 000 m級(jí)鉆機(jī)和9 000 m級(jí)鉆機(jī)若采用該起升方式，其井架底座的質(zhì)量大、絞車(chē)的質(zhì)量和體積大、起升力增加、結(jié)構(gòu)需多處加強(qiáng)。綜合考慮以上幾點(diǎn)，一套繩旋升式井架底座在7 000 m及以下級(jí)別鉆機(jī)中采用，其性?xún)r(jià)比較高。但是，隨著電控和材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，絞車(chē)質(zhì)量和體積在逐步減小，在8 000 m鉆機(jī)和9 000 m鉆機(jī)中采用一套繩旋升式井架底座結(jié)構(gòu)是可能的。

2) 用戶(hù)在拖運(yùn)、移運(yùn)要求較高的情況下，建議使用液壓絞車(chē)雙升式井架底座，主要是質(zhì)量輕。7 000 m鉆機(jī)及以上都可選用，當(dāng)然其余方式也可加裝移運(yùn)設(shè)備。首先，雖然井架和人字架位于臺(tái)面，存在正常鉆井可能會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)的問(wèn)題，但通過(guò)對(duì)井架和人字架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可明顯改善這些缺點(diǎn)；其次，臺(tái)面高度超過(guò)10 m后，選用單獨(dú)的液壓絞車(chē)起升底座，可避免底座臺(tái)面在起升過(guò)程中產(chǎn)生左右不同步問(wèn)題。

3) 兩套繩雙升式井架底座適用于任何級(jí)別鉆機(jī)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝拆卸耗時(shí)耗力。但結(jié)構(gòu)本身最為輕便，建議采用底座起升滑輪位于井架第2段內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4) 一套繩同升式井架底座明顯改善了8 000 m和9 000 m級(jí)別鉆機(jī)在安裝、拆卸和起升過(guò)程中的問(wèn)題。但起升力大，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)主要考慮絞車(chē)后臺(tái)翹曲，整機(jī)低位時(shí)重心需要設(shè)計(jì)合理。參與起升的部件要進(jìn)行特殊加強(qiáng)，尤其是井架和底座連接部位需要特別注意。該結(jié)構(gòu)是以增加質(zhì)量換取便捷、簡(jiǎn)單的起升方式。

5) 絞車(chē)的位置同樣決定起升方式。如果絞車(chē)位于臺(tái)面上，7 000 m級(jí)別鉆機(jī)建議采用一套繩旋升式結(jié)構(gòu)，8 000 m及以上級(jí)別鉆機(jī)采用液壓絞車(chē)雙升式井架底座。如果絞車(chē)位于臺(tái)面下，兩套繩雙升式和一套繩同升式各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中再進(jìn)行選擇。相信隨著材料和技術(shù)的不斷進(jìn)步，超深井鉆機(jī)的起升方式也在不斷發(fā)展，今后必將出現(xiàn)更為簡(jiǎn)單、輕便的起升方式，將把我國(guó)鉆機(jī)設(shè)備提升至更高的水平。