出口沙特鉆機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張虎山，春晨，2，烏買爾·達(dá)吾提，侯文輝，2，張革民，2，劉登，李偉

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

近年來，隨著沙特油田區(qū)塊的大力開發(fā)，我國石油鉆探企業(yè)同時(shí)也加大了該地區(qū)的鉆機(jī)出口力度，國內(nèi)最早出口該地區(qū)的鉆探企業(yè)為中石化中原石油工程公司，后期，中石油大慶石油工程公司、中石化西南石油工程公司、中石化華北石油工程公司、中石化勝利石油工程公司等逐步進(jìn)入該市場。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（以下簡稱寶石機(jī)械）也結(jié)合鉆探公司需求和沙特阿拉伯國家石油公司（以下簡稱沙特阿美）標(biāo)準(zhǔn)，定制出口了大批量的5000～9000 m鉆機(jī)用于沙特地區(qū)的作業(yè)，其中以7000 m直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)為市場主導(dǎo)。經(jīng)過多年的不斷升級(jí)發(fā)展、創(chuàng)新研制的加強(qiáng)型ZJ70D鉆機(jī)已成為該市場的主流產(chǎn)品，形成標(biāo)準(zhǔn)化的配套的定型出口產(chǎn)品，為國內(nèi)企業(yè)進(jìn)入該市場提供有力支撐[1-6]。

1 技術(shù)分析

1.1 加強(qiáng)型ZJ70D鉆機(jī)總體方案

鉆機(jī)采用4臺(tái)CAT3512B柴油發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力，其發(fā)出的600 V/50 Hz交流電經(jīng)SCR柜整流后變?yōu)?～750 V直流電，分別驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；絞車由2臺(tái)800 kW直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤由1臺(tái)800 kW直流電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；3臺(tái)鉆井泵分別由2臺(tái)800 kW直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；同時(shí)通過交流變頻系統(tǒng)控制獨(dú)立交流變頻電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆。

1.2 加強(qiáng)型ZJ70D鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

名義鉆深范圍為φ114 mm（4-1/2 in）鉆桿；最大鉤載為4500 kN；絞車額定功率為1470 kW（2000 hp）；提升系統(tǒng)最大繩數(shù)為12；鉆井鋼絲繩直徑為φ38 mm（1-1/2 in）；提升系統(tǒng)滑輪外徑為φ1524 mm（60 in）；水龍頭中心管通徑為φ75 mm；鉆井泵型號(hào) 及 臺(tái) 數(shù) 為3 ×F -1600HL；轉(zhuǎn)盤開口名義直徑為φ952.5 mm（37-1/2 in）；井架型式為前開口型，有效高度為48 m；鉆臺(tái)高度為12 m；動(dòng)力傳動(dòng)方式為AC-SCR-DC模擬，電傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用可控硅控制單元一對(duì)二控制，輸入電壓為600 V/AC，輸出電壓為0～750 V/DC連續(xù)可調(diào)，MCC系統(tǒng)供電為600 V/400 V（3相）/220 V（單相），50 Hz；鉆井液管匯通經(jīng)為φ102 mm；固控系統(tǒng)總?cè)莘e為636 m3。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23505-2017《石油天然氣工業(yè)鉆機(jī)和修井機(jī)》規(guī)定了鉆機(jī)的主要參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)型），與沙特阿美出口鉆機(jī)（加強(qiáng)型）相比，差異性如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)型ZJ70D鉆機(jī)與加強(qiáng)型ZJ70D鉆機(jī)主要參數(shù)對(duì)比

1.3 適用條件

鉆機(jī)能夠在溫度-20 ℃～+55 ℃、濕度不大于95%、空載風(fēng)速不大于38.6 m/s、海拔高度不大于2000 m的沙漠環(huán)境下正常工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)及裝備

2.1 鉆機(jī)功率計(jì)算

圖1 鉆機(jī)立面圖

鉆機(jī)在整個(gè)鉆井過程中功率消耗較大的工況是正常鉆井、倒劃眼工況。在鉆井工況時(shí)，絞車不工作，主要負(fù)荷是2臺(tái)F-1600HL鉆井泵和ZP375轉(zhuǎn)盤及固控設(shè)備、井場照明用電。按照目前鉆井工藝的發(fā)展，在復(fù)雜井時(shí)可能遇到一開井眼較大，為提高鉆井效率，要求轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩較大，鉆井泵的排量也較大。轉(zhuǎn)盤按照滿負(fù)荷功率，鉆井泵按照80%的滿負(fù)荷考慮，整套鉆機(jī)的總消耗功率為2880 kW。在倒劃眼工況，絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵、固控系統(tǒng)都參與工作，絞車功率按照提升最大鉆柱質(zhì)量計(jì)算，轉(zhuǎn)盤功率按照滿滿負(fù)荷計(jì)算，鉆井泵按照3臺(tái)80%負(fù)荷計(jì)算，總消耗功率為4423 kW。配套CAT3512B柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組容量為1900 kVA，其功率因數(shù)為0.7，柴油發(fā)電機(jī)組的總功率為1900×0.7×4=5320 kW。因此鉆機(jī)功率滿足要求。

2.2 JC70D絞車

2.2.1 技術(shù)方案

JC70D絞車為整體式結(jié)構(gòu)，配置獨(dú)立的交流變頻電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆裝置。包括絞車架、滾筒軸、輸入軸、中間軸、防碰裝置、換擋機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、交流變頻電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆裝置等，實(shí)現(xiàn)一撬式吊裝。采用Ⅰ擋+低速離合器、Ⅱ擋+低速離合器、Ⅰ擋+高速離合器、Ⅱ擋+高速離合器4個(gè)擋位[7-8]。為了解決掛擋困難，絞車設(shè)計(jì)有微擺裝置，在慣性剎車上通過調(diào)整輸入軸實(shí)現(xiàn)順利掛擋。主剎車采用雙剎車盤，液壓盤剎；輔助剎車采用436WCB2伊頓剎車，具有設(shè)置報(bào)警功能，設(shè)置冷卻壓力和溫度的聲光報(bào)警裝置及操作裝置，置于司鉆控制房，當(dāng)電子防碰下限預(yù)警動(dòng)作時(shí)啟動(dòng)電磁閥控制伊頓剎車。

自動(dòng)送鉆裝置由75 kW防爆交流變頻異步電動(dòng)機(jī)、減速箱、推盤離合器、軸總成及控制系統(tǒng)等組成。交流變頻電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制鉆壓、鉆速送鉆，實(shí)現(xiàn)0～72 m/h速度范圍內(nèi)的恒鉆壓自動(dòng)送鉆，并可以對(duì)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行修改，監(jiān)控鉆進(jìn)過程的鉆壓、鉆速、游車位置及泵壓參數(shù)，自動(dòng)控制游車減速和軟停、緊急故障與盤剎剎車連鎖等功能，并預(yù)防因溜鉆、卡鉆等可能會(huì)造成的相關(guān)事故發(fā)生；同時(shí)可作為應(yīng)急使用，能夠帶動(dòng)絞車上下活動(dòng)鉆具，并能提升最大鉆柱質(zhì)量。自動(dòng)送鉆系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒鉆壓、恒鉆速、恒泵壓、恒轉(zhuǎn)矩等4通道控制。

圖2 JC70D整體絞車

2.2.2 滾筒纏繩量的確定

絞車滾筒纏繩量的確定要充分考慮各種工況，主要有鉆機(jī)起升工況、水龍頭鉆井作業(yè)工況、頂驅(qū)鉆井作業(yè)工況、游車大鉤起下鉆工況、頂驅(qū)起下鉆工況，絞車的強(qiáng)度設(shè)計(jì)按照滾筒最大纏繩在第4層設(shè)計(jì)。鉆機(jī)起升后不管在哪種作業(yè)工況，游吊系統(tǒng)下止點(diǎn)在鉆臺(tái)面時(shí)，滾筒纏繩量要保留10～14圈作為安全纏繩量[7]。絞車滾筒纏繩量如表2所示。

表2 絞車滾筒纏繩量

2.3 JJ585/48-K井架

2.3.1 技術(shù)方案

井架按照5850 kN最大鉤載設(shè)計(jì)，為前開口K型井架，分為5段，各段采用單雙耳板連接，背梁通過斜拉桿及橫梁連接；井架為低位安裝的梁式大腿前開口型，井架第5段（與天車連接端）分別設(shè)計(jì)有2組牽引耳板，用于安裝井架前托架，前托架上配φ89 mm牽引銷，用于井架運(yùn)移時(shí)與牽引車連接。井架支腳在基座上，井架通過人字架靠絞車動(dòng)力整體起放；井架立起后，井口前后左右找正均通過增減位于鉆臺(tái)面上井架立柱間的墊片來進(jìn)行， 該處設(shè)計(jì)有放置千斤頂?shù)奈恢谩?/p>

2.3.2 井架高度的確定

井架高度主要取決于鉆機(jī)起下鉆作業(yè)中，游車上行到最高位置時(shí)，仍能保證有足夠的安全高度。組合方式一：按照游車+大鉤+水龍頭的組合方式，高度為H1=L游車+L大鉤+L吊環(huán)+L立根+L安全空間+h操作高度+h操作空間=2685+2278+4480+28000+6000+1200+305=45348 m；組合方式二：按照游車+頂驅(qū)的組合方式，H1=L頂驅(qū)（含吊環(huán)）+L立根+L安全空間+h操作高度+h操作空間=6440+28000+6000+1200+305=41945 mm。而井架高度為48 m，滿足各工況作業(yè)要求。

2.4 DZ585/10.5-X底座

2.4.1 技術(shù)方案

底座按照5850 kN最大鉤載設(shè)計(jì)，立根載荷4000 kN，為一次起升旋升結(jié)構(gòu)，能滿足在低位方便裝160 t BOP吊裝移動(dòng)裝置的要求。采用雙鼠洞設(shè)計(jì)，滿足鐵鉆工和大鉗兩種工況下的鉆桿上卸扣。鉆臺(tái)后側(cè)氣罐支架內(nèi)安裝1個(gè)4 m3和1個(gè)0.5 m3儲(chǔ)氣罐，為了保證鉆臺(tái)設(shè)備用氣不影響絞車控制用氣，0.5 m3儲(chǔ)氣罐單獨(dú)用于絞車控制，4 m3儲(chǔ)氣罐用于氣動(dòng)絞車等鉆臺(tái)設(shè)備用氣。左基座設(shè)1個(gè)1 m3儲(chǔ)氣罐，從氣源房獨(dú)立供氣，用于BOP控制獨(dú)立供氣。另外在底座右下基底內(nèi)設(shè)一個(gè)氣源分配器，用于氣動(dòng)隔膜泵、氣動(dòng)扳手和清潔衛(wèi)生。

2.4.2 底座高度的確定

底座高度主要取決于組合防噴器的安裝空間，7000 m鉆機(jī)屬于深井鉆機(jī)，典型的防噴器組的配置為環(huán)形防噴器（1227 mm）+雙閘板防噴器（1450 mm）+單閘板（993 mm）+鉆井四通（720 mm）+安裝高度（1500 mm）+喇叭口（1800 mm）=7690 mm。而鉆機(jī)底座凈空高位10.5 m，滿足安裝需求。

2.5 雙流程固控系統(tǒng)

固控系統(tǒng)采用五級(jí)鉆井液的凈化流程，混合、吸入流程采用雙吸、雙排，更為安全、可靠。由9個(gè)鉆井液罐、2個(gè)工業(yè)柴油罐、2個(gè)工業(yè)水罐、2個(gè)固井罐和1個(gè)計(jì)量罐（與絞車強(qiáng)冷水罐一體）及相應(yīng)配套設(shè)備設(shè)施組成，罐體尺寸均為15000 mm×3000 mm×2790 mm，底座整體強(qiáng)度滿足吊裝和自背車移運(yùn)要求。為便于罐內(nèi)清砂，所有的鉆井液罐吸入管線都采用外置，布置在罐體兩側(cè)。并有效結(jié)合罐體底座結(jié)構(gòu)，把零排放管線布置在底座內(nèi)部，采用海底閥式清砂門，可快速清理罐內(nèi)殘留鉆井液；混合區(qū)采用3 t的大袋料吊裝裝置，臂長6 m，可同時(shí)混配2種不同類型的鉆井液材料。

2.6 移運(yùn)要求

2.6.1 輪式移運(yùn)

井架整體移運(yùn)是在井架放倒后，井架和游車（包括鉆井大繩、游車、頂驅(qū)導(dǎo)軌）整體靠牽引車整體運(yùn)輸。在井架后背梁增設(shè)用于懸掛游車的橫梁，采用銷軸、耳板結(jié)構(gòu)連接到井架上。移運(yùn)拖座由剛性連接車橋和支撐架等組成。整拖裝置額定載荷為125 t，移運(yùn)離地間隙不低于600 mm，輪胎規(guī)格為36.00-51 E4花紋工程輪胎（58層級(jí)）。

2.6.2 導(dǎo)軌移運(yùn)

圖3 固控系統(tǒng)、鉆井泵、鉆井液管匯

在井場叢式井作業(yè)時(shí)，設(shè)計(jì)滿足150 m的移運(yùn)要求，包括電纜的轉(zhuǎn)接、鉆井液的傳輸。配鉆機(jī)滑軌式平移裝置實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)整體平移，井間距為50 m，移動(dòng)距離為150 m（4口井）。移運(yùn)裝置滿足150 m的移運(yùn)要求，動(dòng)力輸出和信號(hào)傳輸滿足平移150 m距離的作業(yè)需要。鉆機(jī)井架、底座等鉆機(jī)主體參與整體平移裝置向前移動(dòng)，鉆井液泵區(qū)、固控區(qū)、動(dòng)力區(qū)不參與鉆機(jī)移運(yùn)。鉆機(jī)配置折疊電纜槽、電纜儲(chǔ)存架、電纜掛架，隨鉆機(jī)移運(yùn)電纜展開。為了避開井口采油樹，井口后部左右下底座之間的連接架采用三段式結(jié)構(gòu)。最大平移質(zhì)量為800 t，最大平移速度為0.3 m/min，平移節(jié)距為0.5 m，液壓系統(tǒng)最大工作壓力為21 MPa，移動(dòng)時(shí)允許最大風(fēng)速為16.5 m/s，軌道高度為430 mm。

圖4 導(dǎo)軌平移裝置

3 HSE要求

3.1 高低壓流體管道防護(hù)

所有1 in及以上拆卸空氣軟管線連接部位加裝安全繩，所有拆卸氣管線兩端要有永久編號(hào)標(biāo)識(shí)。鉆井液循環(huán)管匯工作壓力為70 MPa，地面部分、立管采用雙管路設(shè)計(jì)，回流形式采用鉆井液匯聚在地面閘閥組用軟管接鉆井液罐。閥門組閥門采用暗桿式閥門，金屬密封結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)4 in的FIG 1003由壬連接，所有管線有編號(hào)和壓力級(jí)別永久標(biāo)識(shí)。高壓軟管線連接處應(yīng)有相應(yīng)規(guī)格的彈簧式安全繩，保險(xiǎn)繩管夾，對(duì)夾式螺栓連接。

3.2 高空作業(yè)安全要求

井架配套安全生命線，在井架低位安裝工況，為保證操作人員的安全，每段井架后立柱兩端設(shè)負(fù)荷不小于30 kN可翻倒式立柱，立柱上端設(shè)置可穿安全繩的耳板，安全工作載荷值為30 kN，并安裝有負(fù)荷大于30 kN的鋼絲安全繩。

梯子和高于1.2 m的平臺(tái)要有欄桿，平臺(tái)欄桿底部有200 mm的踢腳板，在不低于0.7 m處設(shè)橫檔，橫檔以下設(shè)鋼板網(wǎng)，欄桿強(qiáng)度要保證在1000 N 的橫向拉力下不能彎曲。

3.3 有毒氣體監(jiān)測

為了保證鉆井作業(yè)的安全，配套有氣體檢測系統(tǒng)，在鉆臺(tái)下部、喇叭口的上方設(shè)有專用平臺(tái)，用于安裝硫化氫設(shè)備，可以鉆臺(tái)上能方便的安裝、維修和檢測。

3.4 高空懸掛二次防護(hù)

為防止高空墜落造成安全事故，高處懸吊部件應(yīng)安裝與懸吊耳板相同安全載荷的2道安全防護(hù)繩，確保作業(yè)安全、人身安全。

3.5 吊裝要求

所有的吊裝鋼絲繩采用插編+擠壓鋼絲繩方式，且所有吊耳、吊裝管、懸掛耳板有額定載荷SWL標(biāo)識(shí)，對(duì)應(yīng)編號(hào)有相應(yīng)的載荷試驗(yàn)報(bào)告、探傷等，試驗(yàn)載荷要求如表3所示。

表3 吊點(diǎn)載荷試驗(yàn)要求

圖5 井架安全生命線

4 應(yīng)用情況

4.1 廠內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6680-2013《石油鉆機(jī)和修井機(jī)出廠驗(yàn)收規(guī)范》要求，在廠內(nèi)進(jìn)行了鉆機(jī)的組裝試驗(yàn)；井架、底座的起升下放試驗(yàn)；天車對(duì)轉(zhuǎn)盤中心找正檢驗(yàn)；轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了2 h的低速擋、中速擋、高速擋試驗(yàn)，以及倒擋試驗(yàn)、慣性剎車試驗(yàn)；絞車進(jìn)行了2 h的空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，4個(gè)擋位下下的絞車排繩試驗(yàn)；游吊系統(tǒng)進(jìn)行了提升下放試驗(yàn)，上碰下砸試驗(yàn)；固控設(shè)備進(jìn)行了4 h運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)；鉆機(jī)整機(jī)進(jìn)行了2 h的聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)，所有設(shè)備運(yùn)行，包括鉆井泵、鉆井液管匯的帶壓試驗(yàn)，MCC系統(tǒng)負(fù)荷測試等[8]。經(jīng)過組裝調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，各項(xiàng)邏輯功能正常，溫升、噪聲在可控范圍之內(nèi)。

4.2 油田應(yīng)用

截至2021年11月，寶石機(jī)械累計(jì)出口沙特鉆機(jī)54套，隨國內(nèi)鉆井公司在沙特作業(yè)，包括ZJ50D鉆機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)型ZJ70D鉆機(jī)、加強(qiáng)型ZJ70D鉆機(jī)、ZJ70DB鉆機(jī)、ZJ90DB鉆機(jī)，大批量應(yīng)用于沙特地區(qū)作業(yè)。其中，2013年出口沙特鉆機(jī)數(shù)量為7套。出口的各類鉆機(jī)性能穩(wěn)定，均已完成多口井的鉆井作業(yè)。

2021年12月由寶石機(jī)械制造的ZJ70D鉆機(jī)在沙特完成32 h的鉆機(jī)搬家安裝[9]，創(chuàng)造了當(dāng)?shù)匦碌挠涗?。同月，ZJ90DB鉆機(jī)在完成了年進(jìn)尺198 737 ft（60 590 m），該鉆機(jī)自2020年6月開鉆以來進(jìn)尺突破7萬m，創(chuàng)區(qū)塊記錄16項(xiàng)[10-11]。

5 結(jié)論

1）寶石機(jī)械經(jīng)過10余年在沙特市場對(duì)鉆機(jī)的不斷摸索、創(chuàng)新，形成了適應(yīng)該市場的標(biāo)準(zhǔn)化、定型鉆機(jī)，為國內(nèi)鉆探企業(yè)、裝備制造企業(yè)走向沙特市場提供了有力支撐。

2）沙特阿美對(duì)安全的高標(biāo)準(zhǔn)要求體現(xiàn)了該公司對(duì)人身安全的高度重視，也是我國出口鉆機(jī)安全要求的標(biāo)桿做法。

3）輪式移運(yùn)、大模塊運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)在油區(qū)內(nèi)、沙漠地區(qū)得到廣泛應(yīng)用；井場叢式井作業(yè)遠(yuǎn)距離導(dǎo)軌移運(yùn)，實(shí)現(xiàn)工廠化作業(yè)模式，提高了鉆井效率。

圖6 井架移運(yùn)