黃治湖 陳剛 侯文輝,4 趙兵兵 李娜 芮暉 陸俊康,4

(1.寶雞石油機械有限責任公司 2.西安寶美電氣工業(yè)有限公司 3.西南石油大學4.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究有限公司 5.渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司)

0 引 言

為適應鉆機市場的需求，提高搬家效率，近年來寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)及國內(nèi)其他鉆機制造商研發(fā)制造了各種規(guī)格和類型的快速移運鉆機[1-7]，如寶石機械為阿聯(lián)酋國家鉆井公司(ADNOC Drilling)研制的5 000 m和7 000 m全拖掛鉆機、7 000 m組合式快速移運鉆機，為長城鉆探公司研制的ZJ40DBT2鉆機。截至目前，寶石機械快速移運鉆機產(chǎn)品已經(jīng)形成1 000～9 000 m系列化。國內(nèi)的四川宏華公司和蘭石裝備也研制了一些全拖掛或半拖掛快速移運鉆機產(chǎn)品。然而，由于不同地區(qū)路況和地形等存在差異性，對快速移運鉆機的設計要求也不一樣。以阿曼地區(qū)為例，鉆機在搬家移運過程中主要走硬化路面和壓實的油區(qū)道路，硬化路面由于路基寬度要求，左右輪胎外寬需控制在7.5 m以內(nèi)，最大不超過7.9 m，公路兩側(cè)有廣告牌和標識牌，要求地面至4 m高度范圍內(nèi)，移運寬度尺寸不超過10 m；而油區(qū)道路，有時會通過輸電線網(wǎng)，要求移運高度控制在11 m以內(nèi)，最大不超過12 m。目前，國內(nèi)有據(jù)可查的快速移運鉆機尺寸大都超出了阿曼地區(qū)的移運路況要求，或者是整機移運單元劃分不合理，影響移運搬家效率。而國外的鉆機制造商(如NOV)早已針對阿曼地區(qū)的移運路況要求進行了設計優(yōu)化，推出了阿曼地區(qū)快移鉆機產(chǎn)品，并長期占據(jù)阿曼鉆機市場的主導地位。

為了使寶石機械快速移運鉆機更好打入阿曼鉆機市場，突破國外制造商的市場主導地位，寶石機械在20多年的快速移運鉆機研發(fā)的經(jīng)驗積累上，針對阿曼地區(qū)路況和道路環(huán)境，研制了新型4 000 m窄輪距快速移運鉆機。

1 技術(shù)分析

1.1 總體技術(shù)方案

鉆機主要技術(shù)參數(shù)符合文獻[8]要求，能滿足陸地復雜環(huán)境4 000 m井深的開采及勘探開發(fā)鉆井工藝要求。為了實現(xiàn)快速移運，鉆機采用大模塊設計[9]，整個鉆機由主機模塊、鉆井泵組模塊、動力模塊、固控系統(tǒng)模塊和油水罐模塊等組成，所有模塊均為輪式半拖掛移運設計，配有標準的SAE 3in(88.9 mm)牽引銷，整個鉆機移運搬家過程中采用無吊機作業(yè)設計，提高了搬家效率，節(jié)約了搬家時間。鉆機的總體布局如圖1所示。

1—貓道坡道模塊；2—主機模塊；3—水罐模塊；4—固控罐模塊；5—動力模塊；6—鉆井泵組模塊；7—油罐模塊。

鉆機采用3臺CAT 3512CHD柴油發(fā)電機組作為主動力，發(fā)出的600 V、60 Hz交流電經(jīng)變頻單元(VFD)分別驅(qū)動絞車、頂驅(qū)和鉆井泵的交流變頻電動機。絞車由1臺1 000 kW電動機驅(qū)動，自動送鉆由1臺42.5 kW的交流變頻電動機驅(qū)動；頂驅(qū)由1臺440 kW交流電動機驅(qū)動；3臺鉆井泵各由1臺800 kW電動機驅(qū)動。轉(zhuǎn)盤則由液壓馬達驅(qū)動，正常鉆井作業(yè)時為頂驅(qū)鉆井，轉(zhuǎn)盤僅作為應急使用。

井架采用前開口2節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，油缸起升井架上段采用油缸伸縮及鎖定，井架可攜帶游車和頂驅(qū)起升、下放和移運，減少拆裝工作量。底座為箱塊式，分為前臺和后臺，前臺為工作鉆臺面，安裝有轉(zhuǎn)驅(qū)、司鉆房，鐵鉆工等井口工具，后臺布置絞車、風動絞車、液壓站、BOP控制單元，倒繩機、管匯等。底座后臺下方布置有2組33.00R51鋼性平衡車橋，井架放倒后和底座模塊作為一個整體移運模塊進行半拖掛移運(見圖2)。路況允許情況下，底座前臺還可以加裝2組單輪拖座，可以實現(xiàn)井架直立狀態(tài)、井架和底座模塊全拖掛運輸(見圖3)，進一步縮短鉆機的搬安時間。

圖2 井架放倒主機模塊拖掛移運圖Fig.2 Towed-moving of the main rig modules with mast down

圖3 井架直立主機模塊拖掛移運圖Fig.3 Towed-moving of the main rig modules with mast up

動力模塊由1棟VFD房、1棟MCC房、3棟主柴油發(fā)電機房、日用油罐、氣源及凈化裝置等組成，依次平行布置安裝在一體式拖橇上。拖橇下部配有帶氣控制動的2組24.00R35剛性平衡車橋。動力模塊與其他模塊間電纜通過轉(zhuǎn)接箱插轉(zhuǎn),動力模塊移運時可快速斷開電纜連接，即可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)場拖掛移運(見圖4)。

圖4 動力模塊移運示意圖Fig.4 Moving of the power module

鉆井泵組模塊并排布置有3臺F-1000鉆井泵，拖橇配有2組24.00R35雙輪車橋，3臺灌注泵成橇布置于泵組拖橇下側(cè)，為保證灌注泵的正常維護和檢修，灌注泵上部無遮擋，鉆井泵組拖橇與固控罐之間為硬管由壬連接，移運時方便拆卸，固控區(qū)的電纜通過泵組拖橇上轉(zhuǎn)接箱插轉(zhuǎn)，移運時可以快速斷開電纜連接(見圖5)。

圖5 鉆井泵模塊移運示意圖Fig.5 Moving of the mud pump module

固控罐和油水罐[10]都是采用常規(guī)的罐體設計，移運車軸布置在罐端部，與罐體采用銷軸連接，移運車軸為4個14.00R24兩組并胎結(jié)構(gòu)，這樣的設計避免了罐體挖倉結(jié)構(gòu)，同時也保證了罐與罐之間移運車軸的通用性和可互換性。所有罐都為單罐單拖設計，移運寬度控制在3.5 m以內(nèi)，這是阿曼地區(qū)可以直接上公路運輸?shù)臉O限尺寸，這樣，罐拖橇可以先于大尺寸移運模塊轉(zhuǎn)場運輸，達到新井位后提前就位(見圖6)。

圖6 罐類模塊移運示意圖Fig.6 Moving of the tank module

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

名義鉆深范圍(?114 mm鉆桿)為4 000 m，最大鉤載為2 500 kN，絞車最大輸入功率為1 000 kW，鉆井泵為3臺F-1000泵，轉(zhuǎn)盤型號ZP375，井架為有效高度35 m的前開口型，底座為鉆臺高度8 m的箱塊式，柴油發(fā)電機型號為CAT3512 C(HD)/SR500，3臺發(fā)電機功率均為1 305 kW，交流變頻電機功率為1 000 kW(絞車)+440 kW×1(頂驅(qū))+800 kW×3(鉆井泵)，主機整體移運最大速度10 km/h，主機整體移運爬坡角度≤15°。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超級快速移運技術(shù)

該鉆機是寶石機械研制的全新一代快移鉆機，區(qū)別于其他快移鉆機主要體現(xiàn)在：①全模塊拖掛移運技術(shù)；②移運搬家無吊機作業(yè)設計。這兩種技術(shù)的應用進一步縮短了整機的搬安時間。

2.1.1 全模塊拖掛移運技術(shù)

鉆機所有單元或模塊均采用輪式拖掛移運設計，移運模塊之間油、水、電、氣、液均采用快速連接，方便模塊之間的斷開及連接。以主機模塊井架臥倒狀態(tài)移運為例，在鉆井工作完成后：①將游車和頂驅(qū)在井架下段位置進行鎖緊，準備縮回井架上段；②縮回和放倒井架至低位；③拆除節(jié)流壓井軟管，上提鐘形短節(jié)，將BOP吊移至BOP存放架上固定；④拆開回流管與振動篩罐之間的連接，回流管與主機橇一起移運；⑤斷開主機橇和動力模塊之間的電纜連接，電纜隨主機橇一起移運；⑥斷開主機橇和鉆井泵組拖橇之間的高壓軟管，折回掛至主機橇運輸；⑦上提梯子等輔件，連接牽引車準備移運。

主機模塊的拆裝工作量非常少，而且上述拆裝步驟基本上都可以并行處理，大大縮短了搬家時間。

從鉆機布局和模塊劃分來說，大模塊與輔助模塊之間無搬安次序，哪一部分先達到移運狀態(tài)，即可先行撤出井場。主機模塊、動力模塊和鉆井泵組模塊等大移運尺寸模塊最大設計移運速度均為10 km/h，按阿曼當?shù)匾?，需要提前辦理超限運輸手續(xù)，可編為一個車隊，其他輔助模塊都采用單罐單拖的方式，移運寬度控制在3.5 m以內(nèi)，設計移運速度達15～20 km/h，無需提前辦理手續(xù)，可隨時轉(zhuǎn)移井場。另外，振動篩罐與其他罐橇撤出井場方向相反，避免造成振動篩罐和其他罐橇在搬家作業(yè)時相互等待。

2.1.2 移運搬家無吊機作業(yè)設計

吊機作業(yè)在整個搬家過程中，占據(jù)了大部分作業(yè)時間，首先是吊機的調(diào)度，然后是扎吊機準備起吊、掛吊繩，拆除起吊并下放到低位，準備起運或放置到其他地方等待配車。另外，吊機作業(yè)還要求了搬安次序，延長了相互等待的時間，提高了作業(yè)風險，實現(xiàn)無吊機作業(yè)也是用戶的迫切需要。如前所述，鉆機的大模塊設計，合理的模塊劃分，鉆機在現(xiàn)場搬安過程，只有一部分輔件的拆裝工作量，而鉆機的無吊機作業(yè)正是針對這些輔件搬安方案。以主機移運為例：①鐘形短節(jié)為伸縮式結(jié)構(gòu)，通過在轉(zhuǎn)盤梁上配焊有環(huán)鏈葫蘆懸掛耳板，通過手拉環(huán)鏈葫蘆來縮回下部短節(jié)；②拆裝回流管從振動篩罐平臺處斷開由壬連接，回流管本身通過鋼絲繩懸掛與主機橇一起移運；③主機拖橇梯子采用手拉葫蘆在移運前將梯子提離地面。

其他如斷開主機橇和動力拖橇的電纜連接等操作僅需人力即可完成，個別拆裝操作借助叉車也可完成，整個移運搬家過程可實現(xiàn)無吊機作業(yè)。

2.2 HSE設計

在HSE設計方面，除了鉆機配套的控制系統(tǒng)設備操作互鎖、區(qū)域防碰和鉆機零排放[11]等成熟技術(shù)外，還首次配套了鉆機無線搖控起升系統(tǒng)、全制動全鋼子午胎平衡車橋及動力區(qū)域低噪聲設計等HSE設計。

2.2.1 鉆機無線遙控起升系統(tǒng)

鉆機底座為箱塊移運橇一體式設計，搬家或作業(yè)時無需起升下放，井架為K形伸縮式結(jié)構(gòu)，采用油缸起升和伸縮，整個起升過程，除了常規(guī)的本地操作箱控制起升外，還配套了遠程遙控起升，最大遙控距離可達100 m。搖控起升系統(tǒng)具有系統(tǒng)壓力監(jiān)控、無通訊自動鎖定等特性，保證起升過程的安全，整個起升過程包括井架起升，井架伸縮，上、下段鎖定等操作，都可實現(xiàn)遠程遙控，操作者可在安全區(qū)域完成整個操作，同時方便變換不同角度對起升過程的情況進行觀察，保證作業(yè)的安全性。

2.2.2 全制動全鋼子午胎平衡車橋

鉆機所有移運拖橇的車橋都配套了行車制動和駐車制動，尤其是主機拖橇，配套了33.00R51全鋼子午胎平衡車橋，在國內(nèi)首次配套大型車橋的行車制動和駐車制動系統(tǒng)(見圖7)。駐車系統(tǒng)剎車能力可保證在5°坡路況時牽引車失效的情況下超過400 t的主機拖橇自駐車，行車制動可實現(xiàn)移運過程中整個移運模塊的快速制動。

圖7 車橋制動器Fig.7 Axle brake

2.2.3 動力區(qū)域低噪聲設計

柴油發(fā)電機組為全井場設備提供動力支持，但同時也是全井場最大的噪聲源，一直對現(xiàn)場作業(yè)人員的身心健康造成很大影響。為降低柴油發(fā)電機組噪聲，鉆機的動力區(qū)域采用了降噪設計，在機房的吸風口和排風口都增加了降噪裝置，機房墻體加裝了隔音材料，頂部安裝降噪滅火花消音器，排風口設置導流罩，機房之間為無墻設計，方便作業(yè)時檢查和檢修，機房間空隙采用密封條密封，隔絕噪聲外泄(見圖8)。通過這些降噪措施，將整個動力區(qū)域外部噪聲降低至85 dB(A)以下。

1—導流罩；2—排風口降噪裝置；3—隔音墻；4—吸風口降噪裝置；5—降噪滅火花消音器。

3 現(xiàn)場應用

2020年7月，在寶石機械試驗井場完成了鉆機的各項功能試驗，同時還包括無吊機的移運前拆裝試驗、移運試驗及噪聲測試等試驗內(nèi)容，各項性能均達到了設計要求，證明新型4 000 m窄輪距快速移運鉆機的設計和研制成功。同年11月，鉆機從完鉆井口移運至21 km外的新井口，移運時間僅用了1.5 h，從鉆機下放到新井位就緒共計用時8 h，完全滿足阿曼地區(qū)移運路況，鉆機的搬家效率也大幅提高。

4 結(jié) 論

(1)研制的新型4 000 m窄輪距快速移運鉆機外輪距控制在7.5 m以內(nèi)，可同時滿足阿曼地區(qū)硬化路面和油區(qū)路面的路況要求。

(2)鉆機采用超級快速移運技術(shù)，包括全模塊拖掛移運技術(shù)和移運搬家無吊機作業(yè)設計，進一步縮短了整機的搬安時間。

(3)井架為K形伸縮式油缸，采用遠程無線遙控起升，大大提升了起升作業(yè)的安全性；全制動全鋼子午胎平衡車橋提高了移運的安全性；動力區(qū)域低噪聲設計降低了井場柴油機的噪聲，減少了高噪聲對現(xiàn)場作業(yè)人員身心健康的影響。

(4)油田現(xiàn)場應用中，21 km井場轉(zhuǎn)運僅8 h完成，證明了超級快速移運技術(shù)等的設計使鉆機移運效率達到新的高度。