舊鉆機再制造技術可行性分析

吳衛周， 劉志林， 劉遠波， 張自修， 姜小剛

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

0 引言

目前，石油鉆井技術正在從機械化鉆井的成熟階段向實現自動化鉆井階段邁進，以降低勞動強度、信息化、智能化、自動化為特點。鉆機市場經過近10 a的快速發展，國內已擁有鉆深從1000～12 000 m總量超過1700套的鉆機。涵蓋了機械驅動、機電復合驅動、電動機驅動、液壓驅動等多種型式。基本滿足我國自身石油勘探開發市場的需要，新制鉆機前景不容樂觀。

陸上油氣開采領域向著難度更大、技術要求更高的特殊井、深井領域大幅度發展，要求鉆機具備高效節能、低成本、承載能力大、自動化、智能化的優點。為適應新的鉆井市場需要，舊鉆機就必須從提高效率、降低成本，提升性能入手進行技術革新。

1 鉆機市場目前狀態

按照驅動方式劃分，各油田鉆井公司現存的鉆機可以分為機械驅動、機電復合驅動、直流電動機驅動和交流變頻電動機驅動。鉆機產出時間跨度大、生產廠家多、各制造廠商的設計理念、規范化程度，執行標準情況和具體實施過程均存在不同程度的差異，造成舊鉆機方案多、機型雜、性能差異較大。

1.1 機械驅動鉆機

鉆機以柴油機驅動為主，根據絞車、轉盤、鉆井泵的工作特點和性能要求，以最簡單、直接、經濟的形式將三者有效地組合在一起，通過統一的動力配置獲得各自的工作性能。

鉆機采用系列柴油機驅動，3000 m以下鉆機，如ZJ20B、ZJ30B鉆機多采用1臺柴油機驅動或2臺柴油機并車驅動，經多擋位變速箱變速后兩路輸出，一路驅動絞車，一路驅動轉盤；3000 m以上多采用3臺或4臺柴油機經多組皮帶或鏈條并車后分別給絞車、轉盤、鉆井泵提供動力。絞車、轉盤采用多擋位內變速驅動。早期產出的ZJ40L（J）、ZJ50L（J）、ZJ70L鉆機均采用多臺柴油機并車后驅動三大工作機。

底座前臺多采用箱塊式結構，后臺采用塊裝結構。受傳動形式的限制，其固有的勞動強度大、轉盤轉速與泵沖不能很好匹配、鉆臺面狹窄、故障點多的缺陷也非常突出。

1.2 機電復合驅動鉆機

機電復合驅動鉆機是在機械驅動基礎上將轉盤動力升級為獨立電驅動，消除了轉盤轉速與鉆井泵沖次不匹配的問題，底座也增加了自升式、同升式、箱塊式等多種型式可供選擇，所有設備實現了低位組裝后利用絞車動力整體起升。

鉆機可根據絞車、轉盤、鉆井泵的工作特點和性能要求，靈活選用相適應的動力驅動方式，以最經濟的動力配置獲得最佳的工作性能。

常用的ZJ30LDB～ZJ70LDB等4個級別的鉆機屬于鏈條并車類型鉆機，ZJ40JDB、ZJ50JDB等鉆機則屬于皮帶并車類型鉆機。

1.3 電驅動鉆機

絞車、轉盤、鉆井泵等多為獨立電動機驅動模式，電傳動控制系統可分別對三大驅動模塊進行精確控制。絞車、轉盤采用多擋位內變速，整體安裝在鉆臺區域；鉆井泵隨固控系統進行布置；底座有塊裝式或自升式結構。

直流電驅動鉆機采用AC-SCR-DC直流電傳動，控制系統已基本國產化，配套技術成熟，控制方便可靠，廣泛應用在ZJ40D～ZJ90D五個級別的鉆機上。

交流電驅動鉆機則采用大功率AC-VFD-AC交流變頻電傳動控制系統，系統對控制對象采用閉環控制，并進行實時監控，定量控制；利用變頻電動機在零轉速下能夠承載全部負載的優勢，實現再生制動；同時應用模糊控制理論，實現主電動機或送鉆電動機自動送鉆；已在ZJ30DB～ZJ90DB六個級別鉆機上廣泛應用。

另外，交流變頻控制技術因其控制精度高、系統功率因數高、兼容性好、易于實現自動化、智能化及網絡化遠程控制，使得鉆井效率及井身質量得到極大提升。目前已成為深井、超深井項目的首選。

從對各類型鉆機特點分析來看，所有舊鉆機均可結合網電化改造、移運性能改造、整合新開發產品、轉化新技術應用等一系列措施達到節能減排、適度自動化、人性化，減輕勞動強度，提高鉆機的整體性能；均可按照SY/T5466-2013的標準要求進行區域劃分，規范鉆機的整體布局，能逐漸適應油田對鉆井現場污染物的無害化處理，達到改善環境的要求。

2 再制造的技術分析

2.1 網電化改造

隨著油田電網的不斷擴容及設備更新換代，通過增加一套獨立的變配電系統，將油田35 kV、10 kV、6 kV網電變為600 V的低壓輸出，給SCR/VFD/MCC等提供電力，用以驅動絞車、轉盤、鉆井泵實現電網供電，工作原理如圖1所示。

鉆井過程中波動負荷會產生較大的無功和大量的諧波，引起電網電壓的波動和閃變，影響到供電電能質量和設備的運行安全。網電化改造，首要的條件是系統需配置一套無功補償及諧波抑制裝置，對網電拖動系統（帶有載調壓）進行諧波治理和無功補償，使諧波電壓總畸變率小于4%，補償后系統功率因數大于0.9，以同時滿足國家電網對電能質量的要求和鉆機工作對絞車、轉盤、鉆井泵的電動機的控制要求。電能質量具體要求詳見GB12326、GB/T14549和GB/T15543的規定。

圖1 網電化工作原理示意圖

濾波器用于系統運行中的諧波治理，分為無源LC濾波器和有源濾波裝置。無源LC濾波裝置結構簡單，但補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，只能補償無源固定頻率的諧波，難以對頻率變化的諧波進行有效的動態補償。

有源濾波裝置從補償對象中檢測出無功和諧波電流，由補償裝置產生一個與該電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網電流中只含有基波有功分量，具有良好的動態響應和補償精度，解決了幾乎所有無源型裝置的缺點，但造價較高。

無功補償容量的確定按無功功率曲線或以下公式確定：

式中：QC為無功補償容量，kVar；P為用電設備的計算有用功功率，kW；tanΦ1為補償前用電設備自然功率因數的正切值；tanΦ2為補償后用電設備自然功率因數的正切值，取cosΦ2不小于0.9值。按GB 50052-2009規定，以節能為主進行補償時，宜采用無功功率參數調節；當三相負荷平衡時，亦可采用功率因數參數調節。

網電改造需要注意以下事項：1）系統必須進行諧波治理和無功補償，并達到同時滿足國家電網對電能質量的要求和鉆機對絞車、轉盤、鉆井泵的電動機的控制要求。2）SCR變流技術的直流鉆機，負載特性較為感性，在鉆井過程中會產生較大的無功和大量的諧波；VFD變頻技術的變頻鉆機，在鉆井過程中產生的無功較小，但產生的諧波卻更多。3）系統需滿足鉆機的機動性、靈活性和區域性差異。即在工業電網停電工況下，電動鉆機能立即回復到柴油發電機組供電模式。機械鉆機能啟動1臺備用柴油機進行鉆井應急作業，啟動1臺輔助發電機組給MCC系統供電，滿足井場的輔助設備用電。4）對機械驅動而言，把柴油機動力模塊替換為電動機驅動模塊后，其后臺傳動設備適應三大工作機的條件發生了很大變化，需對多臺電動機設備功率和調速性能進行匹配分析；必要時對動力系統進行可調式轉矩限制；多臺電動機同時工作時，需進行電動機同步優化設計和電動機的主從動關系指配，在電動機的控制程序中設定完成。5）對機械驅動而言，電動機驅動模塊可以通過電動機、液力偶合正車減速箱、減速箱等進行多種型式組合，使用中應根據實際情況靈活選擇。6）系統實現無人值守。

2.2 移運性能改造

舊鉆機設備搬家安裝占用車輛多、操作工人多和耗時長的問題表現十分突出。軌道移運、步進式移運，拖掛移運是目前鉆機改造縮短搬家時間最有效的方式。

2.2.1 軌道移運、步進式移運

軌道式移運鉆機的主機部分（包括井架、底座以及安裝在其上的設備、鉆具等）整體安裝在組合式移動軌道上，利用2套推移裝置在軌道上同時推（拉）鉆機底座實現同步移動。推移過程中所有單節移動軌道可以循環使用。機械驅動鉆機移運過程中可攜帶質量大、安裝定位要求高的鉆井泵，電動鉆機可以考慮攜帶振動篩罐等外圍配套設備。目前軌道移運能實現的最大推移質量為900 t。軌道式移運方案如圖2所示，軌道式推移裝置結構如圖3所示。

圖2 鉆機軌道式移運

圖3 軌道式推移裝置

步進式移運鉆機的主機部分（包括直立井架、底座以及安裝在其上的設備、鉆具等）利用安裝在底座基座4個方位的舉升油缸頂起底座后，用推移油缸推動滾輪在滑靴上前移帶動鉆機前移；推移油缸行程完畢后，舉升油缸收回將底座放在地上，然后利用推移油缸收回帶動滑靴前移，類似人類負重行走。重復上述步驟，直到鉆機移動結束。目前單套步進式推移裝置最大推移質量240 t，整套鉆機配4套推移裝置可完成負重960 t的步進式移運。步進式移運方案如圖4所示，步進式移運裝置結構如圖5所示。

圖4 鉆機步進式移運

圖5 步進式移運裝置

適應軌道移運、步進式移運的鉆機主要有以下明顯特征：1）軌道移運、步進式移運主要用于模塊化鉆機的主機部分的移運，其移運過程中可攜帶一定的外圍配套設備；2）除車裝鉆機外大多數類型常規鉆機均適合采用軌道移運和步進式移運；3）主機部分設備總質量基本沿井口中心線縱向對稱分布勻；4）適應小型井場布置，用于單排或多排叢式井作業，短距離、單方向移運優勢明顯；5）適合大工廠化批量流水線作業，能對單一井場多口井，以流水線的方式進行批量鉆完井作業，縮短建井周期。配備滑軌或步進系統，實現滿立根快速移動。大平臺工廠化作業模式如圖6所示。

例如：2013年起長慶油田抓住工廠化這個關鍵因素，以蘇東三區G0-7井場為例節約征地18畝，施工周期縮短58 d；ZJ50DB鉆機采用滑軌搬家時間由3 d降至3 h，極大減少等停時間。

缺點：外圍主要配套設備如油罐區、固控系統、動力控制區等目前不參與移運，泥漿循環系統的凈化流程需進行調整，動力區需存儲一定量的電纜。

圖6 大平臺工廠化作業模式

綜合上述移運方式，可歸納出以下相對突出的要點供鉆機改造借鑒：1）在叢式井作業區域和要求小范圍調整井場布置的情況下宜采用軌道式或步進式移運改造方案。對于7000 m以上及要求橫縱向移動的鉆機宜采用步進式移運方案。2）推移方案宜采用油缸完成，技術成熟，適應性好，最大推移質量可達900 t。3）推移方案結構簡單，不受安裝空間的限制，性價比突出。4）改造需要充分考慮鉆機底座下層設備通過井口時的高度和圓井規格；鉆機軌道的設置、井場電路、線纜槽及地面管匯等輔助設備均受井位間距的約束。5）移運方案須考慮同步推移系統的自身糾偏能力。

2.2.2 拖掛式移運

隨著電驅動技術的日趨成熟和重型輪胎、車橋技術的發展，拖掛鉆機的技術得到很大提升，拖掛鉆機的能力也進一步提高，在沙漠、戈壁、草原、雪地等都有應用。該類拖掛鉆機能縮短拆裝和運輸時間約70%以上，降低了鉆井成本，具有良好的經濟性。

拖掛式移運可分為全拖掛（如圖7）和半拖掛（如圖8）兩種形式。以主機移運方式為例，全拖掛牽引車運輸時，牽引車與運輸模塊之間采用鉸接或掛鉤、牽引桿連接方式，牽引車不承擔運輸模塊的垂直載荷，只提供模塊移運時的動力。半掛車運輸時，牽引車除了提供模塊移運時的動力外，還要承受一定的垂直負荷。全拖掛鉆機以4000 m以上模塊鉆機為主，半拖掛式以4000 m以下模塊鉆機為主。

拖掛式移運根據鉆機部件功能和運輸條件，將鉆機部件設計成多個便于拆裝的獨立模塊，分別由牽引車拖掛運輸。一般情況下劃分為：井架獨立整體移運模塊，底座低位帶鉆臺設備整體移運模塊、動力模塊（包括發電機組模塊、氣源及氣源凈化裝置）、電控模塊、鉆井泵模塊、固控模塊等。

圖7 全拖掛移運

圖8 半拖掛移運

適合采用拖掛移運的鉆機主要有以下明顯特征：1）鉆機高度模塊化設計；2）鉆機各模塊滿足快速輪式移運，減少了運輸單元，可實現快速搬家；3）主機部分所有部件拆開按常規鉆機滿足普通公路運輸；4）減少運輸模塊，且模塊設計適合當地運輸條件。

綜合上述，拖掛移運方式可歸納為以下相對突出的特點或要求可供改造借鑒：1）沙漠、平原等油區長距離移運或快速搬家宜采用拖掛式移運。2）接口宜采用標準化設計，便于進行多臺移運設備的整合。3）宜采用模塊化整體移運，減輕鉆機搬家工作量，減少搬家時間和費用。4）牽引銷常選用符合SAE J848標準的321/"或2"牽引銷(國內選用符合GB/T 4606、GB/T 4607標準的50號或90號牽引銷)。以某型號的50D鉆機為例，鉆機整體劃分為5個獨立的運輸模塊，每個運輸模塊根據設備的自重合理選擇配置車橋、輪胎型號和數量，移運過程系統配置獨立的液壓站，用于新舊井場拆裝各移運模塊和轉運過程中設備的維護。全套鉆機只有相當于常規鉆機的10%左右的運輸單元，滿足井距10 km內實現48 h快速搬家的要求。5）鉆機的快速搬家必須考慮各模塊間的連接管線和電纜的快速拆裝。鉆機移運模塊的布置在改造設計時必須考慮搬家過程的可操作性，如圖9所示。例如：鉆井公司通常租用KENWORTH 953S牽引車，其全長12.75 m，寬度3.7 m，一般泥漿罐區布置為“L”型布局，振動篩罐從貓道方向移運，吸入罐和儲備罐從相反方向拖移，泵組模塊和動力模塊移運互不影響。6）拖掛移運方式的設計必須考慮移運質量、鉆井現場移運地形、牽引車能力等條件。7）移運設計時需考慮模塊外型尺寸、輪胎選擇、車橋承載、轉彎半徑、最小離地間隙、接近角、離去角、通過性等使用條件。

2.3 鉆機承載性能改造

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，大斜度井、定向井、水平井成為主要鉆井方向，其井身結構位垂比增大明顯，要求鉆機的提升能力和鉆井泵的能力不斷提升。

目前鉆機能力的升級主要有2250 kN的鉤載升級為2500 kN，3150 kN的鉤載升級為3500 kN，4500 kN的鉤載升級為5850 kN，5850 kN的鉤載升級為6750 kN。對于提升能力增大不超過（10%～15%）升級方式主要有更換原游動系統的繩系，配備大功率的動力設備來滿足原鉆井設備的能力的提升。對于提升能力升級超過15%時，受到原始設計條件的限制，升級能力有限。建議對游動系統、提升系統進行更換。

圖9 鉆機移運模塊的布置

要提高鉆井效率，必須要提高鉆井泵的功率。將鉆井泵從735～956 kW（1000～1300 hp）升級到1176 kW（1600 hp）甚至1618 kW（2200 hp）。同時，將鉆井泵的最高泵壓也從20 MPa升高到35 MPa以上。使得深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝得以實現，以及在水平井作業中提高了泥漿攜帶泥沙的能力，使得井下動力鉆具得以推廣應用，大大減少了井下遇阻的風險。

2.4 鉆機自動化改造

目前鉆機電氣控制系統已基本實現了數字化，正在進行網絡智能化和自適應控制升級換代。控制系統全部采用數字控制和調節，設備之間通過現場總線實現數據的交換和通訊，實現與上級系統的遠程監控功能。系統還能根據不同地層條件、鉆壓、壓差和轉矩等參數，迅速優化鉆井參數，使鉆頭能保持穩定的鉆井狀態，實現自動送鉆功能。

鉆臺機械化程度某種程度上制約著鉆機的自動化、智能化程度。國內市場已經開發并投入應用的自動化、智能化系列井口作業設備（如鐵鉆工、管柱操作系統等）正在逐漸替代原井口操作工具（如液壓大鉗、液壓套管鉗等），改善其系列不全，缺少轉矩自動控制、自動記錄的缺點。

另外，鉆桿柱、套管柱的在線測量，完全可取代人工測量。如蘭州石油機械研究所研制成功激光測長儀，自動測長距離可達30～100 m，相對誤差可為0.015%左右。利用掌上電腦一次性記錄現場所需的各種數據后，可直接與計算機對接傳輸，實現數據聯網和數據共享。解決了多年來人工拉卷尺的缺陷：測量、記錄費工費時，效率低，出錯率高，而且資料不易保存、傳輸和查詢。

因此，適度自動化、智能化操作系統既可節約成本，又能大幅提高操作的安全性，減小勞動強度。國內正在進行鐵鉆工、管柱操作系統的自動化研究成果轉化，部分機型亦已經過工業試驗，投入到鉆井生產過程中。通過這兩年的使用效果來看，其關鍵技術仍不太成熟，使用效率較為低下；國產關鍵件性能仍不穩定，主要依賴進口件居多，投資成本居高不下。且3000 m以下鉆機的自動化操作系統還處于研究開發階段。

2.5 鉆機節能減排改造

國內各級別鉆機在節能減排，綠色環保方面的研究投入較少。動力系統的配置不合理既增加了設備的一次性投資，又造成動力系統燃油消耗過大，導致設備運行成本高，鉆機的體積和質量高，后續使用成本、運輸成本高。雖然單井的作業效率提高了，但是綜合全年的收支情況仍然虧損嚴重，整個鉆井運行成本出現倒掛。

對于機械鉆機和修井機的絞車，按絞車額定功率值，再按柴油機12 h功率值配置柴油機；對于鉆井泵，則按泵的額定功率乘以0.80～0.85降速使用，再按持續功率配置柴油機，通常持續功率P24≈0.9P12。能明顯實現節能降耗。

目前在已有的驅動方式下應立足于提升鉆機整體匹配性能，從結構形式、動力匹配、設備可靠性、功率利用率入手進行改造，著重提出功率利用率的概念。將動力系統根據鉆機級別進行差異化匹配設計，即大鉆機采用大功率輸入，小鉆機選用小功率輸入，以提高柴油機動力利用率，突出節能降耗方面的實際效果。

作為野外環境下鉆機的主要動力來源，柴油機功率應視額定工作需要配置合適的功率。從柴油機的萬用特性曲線我們知道，柴油機只有滿負載運行才能省油、長壽命；功率配備過剩，即大馬拉小車不經濟；配置小了帶不動負載，且柴油機的壽命也受影響。

2.6 鉆機零排放系統

隨著全社會對環保的日益重視，清潔生產對鉆井作業現場產生的液態污染物的無害化處理提出了更高的要求。目前零排放系統主要集中在鉆井過程中重點區域（如：鉆臺區、固控及泥漿罐區、動力及油罐區）的初期預防。通過對井場潛在液態污染物進行導流、配置回收容器等措施對井場不同功能區進行處置，達到防治結合、分類治理、預防為主的目的。

2.6.1 鉆臺區

鉆臺區主要控制鉆臺工作區域污染物的收集工作。布置方式如圖10，其中轉盤區域、井口區域考慮到鉆臺泥漿泄漏的污染和對井筒內泥漿返流量的計量影響。

圖10 鉆臺區域零排放示意圖

2.6.2 固控及泥漿罐區

固控區域主要針對泥漿罐及泥漿連接管道拆裝、更換零部件等工作中產生的泥漿泄漏、污水排放的收集和處理，布置方式如圖11。

2.6.3 鉆機動力及油罐區

結合柴油在油罐和發電機房之間為密閉傳輸、防火的特點，鉆機動力及油罐區泄漏多數情況下在加注柴油、管路維修中會產生。處理方式如圖12所示。

圖11 固控及泥漿罐區零排放示意圖

3 舊鉆機再制造情況

寶雞石機械有限責任公司從2011年以來總共承擔舊鉆機再制造項目約50多批次，項目涉及到多個領域：油田網電改造6批次，移運改造33多批次。短距離移運多為油缸步進式推移系統，拖掛移運改造11批次，鉆機底座為全拖掛結構形式，井架為半拖掛結構形式，且所有鉆機拖掛接口統一，移運設備能夠任意互換使用。管柱處理系統改造1批次，目前正在進行小級別鉆機的自動化系統工業試驗。零排放系統已經在20余套鉆機上實施，時間從2009年至今均在使用，反響良好。

圖12 鉆機動力及油罐區零排放示意圖

4 結 語

再制造是指以裝備全壽命周期理論為指導，以裝備實現跨越式提升為目標進行的修復改造。目前石油市場老舊鉆機大多存在能耗高、結構復雜、搬家車次多，自動化程度不高，與新技術融合度差、承載能力相對較低的不利因素，為提高鉆機的綜合利用率,適應激烈的市場發展,設備必須朝著低成本、高效率、自動化、多功能的方向綜合改進。

通過目前已實施的舊鉆機再制造情況看，再制造后的產品質量的性能達到或超過新品，成本卻只有新品的50%，同時能夠實現節能，節材50%以上，對環境的不良影響顯著降低，符合國家的相關產業政策，不失為“低油價”環境下油田“降本提效”的一條途徑。

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