石油鉆機整機移運裝置設計研究

李睿明

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機是開采石油的主要鉆井設備，由于鉆機設備龐大、零部件比較多，一定程度上增加了鉆機移運難度。當前我國石油鉆機普遍存在移運不便、搬遷安裝時間長、拆卸工作量大等問題，嚴重影響鉆機工作效率和石油開采成本。我國陸地石油資源主要集中的東北、華北、西北等地方，這些地方的石油資源豐富，西部地區多沙漠、隔壁，東部地區石油資源主要集中在平原，井場寬廣，井距近，有利于鉆機整體搬移，可以減少鉆機拆卸時間，從而減低鉆井的生產成本。隨著計算機技術、變頻技術、液壓技術、控制技術和人工智能技術在石油開采工藝中的應用，鉆井的機械化、自動化、智能化水平不斷提高。目前，國內常見的拖車式移運裝置、步進式移運裝置、滑移式整體移動裝置以及輪軌式移運裝置，這些移運裝置無法實現整機整體移動，且適合小區域鉆從式井作業。因此，我國還需要進一步研發大型鉆井整機移運裝置，提高移運裝置的工作效率和工作范圍。

1 幾種常見的鉆機移運裝置

（1）拖車式移運裝置。拖車式移運裝置利用拖車牽引裝置將底座和井架運輸到工作場地，這種類型的移運裝置需要在鉆機底座上安裝承載升降系統、承載輪滑、鵝頸等附件，在移運過程中，升降系統托起底座，并安裝承載輪軸，牽引車的牽引拖臺連接底座上的鵝頸將其移運到鉆機底座。井架移運時，將井架水平放置以后，安裝滑動系統托架，并固定在游車上，天車尾部的前托架和牽引車連接，牽引車牽引整個底座和井架到規定位置。但是，這種拖車式移運裝置在移運過程中，托架、牽引車、底座不容易對接好，運輸過程中，無法實現轉彎。

（2）步進式移運裝置。步進式移運裝置是在鉆機底座安裝4 個角液壓系統的移動裝置，井架豎直方向的頂升液壓系統伸長將鉆機整體抬升到一定高度，平移液壓系統則沿著水平方向移動移運車在軌道上移動，移動到指定位置以后，頂升液壓排放壓力，鉆機自動落下，平移液壓系統則縮回到原來的位置，導軌恢復到原來初始狀態。這樣一個過程為一個步進，在鉆機移運過程中，需要多次循環數步進才能完成移運工作目標。這種移運方式，對平移和頂升的距離、角度要求比較高。隨著石油工業的發展，越來越多的石油企業加大對鉆機移運裝置的研究，第四石油機械廠研發的步進式鉆機將操作旋轉桿改為液壓桿推動轉向裝置移動，極大地提高了移運裝置工作效率，縮短了建井周期。

（3）滑移式整體移運裝置。滑移式整體移運裝置主要由組合式滑軌和液壓平移裝置構成，鉆機底部兩側滑移軌道上設置了距離相同的矩形槽，兩個移動液壓缸活塞伸長或者縮回時，則棘爪被推入到導軌的矩形槽并卡住槽位，油缸收縮或伸長時則帶動整個鉆機整體在軌道上移動。在移動過程中，如果需要改變方向，只需要轉變棘爪的方向。這種移運裝置不需要升降設備，滑軌與地面充分接觸，對地面的要求比較低。但是由于導軌接觸面安裝了棘爪槽，則一定程度上降低了導軌的承載重量。

（4）輪軌式移運裝置。輪軌式移運裝置則是在滑移式移運裝置的基礎上，將滑動摩擦轉為滾動摩擦，通過液壓缸推滑輪向軌道平移。鉆機移運時，利用底座四個角的8 個升降油缸將鉆機整體提升2m，然后拆除底座和軌道兩側的鎖緊裝置和墊片，上升油缸泄完壓力以后，車輪和軌道接觸，移動油缸推動鉆機沿著導軌平移一個油缸行程。然后，取下油缸和軌道的連接銷軸，則油缸液壓系統回縮到下一個軌道的步進孔，將其連接銷軸則完成一個步進工作。連續循環直到鉆機移動到新的鉆井位。這種輪軌式移運裝置的移運效率比較高，移運時間比較少，降低了工作量。但是，這種移運裝置無法放置在井架底座，且只能單方向前后移動，存在一定的缺陷。因此，需要進一步完善鉆機整體移運裝置的工作效率，提高移運裝置的自動化水平和靈活度。

2 石油鉆機整機移運裝置的設計

（1）移運裝置整體設計思路。整機移運裝置主要滿足7000m 石油鉆機開采和勘探工作要求，移運裝置采用步進式平移方式，也就是在鉆機的左右基座安裝平移裝置支撐座，需要平移作業時，則只需要將鉆機主體用四套平移裝置提升液壓缸，在自動行走機構的作用下，帶動鉆機向前或者向后移動到指定位置以后，剎車系統拉動制動器，然后收縮液壓油缸，將鉆機移動指定位置。鉆機絞車、轉盤、鉆井泵采用交流變頻電傳動全數字控制，確保整個鉆機的自動化控制。鉆機電力控制系統采用PLC 技術控制，并在頂部驅動裝置、輸管機、鉆井泵等設備之間設置安全邏輯互鎖裝置和邏輯故障診斷設備，提高整個鉆機操作的安全性。

（2）設備基本技術參數。鉆機深度為7000m，最大靜鉤載重為4500kN，井架底座直立輪式移運質量為850t，井架底座移運質量為970t，鉆井液步進移動質量為720t，液壓系統額定壓力為21MPa，頂升油缸單點最大頂升力為3000kN，移動速度為112.5mm/min，高位貓道移運質量為68t。

（3）主機模塊設計。為了減少鉆機整體移運過程中的拆卸時間，鉆機采用大模塊設計，井架、底座以及上部裝置為主機模塊，主機模塊配套步進和輪軌式移運裝置，根據具體作業環境，采用移運方式。井作業時，井架底座處于直立狀態下可直接帶動鉆柱移動；長距離鉆井移運時，則井架和底座可采取直立拖掛運輸。主機模塊步進裝置安裝4 個角點，由舉升油缸、步進油缸、定向裝置、滾子總成構成，移運時，根據目標方向設置好定向裝置的方向，然后通過舉升油缸頂起移運模塊，步進油缸推動移運模塊前進到下一個步進位置，舉升油缸回落到原來位置，步進油缸縮回到液壓系統，并將移運靴歸位，進入下一個步進循環工作。

（4）鉆井液模塊設計。鉆井泵、吸入罐、振動篩罐則安裝在鉆井液模塊上，并安裝步進和輪軌式移運裝置。井作業時，鉆井液的載荷跟進主機移運情況變化，減少了拆卸工作量，但是一定程度上增加了鉆井液模塊的面積，步進移運鉆井液的模塊面積為28.2×20.4×13.4（m），鉆井模塊面積太大，影響到長距離輪式運輸，在運輸過程中，可能出現轉彎困難，增加整體輪式移運質量，影響到整個鉆井液模塊的移運速度。因此，考慮到長距離運輸，將鉆井液模塊拆分為鉆井液罐單元和鉆井泵單元，并將兩個單元分別安裝在步進移運裝置上、下升降系統，不需要大型吊裝設備，可以實現升降系統快速對接，從而實現鉆井液模塊快速安裝和拆卸，提高整個移運速度和工作效率。

（5）高位貓道設計。在鉆井作業時，需要為鉆機移運預留一定的空間，讓移運裝置可以同步主機移運到指定位置。因此移運裝置設計了拖掛式高位貓道，高度為5m，寬度為9.7m，并配備抓管機和輸管機。

高位貓道的輪軸設計為全轉向，可以實現橫向、縱向、斜向任意角轉變，主機模塊前進或者后退時，高位貓道可與主機系統連接，實現同步移運。如果鉆機需要長距離運輸，則高位貓道主管機和輸管機拖掛主機整體移運。

3 結語

綜上所述，通過對鉆機整機移運裝置結構進行分析，采用模塊設計，可以提高整個移運裝置的靈活性，并利用PLC控制系統，對鉆機移運裝置進行控制，降低工人的工作量，提高移運裝置的靈活性。