新型4 000 m窄輪距快速移運(yùn)鉆機(jī)研制*

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(jī)械有限責(zé)任公司 2.西安寶美電氣工業(yè)有限公司 3.西南石油大學(xué)4.中油國(guó)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(yīng)鉆機(jī)市場(chǎng)的需求，提高搬家效率，近年來寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱寶石機(jī)械)及國(guó)內(nèi)其他鉆機(jī)制造商研發(fā)制造了各種規(guī)格和類型的快速移運(yùn)鉆機(jī)[1-7]，如寶石機(jī)械為阿聯(lián)酋國(guó)家鉆井公司(ADNOC Drilling)研制的5 000 m和7 000 m全拖掛鉆機(jī)、7 000 m組合式快速移運(yùn)鉆機(jī)，為長(zhǎng)城鉆探公司研制的ZJ40DBT2鉆機(jī)。截至目前，寶石機(jī)械快速移運(yùn)鉆機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)形成1 000～9 000 m系列化。國(guó)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(yùn)鉆機(jī)產(chǎn)品。然而，由于不同地區(qū)路況和地形等存在差異性，對(duì)快速移運(yùn)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)要求也不一樣。以阿曼地區(qū)為例，鉆機(jī)在搬家移運(yùn)過程中主要走硬化路面和壓實(shí)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(biāo)識(shí)牌，要求地面至4 m高度范圍內(nèi)，移運(yùn)寬度尺寸不超過10 m；而油區(qū)道路，有時(shí)會(huì)通過輸電線網(wǎng)，要求移運(yùn)高度控制在11 m以內(nèi)，最大不超過12 m。目前，國(guó)內(nèi)有據(jù)可查的快速移運(yùn)鉆機(jī)尺寸大都超出了阿曼地區(qū)的移運(yùn)路況要求，或者是整機(jī)移運(yùn)單元?jiǎng)澐植缓侠恚绊懸七\(yùn)搬家效率。而國(guó)外的鉆機(jī)制造商(如NOV)早已針對(duì)阿曼地區(qū)的移運(yùn)路況要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，推出了阿曼地區(qū)快移鉆機(jī)產(chǎn)品，并長(zhǎng)期占據(jù)阿曼鉆機(jī)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

為了使寶石機(jī)械快速移運(yùn)鉆機(jī)更好打入阿曼鉆機(jī)市場(chǎng)，突破國(guó)外制造商的市場(chǎng)主導(dǎo)地位，寶石機(jī)械在20多年的快速移運(yùn)鉆機(jī)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)積累上，針對(duì)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(yùn)鉆機(jī)。

1 技術(shù)分析

1.1 總體技術(shù)方案

鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)符合文獻(xiàn)[8]要求，能滿足陸地復(fù)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(shí)現(xiàn)快速移運(yùn)，鉆機(jī)采用大模塊設(shè)計(jì)[9]，整個(gè)鉆機(jī)由主機(jī)模塊、鉆井泵組模塊、動(dòng)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(yùn)設(shè)計(jì)，配有標(biāo)準(zhǔn)的SAE 3in(88.9 mm)牽引銷，整個(gè)鉆機(jī)移運(yùn)搬家過程中采用無吊機(jī)作業(yè)設(shè)計(jì)，提高了搬家效率，節(jié)約了搬家時(shí)間。鉆機(jī)的總體布局如圖1所示。

1—貓道坡道模塊；2—主機(jī)模塊；3—水罐模塊；4—固控罐模塊；5—?jiǎng)恿δK；6—鉆井泵組模塊；7—油罐模塊。

鉆機(jī)采用3臺(tái)CAT 3512CHD柴油發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力，發(fā)出的600 V、60 Hz交流電經(jīng)變頻單元(VFD)分別驅(qū)動(dòng)絞車、頂驅(qū)和鉆井泵的交流變頻電動(dòng)機(jī)。絞車由1臺(tái)1 000 kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)送鉆由1臺(tái)42.5 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；頂驅(qū)由1臺(tái)440 kW交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；3臺(tái)鉆井泵各由1臺(tái)800 kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤則由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，正常鉆井作業(yè)時(shí)為頂驅(qū)鉆井，轉(zhuǎn)盤僅作為應(yīng)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(yùn)，減少拆裝工作量。底座為箱塊式，分為前臺(tái)和后臺(tái)，前臺(tái)為工作鉆臺(tái)面，安裝有轉(zhuǎn)驅(qū)、司鉆房，鐵鉆工等井口工具，后臺(tái)布置絞車、風(fēng)動(dòng)絞車、液壓站、BOP控制單元，倒繩機(jī)、管匯等。底座后臺(tái)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(gè)整體移運(yùn)模塊進(jìn)行半拖掛移運(yùn)(見圖2)。路況允許情況下，底座前臺(tái)還可以加裝2組單輪拖座，可以實(shí)現(xiàn)井架直立狀態(tài)、井架和底座模塊全拖掛運(yùn)輸(見圖3)，進(jìn)一步縮短鉆機(jī)的搬安時(shí)間。

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

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

動(dòng)力模塊由1棟VFD房、1棟MCC房、3棟主柴油發(fā)電機(jī)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(dòng)的2組24.00R35剛性平衡車橋。動(dòng)力模塊與其他模塊間電纜通過轉(zhuǎn)接箱插轉(zhuǎn),動(dòng)力模塊移運(yùn)時(shí)可快速斷開電纜連接，即可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)場(chǎng)拖掛移運(yùn)(見圖4)。

圖4 動(dòng)力模塊移運(yùn)示意圖Fig.4 Moving of the power module

鉆井泵組模塊并排布置有3臺(tái)F-1000鉆井泵，拖橇配有2組24.00R35雙輪車橋，3臺(tái)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(hù)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(yùn)時(shí)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(yùn)時(shí)可以快速斷開電纜連接(見圖5)。

圖5 鉆井泵模塊移運(yùn)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(shè)計(jì)，移運(yùn)車軸布置在罐端部，與罐體采用銷軸連接，移運(yùn)車軸為4個(gè)14.00R24兩組并胎結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)避免了罐體挖倉(cāng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也保證了罐與罐之間移運(yùn)車軸的通用性和可互換性。所有罐都為單罐單拖設(shè)計(jì)，移運(yùn)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(yùn)輸?shù)臉O限尺寸，這樣，罐拖橇可以先于大尺寸移運(yùn)模塊轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸，達(dá)到新井位后提前就位(見圖6)。

圖6 罐類模塊移運(yùn)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(tái)F-1000泵，轉(zhuǎn)盤型號(hào)ZP375，井架為有效高度35 m的前開口型，底座為鉆臺(tái)高度8 m的箱塊式，柴油發(fā)電機(jī)型號(hào)為CAT3512 C(HD)/SR500，3臺(tái)發(fā)電機(jī)功率均為1 305 kW，交流變頻電機(jī)功率為1 000 kW(絞車)+440 kW×1(頂驅(qū))+800 kW×3(鉆井泵)，主機(jī)整體移運(yùn)最大速度10 km/h，主機(jī)整體移運(yùn)爬坡角度≤15°。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超級(jí)快速移運(yùn)技術(shù)

該鉆機(jī)是寶石機(jī)械研制的全新一代快移鉆機(jī)，區(qū)別于其他快移鉆機(jī)主要體現(xiàn)在：①全模塊拖掛移運(yùn)技術(shù)；②移運(yùn)搬家無吊機(jī)作業(yè)設(shè)計(jì)。這兩種技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步縮短了整機(jī)的搬安時(shí)間。

2.1.1 全模塊拖掛移運(yùn)技術(shù)

鉆機(jī)所有單元或模塊均采用輪式拖掛移運(yùn)設(shè)計(jì)，移運(yùn)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(jī)模塊井架臥倒?fàn)顟B(tài)移運(yùn)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(jìn)行鎖緊，準(zhǔn)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(dòng)篩罐之間的連接，回流管與主機(jī)橇一起移運(yùn)；⑤斷開主機(jī)橇和動(dòng)力模塊之間的電纜連接，電纜隨主機(jī)橇一起移運(yùn)；⑥斷開主機(jī)橇和鉆井泵組拖橇之間的高壓軟管，折回掛至主機(jī)橇運(yùn)輸；⑦上提梯子等輔件，連接牽引車準(zhǔn)備移運(yùn)。

主機(jī)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(shí)間。

從鉆機(jī)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(dá)到移運(yùn)狀態(tài)，即可先行撤出井場(chǎng)。主機(jī)模塊、動(dòng)力模塊和鉆井泵組模塊等大移運(yùn)尺寸模塊最大設(shè)計(jì)移運(yùn)速度均為10 km/h，按阿曼當(dāng)?shù)匾螅枰崆稗k理超限運(yùn)輸手續(xù)，可編為一個(gè)車隊(duì)，其他輔助模塊都采用單罐單拖的方式，移運(yùn)寬度控制在3.5 m以內(nèi)，設(shè)計(jì)移運(yùn)速度達(dá)15～20 km/h，無需提前辦理手續(xù)，可隨時(shí)轉(zhuǎn)移井場(chǎng)。另外，振動(dòng)篩罐與其他罐橇撤出井場(chǎng)方向相反，避免造成振動(dòng)篩罐和其他罐橇在搬家作業(yè)時(shí)相互等待。

2.1.2 移運(yùn)搬家無吊機(jī)作業(yè)設(shè)計(jì)

吊機(jī)作業(yè)在整個(gè)搬家過程中，占據(jù)了大部分作業(yè)時(shí)間，首先是吊機(jī)的調(diào)度，然后是扎吊機(jī)準(zhǔn)備起吊、掛吊繩，拆除起吊并下放到低位，準(zhǔn)備起運(yùn)或放置到其他地方等待配車。另外，吊機(jī)作業(yè)還要求了搬安次序，延長(zhǎng)了相互等待的時(shí)間，提高了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)無吊機(jī)作業(yè)也是用戶的迫切需要。如前所述，鉆機(jī)的大模塊設(shè)計(jì)，合理的模塊劃分，鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)搬安過程，只有一部分輔件的拆裝工作量，而鉆機(jī)的無吊機(jī)作業(yè)正是針對(duì)這些輔件搬安方案。以主機(jī)移運(yùn)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(dòng)篩罐平臺(tái)處斷開由壬連接，回流管本身通過鋼絲繩懸掛與主機(jī)橇一起移運(yùn)；③主機(jī)拖橇梯子采用手拉葫蘆在移運(yùn)前將梯子提離地面。

其他如斷開主機(jī)橇和動(dòng)力拖橇的電纜連接等操作僅需人力即可完成，個(gè)別拆裝操作借助叉車也可完成，整個(gè)移運(yùn)搬家過程可實(shí)現(xiàn)無吊機(jī)作業(yè)。

2.2 HSE設(shè)計(jì)

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

2.2.1 鉆機(jī)無線遙控起升系統(tǒng)

鉆機(jī)底座為箱塊移運(yùn)橇一體式設(shè)計(jì)，搬家或作業(yè)時(shí)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(gè)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(yuǎn)程遙控起升，最大遙控距離可達(dá)100 m。搖控起升系統(tǒng)具有系統(tǒng)壓力監(jiān)控、無通訊自動(dòng)鎖定等特性，保證起升過程的安全，整個(gè)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，操作者可在安全區(qū)域完成整個(gè)操作，同時(shí)方便變換不同角度對(duì)起升過程的情況進(jìn)行觀察，保證作業(yè)的安全性。

2.2.2 全制動(dòng)全鋼子午胎平衡車橋

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

圖7 車橋制動(dòng)器Fig.7 Axle brake

2.2.3 動(dòng)力區(qū)域低噪聲設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組為全井場(chǎng)設(shè)備提供動(dòng)力支持，但同時(shí)也是全井場(chǎng)最大的噪聲源，一直對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)組噪聲，鉆機(jī)的動(dòng)力區(qū)域采用了降噪設(shè)計(jì)，在機(jī)房的吸風(fēng)口和排風(fēng)口都增加了降噪裝置，機(jī)房墻體加裝了隔音材料，頂部安裝降噪滅火花消音器，排風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)流罩，機(jī)房之間為無墻設(shè)計(jì)，方便作業(yè)時(shí)檢查和檢修，機(jī)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(gè)動(dòng)力區(qū)域外部噪聲降低至85 dB(A)以下。

1—導(dǎo)流罩；2—排風(fēng)口降噪裝置；3—隔音墻；4—吸風(fēng)口降噪裝置；5—降噪滅火花消音器。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020年7月，在寶石機(jī)械試驗(yàn)井場(chǎng)完成了鉆機(jī)的各項(xiàng)功能試驗(yàn)，同時(shí)還包括無吊機(jī)的移運(yùn)前拆裝試驗(yàn)、移運(yùn)試驗(yàn)及噪聲測(cè)試等試驗(yàn)內(nèi)容，各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，證明新型4 000 m窄輪距快速移運(yùn)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和研制成功。同年11月，鉆機(jī)從完鉆井口移運(yùn)至21 km外的新井口，移運(yùn)時(shí)間僅用了1.5 h，從鉆機(jī)下放到新井位就緒共計(jì)用時(shí)8 h，完全滿足阿曼地區(qū)移運(yùn)路況，鉆機(jī)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(yùn)鉆機(jī)外輪距控制在7.5 m以內(nèi)，可同時(shí)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(jī)采用超級(jí)快速移運(yùn)技術(shù)，包括全模塊拖掛移運(yùn)技術(shù)和移運(yùn)搬家無吊機(jī)作業(yè)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步縮短了整機(jī)的搬安時(shí)間。

(3)井架為K形伸縮式油缸，采用遠(yuǎn)程無線遙控起升，大大提升了起升作業(yè)的安全性；全制動(dòng)全鋼子午胎平衡車橋提高了移運(yùn)的安全性；動(dòng)力區(qū)域低噪聲設(shè)計(jì)降低了井場(chǎng)柴油機(jī)的噪聲，減少了高噪聲對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員身心健康的影響。

(4)油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，21 km井場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)僅8 h完成，證明了超級(jí)快速移運(yùn)技術(shù)等的設(shè)計(jì)使鉆機(jī)移運(yùn)效率達(dá)到新的高度。