新型3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)的研制

沈 炎

（長城鉆探工程有限公司設(shè)備處，北京 100101）

0 引言

遼河油區(qū)2300 m 以下中淺井占比較大，年均約占油田鉆井總量的64%，鉆井進(jìn)尺年均71 萬米，主要由長城鉆探工程公司（以下簡稱“公司”）20 多部ZJ30CZ型鉆機(jī)提供鉆井作業(yè)服務(wù)。這些鉆機(jī)投產(chǎn)年限長，設(shè)備老化嚴(yán)重，作業(yè)效率低，安全性能差，且都是機(jī)械鉆機(jī)，無法滿足遼河油田勘探開發(fā)新要求，已成為油田鉆井提質(zhì)、提速、提效的瓶頸，急需更新?lián)Q代。公司以保障油田勘探開發(fā)為己任，從貫徹落實(shí)中石油集團(tuán)公司加快推進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型和鉆機(jī)電氣化發(fā)展的總體要求出發(fā)，研制了一款新型的3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了車載鉆機(jī)的電動(dòng)化、自動(dòng)化目標(biāo)，降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆機(jī)作業(yè)安全環(huán)保水平，以滿足油田勘探開發(fā)的新需要。

1 技術(shù)方案

2022 年，公司借鑒5000 m 及7000 m 自動(dòng)化鉆機(jī)、ZJ30DB 型雙立根自動(dòng)化鉆機(jī)及國外超級(jí)單根鉆機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[2-12]，聯(lián)合中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司開發(fā)一種新型3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)[13-14]。

1.1 設(shè)計(jì)原則

全新設(shè)計(jì)配套無繃?yán)K直立井架、垂直升舉式底座、游吊一體化頂驅(qū)、超長單根管柱自動(dòng)化處理設(shè)備及司鉆集中控制系統(tǒng)、電驅(qū)絞車及大轉(zhuǎn)矩電機(jī)直驅(qū)泥漿泵、靜音發(fā)電機(jī)組等，實(shí)現(xiàn)“搬安周期短，自動(dòng)化程度高，作業(yè)人員少，占地面積小，綠色低碳環(huán)保”的目標(biāo)。

1.2 總體技術(shù)方案

3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)（圖1）研制全新無繃?yán)K液壓伸縮起升K 形井架和液壓伸縮底座，定制游吊一體化快搬頂驅(qū)，新制單滾筒電動(dòng)絞車配液壓盤剎，鉆機(jī)井架、游吊一體化頂驅(qū)、鉆井大繩、絞車等隨載車一起自行移運(yùn)，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)場。

圖1 3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)

3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)配備軌道式鐵鉆工、推扶式動(dòng)力貓道、液壓鉆桿盒、液壓吊卡、氣動(dòng)卡瓦等管具自動(dòng)化處理設(shè)備；配備全新司鉆房，內(nèi)部集成絞車、頂驅(qū)、鉆井泵以及自動(dòng)化設(shè)備等集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一體化操作；使用12.5 m 超長鉆桿，取消大小鼠洞和鉆根盒；配備1 臺(tái)液動(dòng)ZP275 轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤能正常通過660 mm 鉆頭和508 mm 套管，滿足四開鉆進(jìn)作業(yè)需要。鉆機(jī)裝機(jī)總功率2400 kW，采用工業(yè)電網(wǎng)或靜音柴油發(fā)電機(jī)組做為主動(dòng)力（600 V，50 Hz），經(jīng)VFD變頻獨(dú)立驅(qū)動(dòng)絞車、鉆井泵和頂驅(qū)，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一控制。絞車由1 臺(tái)600 kW 的交流變頻電機(jī)作為主動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，同時(shí)保留1 臺(tái)原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為載車行走動(dòng)力。鉆機(jī)配置兩臺(tái)F-1300 型鉆井泵，每臺(tái)鉆井泵采用2 臺(tái)600 kW 交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

3000m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：名義鉆深為3000 m（Φ114 mm 鉆桿），最大鉤載為1800 kN，大鉤提升速度為0～1.1 m/s，底盤系統(tǒng)為14 m×10 m，絞車額定輸入功率為600 kW，游動(dòng)系統(tǒng)繩系為4×5（順穿），井架有效高度為24.5 m，最大安全距離為4 m，轉(zhuǎn)盤梁凈空高4.9 m，底座面高6 m，轉(zhuǎn)盤開口直徑為698.5 mm（27英寸），鉆井泵功率為1300 hp，頂驅(qū)額定提升載荷為1800 kN，頂驅(qū)功率為300 kW（400 hp），頂驅(qū)最大連續(xù)鉆井扭矩為23.5 kN·m，頂驅(qū)最大卸扣扭矩為36 kN·m，頂驅(qū)背鉗系統(tǒng)夾持可適用于73～139.7 mm 的鉆具，軌道式鐵鉆工液壓鉗管徑適應(yīng)范圍為105～245 mm，上卸扣最大扭矩為105 kN·m，旋扣器管徑適應(yīng)范圍為73～203 mm（2～8 英寸），液壓吊卡額定載荷為2250 kN，適應(yīng)管徑為2～7 英寸，氣動(dòng)卡瓦最大工作載荷為2250 kN，卡持管柱外徑為英寸，液壓動(dòng)力貓道工作高度為3.5～6 m，工作方式為液缸舉升式，起升載荷不大于3000 kg，鉆桿長度為8.84～13.72 m。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 液壓伸縮起升K 形直立井架和垂直升舉式底座

井架為前開口兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)（圖2），無二層臺(tái)、無繃?yán)K，采用液缸起升、伸縮，集成頂驅(qū)導(dǎo)軌，作業(yè)時(shí)井架直立固定于底座面上，井架與底座連接安裝時(shí)采用銷軸連接，移運(yùn)時(shí)裝在載車上。井架本體實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)反扭功能，實(shí)現(xiàn)井架、游車及頂驅(qū)一體化運(yùn)輸功能（圖3），減少鉆機(jī)搬運(yùn)安裝時(shí)間。為滿足運(yùn)輸尺寸要求，底座采用三節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，所有部件低位安裝，立柱內(nèi)置油缸整體起升，鉆臺(tái)面無立根盒和大小鼠洞（圖4）。

圖2 井架結(jié)構(gòu)

圖3 井架合套狀態(tài)

圖4 底座

2.2 定制式游吊一體化快搬頂驅(qū)技術(shù)

頂驅(qū)采用雙導(dǎo)軌方式，導(dǎo)軌與鉆機(jī)井架一體化設(shè)計(jì)，無需安裝拆卸，其結(jié)構(gòu)見圖5。滑車為雙排式，可以在伸縮式井架上、下部分進(jìn)行切換；游動(dòng)段電纜管線采用托鏈方式，布置在井架后側(cè)兩段井架后梁之間；頂驅(qū)在井架伸縮、起落、運(yùn)輸過程中無需拆卸，大大減少頂驅(qū)的安裝拆卸時(shí)間，縮短搬運(yùn)周期，提高生產(chǎn)效率。游吊系統(tǒng)與頂驅(qū)一體化設(shè)計(jì)，取消大鉤和提環(huán)結(jié)構(gòu)，采用一體式游車結(jié)構(gòu)，將游車分別安裝在頂驅(qū)頂部兩側(cè)，與頂驅(qū)緊密地結(jié)合在一起（圖6）。這樣的設(shè)計(jì)將原游車、大鉤以及頂驅(qū)提環(huán)所占的高度全部轉(zhuǎn)移到頂驅(qū)的空間內(nèi)，增加了井架的安全空間，也使頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中運(yùn)行更加穩(wěn)定。

圖5 井架頂驅(qū)裝配圖

圖6 游吊一體化頂驅(qū)

2.3 交流變頻直驅(qū)技術(shù)

鉆井泵采用2 臺(tái)600 kW大轉(zhuǎn)矩增安型交流變頻三相異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，這種直驅(qū)模式省去了機(jī)械傳動(dòng)部分，提高了傳動(dòng)效率，減小了鉆井泵的體積（圖7）。頂驅(qū)采用1 臺(tái)300 kW 交流變頻永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，較相同功率異步電機(jī)體積小、重量輕、功率因數(shù)高、溫升低，能耗降低20%～30%。

圖7 F1300 直驅(qū)鉆井泵

2.4 推扶式超長鉆桿輸送技術(shù)

鉆機(jī)采用R3（12.19～13.72 m）超長鉆桿進(jìn)行鉆井作業(yè)，運(yùn)用推扶式動(dòng)力貓道主體將鉆桿輸送到轉(zhuǎn)盤前方，由頂驅(qū)吊環(huán)帶動(dòng)液壓吊卡夾持提升超長鉆桿，在貓道前端設(shè)有管柱緩沖扶正裝置，代替人力緩沖扶正管柱。動(dòng)力貓道主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用液缸直接驅(qū)動(dòng)，管柱輸送采用鏈條驅(qū)動(dòng)，采用司鉆集中控制、遙控操作及本地應(yīng)急控制三種控制模式，實(shí)現(xiàn)管柱輸送自動(dòng)化，解決傳統(tǒng)管柱輸送作業(yè)采用人力作業(yè)和液壓絞車輔助問題。該技術(shù)省去了管柱在鉆桿盒排放過程，操作簡便，輸送效率高。推扶式動(dòng)力貓道見圖8。

圖8 推扶式動(dòng)力貓道

2.5 管柱自動(dòng)上卸扣技術(shù)

鉆機(jī)采用軌道式鐵鉆工進(jìn)行管柱自動(dòng)上卸扣作業(yè)（圖9），通過行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鐵鉆工前后移動(dòng)，通過升降液缸伸縮實(shí)現(xiàn)液壓鉗和旋扣器上下移動(dòng)，采用司鉆集成控制、遙控操作及本地應(yīng)急控制3 種控制模式。鐵鉆工結(jié)構(gòu)緊湊，操作省時(shí)、省力，使得作業(yè)人員可以遠(yuǎn)離井口危險(xiǎn)區(qū)域。

圖9 軌道式鐵鉆工

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

新制3000 m 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)于2022 年10 月12 日投入遼河油田進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，截止2023 年4 月初，先后完成遼河油田杜84 館H20-1 井、杜84 館H24-2井和北京通州地?zé)衢_發(fā)中油熱1 井（圖10）等3 口井，目前正在中油熱2 井作業(yè)，累計(jì)鉆井進(jìn)尺6281 m。應(yīng)用12.5 m 超級(jí)單根，起下鉆時(shí)效達(dá)30 根/h。從應(yīng)用情況來看，該鉆機(jī)相對(duì)于常規(guī)30 鉆機(jī)每班減少作業(yè)人員2名；轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)一體化頂驅(qū)隨井架載車一起運(yùn)輸，減少鉆機(jī)搬安時(shí)間6～8 h，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)快速搬家及安裝；取消了二層臺(tái)和高空作業(yè)，單司鉆在司鉆房里對(duì)頂驅(qū)等鉆井設(shè)備和自動(dòng)化管具處理設(shè)備進(jìn)行集中控制，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，最大限度地減少了人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；減少了接立柱和甩鉆具環(huán)節(jié)，節(jié)省作業(yè)時(shí)間；取消繃?yán)K，井場面積由原來的45 m×55 m 縮小到35 m×35 m，大幅節(jié)約征地成本；鉆機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，鉆機(jī)動(dòng)力由工業(yè)電網(wǎng)或靜音型小發(fā)電機(jī)組提供，井場噪聲在80 dB 以內(nèi)，滿足城區(qū)鉆井作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展，燃料成本節(jié)約30%以上。現(xiàn)場作業(yè)人員反映，該鉆機(jī)操作方便、維護(hù)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、省時(shí)省力，故障停機(jī)時(shí)間少。該鉆機(jī)在中油熱1 井投入應(yīng)用以來，受到行業(yè)各方面的高度關(guān)注，先后有華北油田、長城鉆探、中石化石油機(jī)械股份公司等單位領(lǐng)導(dǎo)親臨現(xiàn)場調(diào)研指導(dǎo)工作，并給予該鉆機(jī)一致好評(píng)。

圖10 ZJ30 車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)

4 結(jié)束語

將常規(guī)車載ZJ30 鉆機(jī)更新?lián)Q代為車載超級(jí)單根自動(dòng)化鉆機(jī)，采用無繃?yán)K直立井架、游吊一體化頂驅(qū)，配置集成式電控系統(tǒng)和較完善的自動(dòng)化管具處理系統(tǒng)，具有安全性能高、搬安周期短、改造費(fèi)用低、占地面積小、自動(dòng)化程度高、操作人員少、噪聲小等特點(diǎn)，符合當(dāng)前鉆機(jī)裝備電動(dòng)化自動(dòng)化發(fā)展、清潔能源替代的總體要求，為老舊車載鉆機(jī)更新改造提供了成功經(jīng)驗(yàn)，是4000 m 及以下車載自動(dòng)化鉆機(jī)發(fā)展的方向之一。