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ZJ40/2250DBT轮式拖挂移运钻机的研制
李全星, 张友会, 沈军利, 张凯, 蔡京儒     
宝鸡石油机械有限责任公司;国家油气钻井装备工程技术研究中心
摘要: 全拖挂钻机主体外形尺寸较大,无法在宽度为9 m左右的油田公路进行长距离整体移运;分体多模块拖挂移运钻机前、后安装工序多、耗时长、移运成本高,不满足用户的使用要求。为此,研制了ZJ40/2250DBT轮式拖挂移运钻机。该钻机由主机模块、钻井泵模块、发电机组模块及固控系统模块等组成,井架和底座可携带所安装的设备采用半拖挂整体移运,移运时最大轮距外宽8.6 m。主机模块、底座模块、发电机模块及钻井泵模块移运试验中,前行、倒车和转弯均能顺利进行,上面安装的设备固定牢靠,不存在松抖现象。该钻机的成功研制和使用为窄轮距拖挂钻机研制提供了设计参考。
关键词: 移运钻机     轮式拖挂     底座模块     主机模块     井架结构     顶驱     移运技术    
Development of ZJ40/2250DBT Wheeled Towing Rig
Li Quanxing, Zhang Youhui, Shen Junli, Zhang Kai, Cai Jingru     
CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd.;National Engineering Research Center for Oil & Gas Drilling Equipment
Abstract: The current full towing rig cannot realize long-distance overall transport on 9 m wide oilfield highways due to its large body dimensions.The installation process of the multi-module split towing rig before and after its transport is plenty,time-consuming,and with high cost,and can hardly meet the requirements of users.In view of this,ZJ40/2250DBT wheeled towing rig with independent intellectual property was developed.The rig is composed of host module,drilling pump module,generator module and solid control system module.Its derrick and substructure can carry installed equipment and move by semitrailer as an integrated module.The tread of rig is 8.6 m in the largest width during transport.The host module,substructure module,generator module and drilling pump module can proceed smoothly for forwarding,reversing and turning in the transport test.And the equipment installed on it is fixed firmly and there is no shaking or tottering.The successful development and use of the rig also provides a reference for the design of narrow-tread towing rig.
Key words: towing rig     wheeled towing     substructure module     host module     derrick structure     top drive     transport technology    

0 引言

近年来,中东地区各钻井承包商为了追求效益最大化并降低成本[1],对钻机搬家时间和移运车次都有明确规定,轻型化、模块化和少拆装的轮式拖挂钻机是地势平坦的沙漠和戈壁地区钻井作业的最佳选择。由此也有力地促进了国内石油钻井装备技术的快速发展。国内先后开发出一批技术先进、性能优良和维护方便的拖挂钻机,如宝鸡石油机械有限责任公司研制的NDC 5 000 m大型宽轮距全拖挂直立移运钻机;兰州兰石国民油井石油工程有限公司研制的5 000 m分体拖挂移运“理想钻机”;中石化石油工程机械有限公司第四机械厂研制的“bigeasy”分体多模块拖挂钻机;四川宏华石油设备有限公司研制的全拖挂和半拖挂钻机等[2]。上述钻机中,全拖挂钻机主体外形尺寸较大,移运最大轮距外宽多在12 m以上,无法满足宽度在9 m左右的油田公路进行长距离整体移运要求;分体多模块拖挂移运钻机虽能在油田公路上长距离移运,但转场前、后安装工序多、耗时长及移运成本高,不满足用户使用要求。为此,宝鸡石油机械有限责任公司于2015年开发了具有自主知识产权的ZJ40/2250DBT轮式拖挂移运钻机。该钻机采用模块化布局和整体式拖挂移运结构,集成化程度高,布局紧凑,主机模块的井架和底座可携带所安装的设备采用半拖挂整体移运,移运时最大轮距外宽8.6 m,解决了拖挂钻机在油田公路整体移运时尺寸超限和钻机转场时对作业设备重复拆装的问题。当通行道路无法满足主机模块整体移运时,可将井架和底座模块分开运输;井架携带天车、游车及顶驱等设备采用普通半挂车整体移运,底座模块用牵引车整体牵引移运;钻井泵模块和发电机模块安装在各自整体式运输橇上,采用轮式拖挂移运。

1 技术分析 1.1 整机方案

ZJ40/2250DBT钻机由主机模块、钻井泵模块、发电机组模块及固控系统模块等组成,其中主机、钻井泵和发电机3个模块均配有标准牵引销[3],可与牵引车连接后采用半拖挂方式移运。固控系统模块满足自背车运输。钻机总体布局如图 1所示。

图 1 钻机平面布局示意图 Fig.1 Illustration of rig floor layout

钻机采用3台CAT3512B柴油发电机作为主动力,发出的600 V、50 Hz交流电经变频单元(VFD)分别驱动绞车、转盘和钻井泵的交流变频电动机。绞车由1台1 000 kW电机驱动,自动送钻由1台37 kW的交流变频电动机驱动;转盘由1台600 kW的电机独立驱动;2台钻井泵各由1台1 200 kW电机驱动。

井架采用前开口两节伸缩式结构,油缸起升,上段井架伸缩依靠钻机绞车动力提升游吊系统及伸缩大绳实现。井架可携带游车和2 500 kN的双导轨顶驱(或大钩)起升、下放和移运。井架顶部安装有连接牵引车的牵引销[4],与牵引车连接后可将井架模块(含天车及游吊系统等)和底座模块作为一个整体移运模块进行轮式拖挂移运[5]图 2为井架底座整体轮式拖挂移运图。

图 2 井架底座整体轮式拖挂移运图 Fig.2 Wheel towing transport diagram of derrick substructure

底座为模块化车桥式结构,主体是由左、右2个桁架用销轴和螺栓拼接成一个钢架结构,立根盒、转盘梁、绞车梁及钻井液收集装置集成设计在桁架结构中。底座主体四角各配有1套可伸缩机械支腿和1套液压顶升油缸,以实现对钻台的调平。机械支腿和顶升油缸由安装在地面上的支撑座支撑。底座下部两侧各装有1套移运轮轴,每套轮轴含2个36.00-51工程轮胎,轮距最大外宽8.6 m。底座后部横梁还设计有可对底座模块单独整体移运的连接支架和牵引销,当通行道路无法达到钻机主机模块整体拖挂通行要求时,可对底座及其安装设备整体移运,降低对通行路况的要求,以减少钻机拆装工作量,保证钻机的转场效率。图 3为底座模块轮式拖挂移运图。

图 3 底座模块轮式拖挂移运图 Fig.3 Wheel towing transport diagram of substructure module

发电机模块由1套VFD、1台辅助发电机/ MCC房、3台主柴油发电机房、日用油罐、气源及净化装置等组成,依次平行布置安装在一体式拖橇上。拖橇下部配有带气控制动的刚性平衡车桥,配有8个29.5-25轮胎。发电机模块与其他模块间电缆通过转接箱连接,发电机模块移运时可快速将电缆接头断开,拖橇与牵引车连接后即可实现快速转场拖挂移运。图 4为发电机模块移运示意图。

图 4 发电机模块移运示意图 Fig.4 Towing transport illustration of generator module

钻井泵模块配有2台F-1600钻井泵组,并排安装在一体式拖橇上。拖橇配有带双控制气动刹车刚性平衡车桥和狼狈式拖轮,分别配有8条29.5-25轮胎和2个36.00-51轮胎。移运前拆除与固控罐及立管等连接的钻井液软管,收回并固定连接主机模块、发电机模块和固控系统模块的油水电桥架,将拖橇与牵引车连接,即可实现钻井泵模块整体拖挂移运。图 5为钻井泵模块拖橇移运示意图。

图 5 钻井泵模块拖橇移运示意图 Fig.5 Towing and skidding transport illustration of drilling pump module

1.2 钻机主要技术参数[6]

名义钻深范围4 000 m(∅114 mm钻杆),最大钩载2 250 kN,绞车最大输入功率1 000 kW,采用2台F-1600钻井泵,前开口形井架有效高度43 m,一体式底座钻台高度7 m,底座净空高5.8 m,主机整体移运最大速度8 km/h,主机整体移运爬坡角度不大于5°。

2 技术特点 2.1 主机模块移运方式多样化[7]

(1)钻机转场通行路况良好时,主机模块采用整体轮式拖挂移运(见图 2)。移运前先将井架上段缩回,顶驱和游吊装置固定在下段井架背横梁上,用液缸下放井架至高支架,将前支腿上端安装在井架前立柱低位耳座处时,井架与底座连为一个整体钢架。拆除底座主体与支撑座之间斜撑杆,缩回底座顶升油缸和机械支腿,一并收起下方的支撑座,使底座下部移运轮轴承载。将井架顶部牵引车安装支架与牵引车对接后即可对主机模块进行整体轮式拖挂移运。

(2) 钻机转场通行道路无法达到主机模块整体拖挂移运要求时,可将井架和底座拆开各自独立移运。井架上段缩回后与游车及顶驱(或大钩)用普通半挂车整体移运,底座模块采用牵引车进行整体拖挂移运。

(3) 钻机转场受到桥梁或隧道等限制无法对对底座模块进行整体拖挂移运时,可将底座主体拆分为2件后用普通半挂车进行运输,以适应通行道路的限制。

2.2 安装和移运速度快

(1) 主机模块高度集成化的结构设计使得井架和底座可携带全部安装设备,如游车、大钩、顶驱、绞车、转驱、轨道大钳、液压站、管汇及顶驱控制房等在工作位置进行整体移运[8],避免了钻机转场时对设备挪位或拆卸,提升了钻机转场效率。

(2) 井架起升和底座顶升采用液缸完成,完成后无需对液缸进行拆装或对安装位置调整,相比传统的钢丝绳起升方式,操作简便,工作可靠,节约时间,使得钻机的安装工作简单快捷。

(3) 钻机各模块间架设有过线桥架,电缆及气、水管线全部预埋在桥架内,桥架搭接端处的电缆接头用转接箱与用电设备连接,气液管线通过快速插拔接头与供给设备连接。钻机移运时,断开转接箱上电缆接头,拔出插拔接头上气液管线,将搭接的桥架及其携带电缆、管线快速折叠并固定至钻井泵模块顶部支架上,即可随钻井泵模块整体移运。相比传统地面布线方式,折叠桥架简化了电缆和管线的接插工序,有效提高了钻机安装速度。

(4) 发电机模块和钻井泵模块分别采用一橇安装及半拖挂结构,固控系统模块采用自背车运输设计,极大简化和方便了钻机的转场移运工作,保证了钻机外围设备高效移运。

2.3 BOP安装方便

BOP安装时,用地面移运小平车将BOP从底座后方移运至底座下部,再用吊移装置将其吊放至井口位置(见图 6),避免安装时对底座下部横梁的拆装,降低了BOP安装难度和安装工作量。

图 6 BOP安装图 Fig.6 Installation drawing of BOP

3 关键技术描述 3.1 井架结构设计

井架设计时选用了两节伸缩式前开口井架结构,用液缸起升,上段用绞车动力伸缩。该结构井架外形尺寸小、质量轻、起升载荷小,井架放倒后可与底座连接为一个整体钢架进行整体拖挂移运,实现了井架和底座的免拆卸移运[9]

井架前立柱配整体式顶驱滑轨,井架内侧配有顶驱及游吊装置悬吊装置,悬吊装置与导轨配合可使井架能够携带顶驱和游吊装置起升、下放,以及随井架在工作位置免拆卸的整体拖挂移运,极大方便了钻机的转场搬迁。

3.2 底座结构设计

底座设计为模块化车桥式结构,主体结构采用整体式钢架。对底座上安装设备采用高度集成化设计,并合理调配各设备安装位置,使底座功能齐全,结构紧凑,外形尺寸小,刚性足,具备钻台高度可调,整体拖挂移运能力。无论是将井架和底座作为一个整体模块移运,还是将底座作为一个独立模块进行拖挂移运,均能最大限度地保留安装设备进行整体拖挂移运,有效保证钻机转场效率。

3.3 模块化移运技术

钻机主机模块整体拖挂移运技术、钻井泵模块和发电机模块一橇安装技术,以及3个模块在井场布置相互独立、排放位置错开,任一模块在不影响其他模块的情况下可与牵引车快速连接,使得ZJ40/2250DBT钻机实现了模块化拖挂移运,减少了转场前和转场后拆装工作量,提高了钻机转场移运速度,实现了短距离转场时当天搬迁和开钻。

4 验证与试验 4.1 分析计算

钻机井架和底座设计遵循API Spec 4F(2013,第4版)及AISC335—1989中的有关规定。采用有限元分析软件ANSYS分别对起升、作业、预期和非预期工况进行分析计算。计算结果表明:所有工况下井架和底座单元应力均小于材料的许用值,最大UC值也小于AISC335—1989规定的允许值,井架和底座设计符合API Spec 4F规范要求。

此外,还对钻机主机模块、发电机模块和钻井泵模块整体拖移工况进行了分析计算。在钻机转场移运时,主机模块整体拖挂移运爬坡5°时结构受力最为恶劣,此工况下主机轮轴最大承载载荷为2 115.2 kN,牵引车承载载荷为250.0 kN,主机下部4个36.00-51轮胎在8 km/h的移运速度下承载能力为2 840.0 kN,轮胎承载能力满足使用要求。整体拖移工况分析结果表明:钻机主机模块、钻井泵模块及发电机模块拖挂移运时,承力结构强度符合设计规范校核要求,轮轴承载能力满足使用要求。

4.2 井场试验[10]

2015年4月,ZJ40/2250DBT钻机制成后,在宝鸡石油机械有限责任公司试验井场进行了各项出厂试验,试验内容如下:①底座的顶升和调平试验;②井架起升、下放和伸缩试验;③BOP吊装安装试验;④主机模块调试和轮式拖挂移运试验(见图 7);⑤底座模块整体轮式拖挂移运试验(见图 8);⑥钻井泵模块调试和拖挂移运试验;⑦发电机模块调试和拖挂移运试验。各项试验进行正常,主机模块、底座模块、发电机模块及钻井泵模块移运试验中,前行、倒车和转弯均能顺利进行,上面安装的设备固定牢靠,不存在松抖现象,各项试验取得圆满成功,证明钻机的创新设计成功。

图 7 主机模块移运图 Fig.7 The transport sketch of host modules

图 8 底座模块移运图 Fig.8 The transport sketch of basement modules

5 结束语

ZJ40/2250DBT钻机已成功投入阿曼油田进行钻井作业,目前已钻井4口,油田公路移运时速可达8 km/h,10 km内搬家可实现24 h开钻,钻机转场效率非常高。该钻机各大部件采用整体式、模块化结构设计,钻机转场时拆装工作量少,各大模块采用整体拖移结构使钻机移运更加简单和高效。该钻机的成功研制和使用也为以后适应油田公路移运的5 000 和7 000 m 窄轮距拖挂钻机研制提供了设计参考。

参考文献
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文章信息

李全星, 张友会, 沈军利, 张凯, 蔡京儒
Li Quanxing, Zhang Youhui, Shen Junli, Zhang Kai, Cai Jingru
ZJ40/2250DBT轮式拖挂移运钻机的研制
Development of ZJ40/2250DBT Wheeled Towing Rig
石油机械, 2016, 44(9): 37-40
China Petroleum Machinery, 2016, 44(9): 37-40.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.09.009

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收稿日期: 2016-03-21

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