0 引言

为了提高钻机的工作效率，控制油气资源的开发成本，除了通过提高钻机性能，提高其智能化水平之外，快速的转场搬家也是影响钻井作业效率的重要因素，同时也是钻井设备厂家研究的重要内容之一^[1]。为了迎合市场需求，国内各主要钻机生产厂(宝鸡石油机械有限责任公司和南阳二机石油装备(集团)有限公司)先后研发了一批性能优良和维护方便的拖挂钻机。纵观各大厂商的拖挂钻机，早期产品更多的是在车载钻机的基础上衍生而来的半拖挂产品，井架多采用有绷绳井架，传动系统大多沿用车载钻机的传动系统^[2-3]。后期开发的拖挂钻机为完全拖挂形式，井架采用直立无绷绳形式，绞车和转盘等的驱动形式也开始采用交流变频驱动，逐渐摒弃车载钻机的传动结构^[4-5]。但该类钻机的井架通常采用2段伸缩式结构，由于运输尺寸限制，通常井架的高度较低，多数产品只适用于19 m立根(2单根)作业，工作效率低。

为了适应北非用户的需求，笔者研发了ZJ40DBT沙漠快速移运拖挂钻机。该钻机绞车采用5轴传动结构，将自动送钻系统和主电机动力输入系统集成在一台减速器上，与同类产品相比，既减小了绞车宽度，又简化了传动结构，有效提升了传动效率；井架采用直立无绷绳3段伸缩式结构，满足28 m立根(3单根)作业要求，减小了运输长度，降低了运输道路要求，提高了钻井效率。整套钻机采用模块化设计，高度集成，各运输单元均采取拖挂移运方式，可实现长距离井位间的快速移运，仅15车次完成运输，大大提高了移运效率。

1 技术分析 1.1 总体技术方案

ZJ40DBT沙漠快速移运拖挂钻机是一种适应沙漠和高温作业环境的拖挂式快速移运交流变频电驱动钻机，其性能满足中深井陆地油气勘探开发要求，可在环境温度-18~55 ℃和相对湿度不超过90%(+20℃)的区域进行钻井作业。钻机基本参数符合GB/T 23505—2009标准^[6]，主要配套部件符合API规范，满足钻井工艺要求。

钻机采用3台CAT3512B/SR4B柴油发电机组作为主动力，1台CAT C15柴油发电机作为辅助动力，发出的600 V、50 Hz交流电经变频单元(VFD)分别驱动为绞车、转盘和钻井泵提供动力的交流变频电动机；绞车由1台1 000 kW的交流变频电机驱动，主刹车采用液压盘式(双盘)刹车，辅助刹车采用主电机能耗制动；转盘由1台600 kW的交流变频电动机经过一挡齿轮减速箱后驱动；2台钻井泵各由1台1 000 kW交流变频电动机驱动，通过球笼同步万向轴和窄V带将动力传递到钻井泵。电传系统采用一对一全数字控制方式，AC-VFD-AC传动；绞车、转盘和钻井泵均可实现无极调速，启动平稳，传动效率高，载荷能自适应均衡分配，具有良好的钻井特性。

1.2 钻机运输单元划分

钻机分为钻台区、钻井液循环及水罐区、油罐区、泵房区和动力区。装配完成后，钻机占地面积约为80 m×60 m(不包括井场用房区等)。各个区域设备均为独立运输单元，可由牵引车实现移运。

钻台区包括井架、底座、天车、游车、大钩、绞车、转盘驱动装置、转盘、司钻控制房、司钻偏房及钻机操作所需的所有钻台面工具等。绞车、组合液压站、电动倒绳机及盘刹液压站安装在主拖车上。运输时井架缩回，下放至主拖车上整体运输，如图 1所示。钻机配电缆桥架，分别安装在主机拖车和钻井泵拖车上，电缆通过电缆桥架连接，运输时可旋转至拖车上，随拖车一同运输。底座可分体运输，也可整体通过拖车拖运。分体运输时分解为左基座运输模块、右基座运输模块、转盘梁模块和立根盒等4个不超限的运输单元。整体拖运时，将上述4个单元通过销子和拉梁等组装在一起，并在基座上安装前、后拖车，采用牵引车拖动底座整体移动，如图 2所示。转盘安装在转盘梁内，运输时随转盘梁模块一起运输。钻井液循环及水罐区、油罐区、泵房区及动力区的设备分别安装在1个或2个拖橇上，运输时只需连接牵引车头即可。这种高度集成化的设计方案，不仅大大提高了移运效率，也使各设备之间的管线连接变得简洁方便。

1.3 技术和结构特点

(1) 钻机整体设备能够实现快速移运，井架、底座、绞车、钻井泵、固控罐、VFD房、发电机房和油水罐等设备均独立成运输橇，满足牵引车运输要求，有效减少了钻机整体拆装工作量，与同类钻机相比，该钻机搬家车次只有常规钻机的1/3，节约了大量人工，提高了搬家效率。

(2) 井架采用3段无绷绳直立套装伸缩式结构^[7]，满足28 m立根钻井作业要求，主车运输不超过22 m。由2个3级液压缸完成起落作业，中段和顶段的伸缩分别由2个伸缩液压缸完成。运输时井架收回，缩短了运输长度。

(3) 底座采用低位安装，由2个3级液缸完成起落作业，转盘传动装置安装在立根盒下方。

(4) 绞车位于井架运输状态的下方，为节省空间，采用无底座结构，将绞车架、主电机、盘刹和自动送钻装置直接固定在主机拖车橇上，减速箱通过涨套锁紧装置直接悬挂在滚筒轴上。

(5) 电缆管线桥架采用适用于拖挂钻机快速移动的结构形式，运输时可将电缆桥架旋转至拖车上一起运输。

(6) 所有设备适应沙漠高温(55 ℃)作业环境，每个主电机风机加装滤砂装置；电缆和空调采用高温型；盘刹液压站、综合液压站和柴电复合驱动液压站的油箱均加装了油温冷却系统。

(7) 电气控制单元拆装简单、可靠。发电机房与VFD房垂直排布，拆装电缆时互不影响，在钻台面上设置插转柜，搬家拆装方便。

1.4 主要技术参数

名义钻深范围：ø127 mm钻杆(5 in) 3 200 m，ø114 mm钻杆(4 ½ in)4 000 m；最大钩载2 250 kN；绞车额定功率1 000 kW；绞车挡数1+1R，交流变频电机驱动、无级调速；主刹车为液压盘式刹车(风冷)；辅助刹车为主电机能耗制动；转盘挡数为1+1R，交流变频电机驱动、无级调速；钻井泵台数×功率为2台F1300×1 000 kW；井架形式及有效高度为K形，套装3段伸缩式，42 m；底座形式为旋升式，液缸起升7.5 m。

2 关键技术 2.1 组合式动力模块移运技术

组合式动力模块包括3栋发电机房、1栋辅助发电机房以及1栋电控房，发电机房与辅助发电机房(含2台空气压缩机和1套气源净化装置)分别安放在2台拖车上装平面上，电控房单独安装在1台拖车上装平面上，整个动力系统只需3个运输单元即可完成运输，减少了移运单元的数量。井场到位安装时，2台安装发电机房与辅助发电机房的拖车平行放置，并与电控房垂直靠齐摆放。拖车之间使用梯凳连接，运输行走时可将梯凳收回到拖车上，不仅节约了运输空间，也方便操作人员通行。

2.2 钻台快速拆分和组合技术

为了实现钻机的长途运输，避免大的移运尺寸对路面的选择形成制约，钻机的钻台采用了高度模块化的设计思路^[8]，实现了钻机主要单元模块化设计、单元模块整体移运以及模块间快速连接和拆卸，底座主体部分长途运输时只需拆成4大块：左基座运输模块、右基座运输模块、转盘梁模块和立根盒等，结构如图 3所示。其中，左、右基座运输模块分别由左右基座、中层总成和左右上座组成。与底座相连的偏房支架设计为可折叠结构，利用吊车实现垂直起升，搬家时作为独立单元运输。

2.3 旋转电缆托架

为了提高钻机电缆布线的合理性及便捷性，ZJ40DBT沙漠快速移运拖挂钻机配备了旋转电缆托架，由位于主机拖车上的电缆托架和位于钻井泵组拖车上的电缆托架2部分组成。所有电缆架空铺设，不接触地面，避免电缆因地面温度过高而造成损伤。位于泵车上的电缆托架长达12 m，工作时可跨越主拖车。电缆托架底边距离拖车上装平面2.5 m，不会阻碍钻机操作人员的正常通行。搬家运输时可带电缆一起旋转收回各自所在的拖车上。

3 试验与钻井现场验证情况 3.1 厂内试验

(1) 井架与底座的起放对齐试验。起升下放过程平稳，各起升液压回路均无漏油现象。井架与底座起升后与井眼对齐，天车中心与转盘中心偏移不超过20 mm。

(2) 绞车和转盘运转试验。对绞车和转盘进行了无载荷空运转试验，结果显示设备运行平稳，各轴承温升符合设计要求。

(3) 钻井泵试验。考虑到钻井泵装配时已进行了高压试验，所以钻机整机联合调试试验时，综合考虑排量因素，选择ø152 mm(6 in)缸套，分别进行了最高泵冲120 min^-1，最高压力23 MPa的调试试验。试验过程中，分段逐步调节泵压和泵冲进行试验，并在每个段位运行30 min，结果表明泵的各项指标满足要求。

(4) 钻机移运试验。各拖车在场内做水平移运试验，行走速度不超过10 km/h。行走中对拖车的刹车系统进行了测试^[9]，结果表明钻机各拖车平稳移运，刹车灵敏，各轮胎的制动一致，信号灯功能均正常。

3.2 钻井现场验证

钻机于2016年8月发往阿尔及利亚的哈西迈斯欧德(Hassi Messaoud)钻井区块，并重新进行了现场安装和整体的试验调试，主要包括井架和底座的起升与下放，绞车、钻井泵及转盘等设备的运转试验以及井控设备的压力试验等，各项指标均达到了出厂时的试验值，满足设计要求。

钻机现场调试及验收完成后，在1个月的时间内先后完成了2口井的修井作业。在井场之间的搬家转运过程中，钻机实现了快速安装及快速移运功能，表现出较高的作业效率。完成修井作业后，钻机正式开始钻井作业，在此过程中，钻机最大套管载荷达到1 800 kN，各部件运行平稳，性能良好，各项技术参数满足钻井要求。钻机良好的钻井性能和快速移运性能深受用户好评。

4 结论

(1) 钻机整机采用模块化设计，集成度高，各模块独立成运输单元，提高了钻机的移运性能。

(2) 快速拆分和组合式钻台实现了短距离整体运输和长距离分块运输的功能，提高了钻机的适应性。

(3) 3段套装伸缩式井架降低了运输长度，降低了搬家时对道路的要求，大大降低了运输成本。

(4) 钻机集交流变频技术和液压控制技术于一体，结构紧凑，性能优良，作业载荷已达到名义最大钩载的80%，控制系统满足用户对钻井设备的智能化要求。该钻机的研制成功为成套钻机的快速移动设计积累了经验。