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高架轮式移运猫道的研制与应用
陆俊康, 覃建, 李亚辉, 侯文辉, 张虎山, 李凯     
国家油气钻井装备工程技术研究中心; 宝鸡石油机械有限责任公司
摘要: 为了增强丛式井油气开发的适用性,并满足钻机设备在井场间长距离快速搬家的要求,研制了高架轮式移运猫道。该猫道主体内部净空高超过4 m,具有良好的通过性,解决了丛式井钻井中常规猫道与井口设备相互干涉布置困难的问题,其模块化的整体轮式移运装置可在井位切换过程中跟随主机移动,可360°转向,单独移动,缩短了钻机有效作业时间,降低了作业成本,同时设备不需拆装,提高了转场效率和搬家速度。试验及应用结果表明:高架轮式移运猫道各项性能均达到设计要求;在丛式井间跟随主机步进装置移动平稳,不需拆除任何附件,从第1排井横向移运到第2排井仅用2辆10 t铲车即可完成;在钻机搬家时仅用3 h就可完成10 km的整体移运。该猫道的研制成功提高了井口转换效率,使钻机在丛式井油气开发中优势更加明显。
关键词: 高架猫道     模块化     轮式移运     输管     抓管     丛式井    
Design and Application of Wheeled Moving Raised Catwalk
Lu Junkang, Qin Jian, Li Yahui, Hou Wenhui, Zhang Hushan, Li Kai     
National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment; CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd
Abstract: In order to enhance the applicability of cluster wells in oil and gas recovery and to meet the requirements of drilling rig to move quickly and over long distance between well sites, a wheeled moving raised catwalk was developed. The inner space of the catwalk main body is up to 4 m with good passability, which addresses the arranging problem caused by interference between conventional catwalk and wellhead equipment in cluster well drilling platform. The modular integral wheeled moving device can be moved with the rig during well site switching. It can be 360° steering and move alone, shortening the drilling rig effective operating time. The eliminated disassembly and assembly operation improves the transition efficiency and moving speed. The results of the experiment and applications show that the performance of the wheeled moving raised catwalk meets the design requirements. The designed catwalk moves smoothly between the cluster wells with the rig platform without removing any attachments. Transiting from the first well row to the second well row could be completed using only two 10 t forklifts. The entire moving of 10 km could be completed in just 3 h during rig mobilization.
Key words: raised catwalk    modular    wheeled moving    pipe transfer    pipe grab    cluster well    

0 引言

随着油田高效开采要求的不断提高,在丛式井模式下对钻机及配套设备的快速移运性能提出了更高要求[1-2]。常规猫道在井位切换时需要重复拆装,并且在井眼密集的丛式井中容易与井口设备互相干涉,从而限制了钻机布局和打井顺序,甚至影响猫道摆放。

另外,随着钻机快速移运的需求和移运技术的突破性发展[3-4],钻井设备的移动性能也受到制造商和油田用户的关注,例如要求猫道能够在丛式井中纵、横向移动和快速搬家。

为解决上述问题,并满足新的市场需求,宝鸡石油机械有限责任公司研发了高架轮式移运猫道[5]。在丛式井钻井中该猫道能够跨越并放置在井口设备上。该猫道配套轮式移运装置,可以跟随底座主机实现同步纵向移动及在井口间的独立横向移动,并满足井位间长距离快速移运要求;配套了相应的钻具举升和输送装置。该猫道的移运及安装对接不需要任何吊装设备,拆装方便,对接快速,提高了井口转换效率,使钻机在丛式井油气开发中优势更加明显。

1 技术分析 1.1 总体方案

猫道采用分体式拼装结构,能同时满足沙漠运输和公路运输要求。主体内部净空高超过4 m,在丛式井钻井时可让开井口处采油树。猫道底部安装有4个可360°旋转的轮胎拖座,满足纵、横向移动以及公路运输转弯移动要求。配置8个机械可调支座,用于顶升和承载猫道及其上部设备,在无电力和液压源的情况下可以通过人工操作升降。高架猫道可集成抓管机或者钻具举升装置,以及输管机或者动力坡道等管柱处理设备,实现钻具从地面运送至钻台井口位置。管柱处理设备均可安装在高架猫道上整体运输。

高架猫道满足3种移运方式:一是高架猫道与底座步进式移运装置连接,随钻机底座做纵向移运;二是高架猫道通过牵引车做井位间的横向移运;三是高架猫道通过牵引车长距离移运。

1.2 主要技术参数

高架猫道底部净空间(宽×高)5.0 m×4.3 m,主体外形尺寸20.0 m×11.2 m×11.0 m,设备移运最大质量68 t,最小离地间隙300 mm,前、后轮轴距达11.8 m,左、右轮轴距达8.2 m,水平移运最高速度达10 km/h。

2 关键技术 2.1 模块化结构总成

高架猫道总成主要由猫道主体、轮轴总成、机械可调支撑座、移运牵引架、底座连接架、梯子总成、抓管机(或钻具举升装置)和输管机(或动力坡道)等组成,结构如图 1所示。

图 1 高架猫道总成 Fig.1 The raised catwalk assembly 1—梯子总成;2—移运牵引杆;3—轮轴总成;4—可调支撑座;5—猫道主体;6—底座牵引架;7—底座移运装置;8—输管机;9—抓管机;10—抓管机液压站。

工作状态下由8个机械可调支撑座支撑猫道及其上部设备重力,移运时由4组轮轴总成承受猫道及其上部设备重力。轮轴总成由轮胎和轮轴组成,轮胎采用4组29.5-25工程轮胎,通过连接轴与猫道主体进行连接。移运牵引架采用分体式结构,主要由横撑杆、拉杆和连接板等组成,同时满足猫道的整体横向移动和长途搬迁移运要求,底座连接架分别连接猫道后部和底座移运装置,实现猫道跟随底座同步移动。猫道主体总成采用分体式拼装结构,采用销轴及螺栓连接,满足公路的分解运输要求,结构如图 2所示。抓管机(或钻具举升装置)和输管机(或动力坡道)分别集成安装于猫道台面的前部和后部,用于将钻具由排管架运送至猫道台面再到钻台面。

图 2 高架猫道主体结构 Fig.2 The main structure of the raised catwalk 1—液压站安装台;2—前支架;3—轮轴连接架;4—侧连接架;5—主连接架;6—笼梯;7—后支架;8—护栏总成;9—铺台/走台。

2.2 车桥轮轴总成

猫道车桥轮轴总成采用独立支架连接在猫道主体前、后支架的下面,主要由连接支架、轮轴支架、轮轴、轮辋、轮胎、连接轴、方向法兰、充气接头、气压表和开关阀等组成,结构如图 3所示。支架上端开ø90 mm过孔,通过连接轴与猫道前、后支架连接。轮轴上端与猫道支架通过法兰螺栓连接,下部用卡板通过螺栓及其相应的紧固件将连接轴与猫道轮上紧,通过调整法兰上螺栓孔的角度可实现轮轴总成纵向和横向移运。

图 3 猫道车桥轮轴总成 Fig.3 The catwalk axle assembly 1—连接支架;2—轮轴;3—轴承;4—轮胎;5—轮辋;6—连接轴;7—方向法兰;8—轮轴支架;9—充气附件。

轮轴技术参数:轮胎额定垂直承载190 kN/套(10 km/h),水平牵引力60 kN/套,配套轮辋25.00/3.5,充气压力675 kPa。

2.3 机械可调支撑座

当钻机正常钻井猫道处于工作工况时,车桥轮轴总成不拆除也不能翻转。因此,机械支撑座起到支撑整个猫道及其上部设备的作用,既要承受垂直载荷,又要承受垂直载荷所产生的附加横向载荷,所以机械支撑座的结构和强度成为猫道能否正常工作的关键。

机械支撑座主要由靴座、连接座板、减速机构、升降支腿和摇把等组成,结构如图 4所示。高架猫道总共配8个支撑座,支撑座和轮轴连接架通过螺栓连接。为减小工作时连接螺栓的受力,并方便机械千斤顶安装,在猫道轮轴连接架上配焊有限位块。当机械支撑座将轮轴连接架顶至轮胎离地不受力后,可将机械千斤顶手柄锁住,防止机械千斤顶螺杆受载后反转。

图 4 机械支撑座结构及安装示意图 Fig.4 The diagram of the mechanical adjustable support structure and installation 1—减速机构;2—连接座板;3—靴座;4—靴座销轴;5—升降支腿;6—摇把。

支撑座技术参数:举升载荷240 kN(每对),承载560 kN,左右承载90 kN,前后承载68 kN,行程480 mm,挡位速度5.42/0.72 mm/r。

2.4 猫道的移运方案

高架猫道满足3种整体移运形式:①当主机模块前、后步进移运时,高架猫道与主机模块连接,可与主机模块同步做纵向移运;②当高架猫道在井排间切换时,可通过牵引车做井位间的横向移运;③当钻机长距离搬家时,高架猫道(含管柱输送设备)通过牵引杆连接牵引车,实现全拖挂整体运输。

2.4.1 井位间纵向移运[6-7]

在丛式钻井过程中进行井位切换时,无需安装牵引杆或者拆除任何附件,只需要收缩机械支撑座,使猫道轮胎接地承载,高架猫道便可跟随主机模块同步做纵向移运,如图 5所示。

图 5 井位间纵向移运示意图 Fig.5 The schematic diagram of longitudinal moving between well position

2.4.2 井排间横向移运

在丛式井中进行井排切换时,猫道单独横向移运。移运前需要拆除斜梯总成和步进连接架总成,将管柱输送设备固定在猫道上,将猫道轮旋转90°,并拆除前、后支架间下部的连接架,同时装牵引拉杆、加强杆和连接座等附件,通过牵引车拖动移运,如图 6所示。

图 6 高架猫道井排间横向移运示意图 Fig.6 The schematic diagram of raised catwalk horizontal moving between well array

2.4.3 长距离搬家移运[6-7]

猫道长距离移运时,将抓管机臂缩回并将输管机通过连接耳板固定在猫道上,并且拆除步进连接架总成,将斜梯总成翻转至主体内部固定,将牵引杆侧的轮胎支架翻转用钢丝绳固定在猫道本体上,并将牵引架固定在高架猫道车桥轮轴总成上,通过牵引车拖动。移运时道路可行驶宽度不小于9.5 m,直行空间行驶宽度不小于12 m,高度不小于13 m,移运倾角不大于10°,如图 7所示。

图 7 高架猫道长距离移运示意图 Fig.7 The schematic diagram of raised catwalk long-distance moving

2.5 猫道的钻具输送

由于高架猫道台面离地高,钻杆不能从排杆架直接进入猫道,所以一般的动力猫道方案不适用,需要为高架猫道另外设计钻具举升系统以及从猫道台面输送到钻台面井口的输送装置[8-9]。宝鸡石油机械有限责任公司为NDC 7 000 m拖挂钻机配套的管具输送方案是抓管机和输管机组合。

抓管机完成排管架和猫道之间钻杆、钻铤和套管的吊运作业。采用基座安装,折叠臂伸缩式结构,具有独立的操控室。抓管机选配的是MELCAL的MPH40.1 CRANES,满足输管要求(管柱质量不超过3.2 t,管柱直径为73.0~339.7 mm或273.1~508.0 mm)。

输管机主要从抓管机转接管子并实现管子自动向上、向下滑动,实现管子从猫道向钻台井口输送和向猫道回送。输管机选配的是CANRIG的Pipe Transfer Conveyer,满足输管要求(管柱质量不超过3.2 t,管柱直径73.0~508.0 mm)。其技术参数:适应钻台高度10.7~20.4 m,运输管柱最大长度14.6 m,小滑车速度150~600 mm/s,工作角度0°~18°,液压系统额定工作压力21 MPa。

2.6 高架猫道主体受力分析[10]

采用有限元分析软件,分别在操作工况和移运工况下对高架猫道进行分析计算,并按照AISC(335—1989)的要求对每一杆件进行校核,以验证猫道结构设计的合理性,确保猫道在上述工况下能正常工作。计算模型如图 8所示。

图 8 猫道模型 Fig.8 Catwalk model

经计算,高架猫道在横向偏移10°移运时,变形量最大,其值为29.314 5 mm,位于猫道连接架中部。当抓管机放置钻具至输管机上时,高架猫道应力最大,其值为165.815 MPa,位于猫道前支架斜撑杆处,如图 9所示。

图 9 猫道有限元计算结果 Fig.9 The finite element calculation results of catwalk

高架猫道所有主承载部件的材料均采用Q345D,最大UC值为0.914。由计算结果可知,所有工况下高架猫道所有杆件应力校核值均小于许用值,高架猫道的设计满足AISC(335—1989)规范要求。

3 试验及应用情况

截至目前,宝鸡石油机械有限责任公司已经完成了4套高架猫道的设计、制造和组装工作,并在厂内通过了起升、移运、旋转和钻具输送等各项功能试验,高架猫道的各项性能均达到设计要求;随后4套高架移运猫道跟随NDC-7 000 m拖挂钻机发往阿布扎比油田现场应用,在井间跟随主机步进装置移动平稳,不需拆除任何附件,从第1排井横向移运到第2排井仅用2辆10 t铲车即可完成;在钻机搬家时,高架猫道仅用3 h即完成10 km的整体移运,获得用户的肯定,也验证了丛式井中使用高架移运猫道具有创新性、合理性和先进性。

4 结论

(1) 高架猫道比常规猫道内部净空间大,可在丛式井作业时让开采油树,甚至可以架设在采油树上方,满足猫道正常布置及钻具正常排放和输送要求。

(2) 猫道配套全转向轮轴和牵引架,可完成高架猫道的横向、纵向和斜向移动。长距离移运时,只需拆除主机同步连接架,所有设备及其他连接点都无需拆卸,模块化的设计实现了设备的快速移运,大大节省了搬家运输时间。

(3) 使用机械可调支撑座承载猫道及其上部设备的质量,比液压支撑更简单快捷,操作方便,无需另外配置独立液压源;可调支撑座在各支撑手摇圈数误差10圈以内不影响整体受力。

(4) 高架猫道因台面增高需配套抓管机或者钻具举升装置才可将钻具从地面提升到高架猫道上。配套抓管机和输管机可实现完整的管柱自动化输送,自动化程度高,减轻了工人的劳动强度,提高了作业效率。

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陆俊康, 覃建, 李亚辉, 侯文辉, 张虎山, 李凯
Lu Junkang, Qin Jian, Li Yahui, Hou Wenhui, Zhang Hushan, Li Kai
高架轮式移运猫道的研制与应用
Design and Application of Wheeled Moving Raised Catwalk
石油机械, 2018, 46(1): 21-26
China Petroleum Machinery, 2018, 46(1): 21-26.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.01.005

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收稿日期: 2017-08-03

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