0 引言

近年来，俄罗斯北极圈附近极地低温地区的油气开采方兴未艾，极地低温钻机的需求也在不断增加。当前，俄罗斯等北极地区的在用钻井设备大多数都比较陈旧，性能差、效率低，急需更新改造^[1-2]。采用轮轨式平移方式的钻机因具有接地比压小、环境适应性强和移动方便等优点而成为低温地区丛式井作业的主要机型^[3]。

2017年，宝鸡石油机械有限责任公司(简称宝石机械公司)针对用户特殊需求，对极地低温钻机工况、技术性能及钻机布置进行深入研究后，研制了3套4 000 m极地双模式轨道同时移动的丛式井低温钻机。该钻机能在-45~45 ℃的环境温度下正常工作，钻机的主机模块采用整体滑轨方式移动，辅助模块采用轮轨方式移动，2模块共用钻机机具液压站动力，仅由1人操纵即可实现双模块同时移动，主机模块布置及移动方向的设计方案满足丛式井井间移运避让井口设备的要求，极大优化了钻机移运性能；钻机配套2节套装伸缩式井架，利用液压油缸起升，井架可整体利用半挂车拖挂运输；钻机配套了完善的加热系统和保温系统，具有气检风机联动功能，提高了钻机使用的安全性；钻机具有钻井液自动吹扫、油缸自动收回及移运棘爪自锁等多项功能，提高了钻机操作的便捷性和自动化程度。

1 总体技术分析 1.1 总体方案

钻机主要技术参数符合API有关规范，满足GOST 15150等俄罗斯相关标准与规定。钻机最大钻深能力为4 000 m，采用交流变频电驱动。与此同时，钻机通过采用导轨移运(主机模块)及轮轨移运(配套辅助模块)技术，满足丛式井钻井工艺及过井口设备的要求^[4-6]。钻机整体布局如图 1所示。

该钻机采用AC-DC-AC交流变频电传动全数字控制，动力从6 kV工业电网取电。绞车由1台交流变频电机通过2级2挡齿轮减速箱驱动绞车滚筒，转盘由1台交流变频电机通过万向轴及2级齿轮箱驱动，2台钻井泵各由一台交流变频电机通过窄V联组带传动。

底座为平行四边形结构，上船分左、中、右3个大模块，低位安装，液压油缸起升。钻台面下安装有转盘驱动装置，可随中间模块一起运输。底座后台绞车单独成橇，底座下部可过3 m高井口采油树。丛式井移运过程中与钻机主机一起移动。

井架为前开口伸缩式结构，共分3段，上段与中段为伸缩结构，材料采用特制方钢管，强度高，质量轻，利用液压油缸起升，利用绞车动力通过绳系进行伸缩。钻机搬家运输时井架上段与中段、天车、游车大钩及钢丝绳倒绳机等设备安装在半挂车上整体运输。

钻机总体布置整齐、协调，设备模块少，搬家拆装方便。钻机固控罐、钻井泵组、气源房、高压房和电控房等共同安装在一个轮轨式移运导轨上，钻丛式井时可实现大模块移运，同时与主机模块同步移运，无需拆除电缆和管线等连接附件，大大缩短了钻机换井时间。

保温和加热系统可确保钻机正常工作温度范围为-45~45 ℃，在保温区工作的设备工作温度范围为-10~45℃。

1.2 主要技术参数^[7]

工作温度范围：-45~45 ℃；

名义钻深(ø127 mm钻杆)：4 000 m；

最大静钩载：2 250 kN；

前开口伸缩式井架高度：34.5 m；

井架试验最大静钩载：2 812.5 kN；

井架拖橇移运总质量：57 t；

主拖车最高车速:＜10 km/h；

移运液压系统最大工作压力:21 MPa；

移运系统移运节距(主机及固控模块):1 m。

2 关键技术及创新点 2.1 滑轨+轮轨双轨同步移运

主机移运装置采用棘爪步进式结构，利用液缸和棘爪推动钻机主机整体平移。2个推移液缸安装在靠内侧的2条工字形滑板轨道上，如图 2和图 3所示。液缸活塞杆端与钻机基座连接；液缸尾部与棘轮卡块座连接，棘轮卡块座的卡块插在轨道的长型/条孔内，基座外侧的梁上有多块导向块。当钻机移动时，以液缸为动力推动钻机使其移动，每移动1 m，棘爪从移动轨道面中自动退出，移动到下一位置固定，依次循环向前移动。由于主机底座在滑板上平移过程中可以将基座连接架拆除，很容易实现过井口设备。

配套辅助模块是一种由钢轮及轨道构成的轮式滚动模式的平移装置，利用液缸和棘爪推动固控区设备整体平移。2个推移液缸安装在2条扁梯形轨道上，液缸活塞杆端与轮架连接；液缸尾部与棘轮卡块座连接，棘爪装置的卡板插在轨道两侧的挡板上。当固控区设备需要移动时，以液缸为动力推动固控区设备使其移动，固控区设备每移动1 m，棘爪卡板从轨道第一个挡板处移动到下一位置固定，依次循环向前移动。由于配套模块无需过井口，轨道可以大幅度地缩小及采用轻量优化设计。

主机模块和配套模块共用一个移动液压系统，操作箱固定在钻机后台，该操纵箱能对各移动单元的2只移动液压缸分别进行压力控制和流量控制、方向控制，2个单元可以同时移动，也可以单独移动，其中主机单元移动配有同步控制和分动控制阀组，用于实现主机单元的准确定位和调整。

常规轮轨钻机轨道为了满足设备安装及钻机过井口设备，其高度超过1 m，而双导轨的移运形式中轨道高度可以降低至400 mm，大大减轻导轨质量和减少占地面积，同时改善导轨受力情况，提高钻机移运性能。

2.2 低温材料及工艺

对于露天工作设备，如天车、井架、底座、游车、大钩、水龙头和移动导轨等部件，需保证其满足-45 ℃的工作温度^[8-9]。宝石机械公司多年来陆续对常用锻钢件、铸钢件及热轧钢板的低温冲击试验KV₈冲击功值进行测定，筛选出包括40CrNiMoA在内的多种锻钢件及铸钢件，其耐低温性能可以满足API 8C的设计温度-60 ℃的使用要求。井架底座采用Q345E材料，满足-45 ℃温度下KV₈冲击功值不小于34 J；主承载轴类采用40CrNiMoA材料，满足-45 ℃温度下KV₈冲击功值不小于27 J。其他结构件根据受力情况选择合适的低温材料^[6]。主要受力结构的焊接接头应采用低温高韧性焊条焊接，焊接接头应满足-45 ℃温度下KV₈值不小于34 J。

钻机所用非金属材料，如橡胶密封件、液压及空气胶管、水龙带和润滑油脂等，均使用低温材料。胶管的内、外胶层主材质采用丁腈橡胶，脆化温度最低可达到-50 ℃，其中水龙带工作温度为-45~120 ℃，其脆化温度最低可达到-55 ℃，能够满足超低温工况使用要求。钻井钢丝绳所用的盘条材质牌号为72A及82B, 此类盘条材质韧脆转变温度都在-60 ℃以下，低温用钢丝绳只要使用耐低温油脂，即可适用于低温环境。钻机配套电缆全部为特制硅橡胶低温电缆，电缆耐压绝缘等级高，可在低至-70 ℃连续安全运行。

其他在保温区域内(如固控区、后台和房体内等)工作的设备及部件均采用常规材料。

2.3 保温及加热系统

钻机保温棚分为6大部分：二层台挡风墙、井架工取暖房、钻台上下保温棚、后台保温棚、固控钻井泵区保温棚和第三方服务保温棚。其中钻台上下保温棚骨架均采用全钢材结构，保温材料采用聚苯乙烯保温板，保温棚立柱插在钻台外侧插框内，拆装方便。钻机后台区保温棚由3块L形保温板(底座上带墙体)拼接成敞口式保温棚后，再由3块房顶扣接在墙体上组成密封结构，房顶上设绞车出绳口。钻机固控区和钻井泵区保温棚由36件墙体、14件房顶组成一个整体密闭空间，侧墙安装有钢化玻璃窗和门；棚顶设开启式天窗，用于设备维护，所有墙体底部采用螺栓连接^[10-11]。底座导轨部分保温使用外侧挂装保温帆布。第三方保温棚采用钢材结构的骨架外覆盖PVC篷布。保温棚墙体间加装硅橡胶或聚氨酯密封条进行密封，在保温板至地面的局部间隙用保温帆布进行密封。

聚氨酯保温板用2层金属薄板做面材，辊压成型后，中间注入聚氨酯泡沫液体，经过高压发泡固化灯特定工艺条件下，与金属面板的强力粘合而成的建筑板材，具有防火、保温、防水和隔音等特点。聚氨酯保温板工作温度范围为-120~90 ℃。

钻机加热与钻机保温系统关联设计，采用蒸汽及电加热等多种加热方案以保证保温系统的有效性。蒸汽加热系统主要利用蒸汽锅炉通过蒸汽管和蒸汽暖风机2种方式对钻机的工作区域进行加热。蒸汽管加热是利用蒸汽对钻井液、转盘油箱、绞车油箱及立根盒进行加热，暖风机加热是利用蒸汽暖风机产生的热空气对钻机的工作区域进行加热，各区域分别配套冷凝水罐，用于冷凝水的回收利用。整套钻机有蒸汽暖风机30台，其中钻台上6台，钻台下4台，固控及辅助区共20台，可保证每个工作区域都能保持一定的环境温度。

电加热器主要用于二层台施工处；电控房和司钻房等房体类利用空调及加热器加热；外露补给管线、水管线和泥气分离器等利用电伴热带加热^[12]。

2.4 模块化伸缩井架

井架上段与中段为双节套装式伸缩结构，整体模块化设计满足整体拖挂运输。起升方式为油缸起升，通过滑轮机构利用绞车或应急电机伸缩^[13]。

井架下段、中段及上段可同游车大钩、倒绳机、天车等设备安装在半挂车上整体运输，在底座低位安装完后，由半挂车油缸将井架模块抬起，将井架下段与钻台底座采用铰支座连接，起升油缸一端与井架下段相连，一端与底座基座相连，继而完成起升油缸将井架从水平位置起升到竖直位置，如图 4所示。井架上段与中段为双节套装式伸缩结构，井架伸缩通过钢丝绳滑轮机构利用钻井绞车动力完成，当井架上段伸出到位后，由气缸拉动连杆机构使两侧的承载块翻转锁住，当井架下放时，先将井架上段向上移动，由气缸拉回承载块，再将井架上段缩回。

2.5 井架起升油缸自动收回

井架油缸自收回装置在井架起升后通过油缸自身的伸缩功能来实现安装到合适的位置，如图 5所示。该装置能够取代吊车，利用自身动力实现油缸的自收回和自安装，操作简单，能够有效提高工作效率，降低生产成本^[14]。

装置连接好后，拆除底座与多级油缸的连接销轴，然后把此销轴安装在多级油缸上，再通过自身液压系统让多级油缸活塞杆收回，多级油缸在导向钢丝绳上通过滑轮滑动。在多级油缸活塞杆完全收回时，调整花篮螺栓使多级油缸下部往井架方向移动，在多级油缸下部销轴在固定耳板正上方时停止，此时操作液压系统使多级油缸的活塞杆伸出，最终多级油缸下部连接的销轴沿着有坡度的耳板自动安装到位。

2.6 轮轨棘爪自锁自动移运

目前丛式井轮轨钻机移运油缸与导轨之间的连接大多通过水平(或竖直)方向的销轴相连，这需要安装人员拆装销轴，工作效率低，不能实现自动化操作，同时由于油缸连接座与导轨连接处要求安装有截面尺寸较大的翼板来承担油缸的支反力，使得结构复杂，制作成本提高。

钻机的配套模块采用扁梯形移运导轨，直接在导轨上设置挡板，可以大大减小导轨连接处翼板截面尺寸，减轻导轨质量。同时采用棘轮棘爪结构实现油缸连接座与导轨之间的自动连接卡位，满足石油丛式井钻机高移动性要求^[15]。

2.7 远程控制钻井液吹扫系统

低温钻机除了对钻井液管线进行保温，还需考虑管线内部钻井液排空防冻的功能，避免在起下钻或者故障维修时造成管汇内部钻井液冻结。钻机地面管线设计成单管线形式，在中途经过钻井液罐吸入罐的位置上配气动排空阀，将顶驱(或水龙头)至排空阀及钻井泵到排空阀之间管汇中的钻井液依次排入到吸入罐中。气动排空阀的控制管线设置在钻井液泵本地操作台，同时可实现司钻房远程自动控制，在频繁操作工况下大大减轻工作强度。

2.8 气检与换气风机联动自动控制

在钻机保温棚的防爆设计中，设计了通风风机手动强制启动和气检联动供电启动2种方式。在钻台区和固控区分别由井电系统设置一个通风风机配电箱，该配电箱的三位自锁开关打到“直接启动”位置时，通风风机立即开机；当打到“停止”位置时，通风风机立即关机，无法启动；当打到“气检联动”位置时，通风风机处于根据气体检测系统状态进行自动启停的模式。当相应区域气体检测报警系统检测到可燃气体或H₂S气体浓度超标时，检测浓度超标的气体探测器所在区域的换气设备将自动供电启动。

3 试验情况

2017年宝石机械公司已经完成了3套4 000 m低温钻机的设计、制造和组装调试。为了应对北极圈附近作业现场低于-40 ℃的严寒考验，公司在研制过程中对钻机焊接部位采用了耐低温材质，施工工艺要求非常高，对设备的整体性能配套程度要求极高。钻机在厂内通过了包括起升下放应力测试、整机载荷、导轨移运以及拖运等各项功能试验。为了确保整套装备在极地的正常工作，在井场除了进行钻机常规试验之外，还进行了井控设备、节流压井管汇、高压发电机、辅助发电机以及钻井液模拟大循环等外围配套设备的大联调，试验中钻机的各项性能均达到了设计要求。

目前钻机已经出厂2台并发往俄罗斯极地地区，其中一套钻机于12月初已经在西伯利亚的哈姆布尔油田地区完成组装并开始钻井作业，设备运转正常。

4 结论

(1) 该低温钻机从材料结构选材设计、移运技术和加热保温技术等各方面均能胜任极地低温地区丛式井作业，具有广阔的市场前景。

(2) 钻机采用滑轨+轮轨双模式轨道的设计和布局使得钻机整体结构更加优化，其移运性和通过性大大提高，更符合丛式井作业高效的要求。

(3) 井架采用套装式伸缩结构设计、液缸起升以及模块化拖挂运输，大大提高了钻机安装、起升和运输效率。

(4) 配套辅助模块中轮轨导轨的扁形截面设计减轻了导轨整体质量，改善了导轨受力情况。导轨带自锁挡板使得移运的自动化程度更高。

(5) 钻机配套设计的气检通风联动控制、钻井液自动吹扫以及油缸自动收放等多项自动化设备，为用户在恶劣的钻井环境下提供了更多的操作便利，提高了钻机自动化水平。