0 引 言

中东地区有大量陆上和人工岛丛式井油气田，这些油气资源的开发需要有能适应复杂井位分布、作业高效的丛式井钻机；另外，当钻机完成一个区域的钻井作业之后，还可以快速搬家^[1-3]转运到新的作业区域。针对这一市场需求，宝鸡石油机械有限责任公司研发了7 000 m组合式快速移运钻机。该钻机配备了步进移运装置，其灵活多变的步进移运模式可以胜任复杂井位分布的丛式井油气开发；同时，钻机还配套了轮式移运装置，可以实现长距离井位间快速移运。

1 技术分析 1.1 总体技术方案

钻机主要技术参数符合GB/T 23505—2009标准^[4]，满足陆地复杂环境7 000 m开采和勘探开发井深的钻井工艺要求。该钻机的绞车、转盘和钻井泵均由变频电机独立驱动，采用AC-DC-AC交流变频电传动全数字控制，保证了钻机优越的作业性能。钻机的电控系统采用全PLC控制绞车刹车、绞车换挡等正常运行操作，并设有顶驱、输管机、铁钻工和钻井泵等设备相互之间安全逻辑互锁控制及逻辑故障诊断，提高了操作的安全性。

为了减少运输单元，缩短搬家时间，钻机采用大模块设计^[5]，井架、底座及其上装设备为主机模块。主机模块配套有步进和轮式移运装置，丛式井作业时，井架底座直立状态下可带钻柱整体移运；长距离井间移运时，井架和底座等可直立整体拖挂运输；运输条件受限时，井架和底座也可单独拖挂运输。3台F-1600E钻井泵组、吸入罐、振动筛罐及管汇等安装在钻井液模块上，钻井液模块也配套有步进和轮式移运装置，丛式井作业时可实现上装设备整体移运；长距离移运时，钻井液模块拆分成钻井液罐单元和钻井泵单元，全拖挂移运。动力模块包括电控拖橇和发电机组拖橇，采用半拖挂式整体运输。

1.2 基本参数

名义钻深7 000 m(ø114 mm钻杆)，最大静钩载4 500 kN，井架底座直立轮式移运总质量850 t，井架底座(满立根)直立步进移运总质量972 t，钻井液模块步进移运总质量720 t，发电机组拖橇移运总质量216 t，电控拖橇移运总质量136 t，高位猫道移运总质量68 t。

2 关键技术 2.1 丛式井步进移运+长距离轮式移运技术

为满足丛式井作业要求，与作业关系密切的设备划分成主机模块和钻井液模块，井间搬家时仅这2个模块步进移运至新作业井位，其他模块和辅助设备固定不动。主机模块和钻井液模块的步进装置分别安装在模块的4个角点，其主要由举升油缸、步进油缸、移运靴、定向装置和滚子总成等组成。移运时，先将定向装置设定好方向，再通过举升油缸顶起整个移运模块，步进油缸推动移运模块行进一个步进距离，举升油缸再落下移运模块，步进油缸缩回并将移运靴带回，进入下一个步进循环。

如图 1所示，步进装置可实现模块的前后、左右、斜向、直段圆弧转弯、大半径360°旋转和绕自身几何中心360°旋转等方式移运。移运方式的灵活性给丛式井作业，尤其是复杂井位分布的丛式井作业带来极大便利。步进移运时最高速度可达46 m/h，缩短了井间搬家时间。

为保证钻机能在作业区域间快速转运，主机模块和钻井液模块配套了轮式移动装置。长距离移运时拆下步进移运装置，换上轮式移运装置，主机模块在井架和底座直立状态下最高时速可达6 km/h。

2.2 钻井液模块的快速拆分和组合技术^[6]

钻井液模块集成了吸入罐、振动筛罐和钻井泵组等设备，丛式井作业时带满钻井液载荷随主机移运，极大地减少了搬家单元数量和拆装工作量，但同时也增大了钻井液模块尺寸，步进移运时钻井液模块的移运尺寸达到了28.2 m×20.4 m×13.4 m(长×宽×高)。这势必给长距离轮式移运带来困难，具体表现为：①大的移运尺寸对移运时的路面尺寸提出较高要求，转弯困难，对移运路线选择形成制约；②整体轮式移运时移运质量可达570 t，降低了移运速度，提高了移运的风险，对牵引车动力要求也大大提高。为此，结合长距离运输要求，将钻井液模块拆分成钻井液罐单元和钻井泵单元，并巧妙地应用步进移运装置可上、下举升和全方位移运的特点，使2个单元可在不借用大型吊机的情况下完成连接销的快速对正连接，实现钻井液模块的快速拆分和组合。

当钻机需要转运到下一个丛式井作业区域时，将4个步进移运装置都安装到钻井液罐单元上，通过步进装置拆开2单元之间的连接销，并将钻井液罐单元移运一定距离，然后拆除步进移运装置，给2个单元安装轮式移运的轮轴总成和牵引架等组件，并连接牵引车，进行长距离的移运。当到达新的丛式井作业区域进行2个单元组装时，可按拆分的步骤反序完成。

2.3 拖挂式高位猫道设计^[7]

根据用户要求，丛式井钻井时猫道需让开采油树空间为5 182 mm×4 287 mm，可随主机同步移运，并满足长距离整体快速移运要求。为此，针对性地开发了拖挂式高位猫道，作业高度达到5.0 m，宽度为9.7 m。如图 2所示，高位猫道上配备了抓管机及输管机，以满足钻井时向钻台输送钻杆的要求。

高位猫道所用的轮轴为全转向结构，可实现纵向、横向和斜向任意角度移运。当主机模块前、后步进移运时，高位猫道与主机模块连接，可与主机模块同步移运；当钻机长距离搬家时，高位猫道(含抓管机及输管机)全拖挂整体运输(见图 3)。

抓管机和输管机的配套提升了管柱处理的自动化水平，减轻了劳动强度，提高了作业效率。同时，拖挂式高位猫道设计也大大节省了搬家运输时间。

2.4 悬挂伸缩式电缆存放架设计^[8]

在丛式井作业时，为实现动力模块与主机模块和钻井液模块之间的电缆快速连接，分别配套了1组电缆存放架，用于存储丛式井作业所需电缆，长距离搬家时又可作为一个单元整体运输。它主要由插转箱、风动绞车、电缆挂架、导轨和架体组成。电缆存放架的后端插转箱与来自动力模块的电缆连通，前端的插转箱与主机模块或钻井液模块的供电电缆连接，当主机模块或钻井液模块需要移运到下一个井位时，电缆存放架与模块之间用游动支架来跨接，游动支架上也配有导轨，可供电缆存放架的插转箱或电缆挂架游动。如图 4所示，以主机模块电缆存放架为例，电缆存放架的作业过程如下： 主机模块正常作业时，先提前预装1组游动支架。当主机模块需要步进移运到下一个井位时，断开前端插转箱与主机模块的电缆连接，主机模块的支撑架与前端插转箱用钢丝绳相连，主机步进移运时可带出插转箱和电缆挂架至下组游动支架，存储的电缆再随之展开，到位预定位置后，重新连接电缆，开始作业。当电缆需要缩回时，利用风动绞车动力回收。

2.5 大型拖挂模块行车制动系统的研制^[9]

各轮式移运单元的移运质量较大，移运速度可达15~20 km/h。在牵引车牵引运输过程中，单靠牵引车的制动能力往往需要很长时间和制动距离才能将移运单元停止；同时，由于移运单元的惯性大，特别是上、下坡路段很容易引发事故。为此，研制出钳盘式行车制动系统。该系统可实现移运过程的快速制动，达到减速或停车的目的，大大增强了运输过程的安全性。配套行车制动系统后，最大可使移运质量为350 t的拖挂模块、行驶速度为20 km/h，在25 m的制动距离内停车。另外，由于设计上使带制动器的轮轴总成对外接口和外形尺寸与不带制动的轮轴总成保持一致，使老的拖挂模块可轻易地实现带制动系统升级。

3 试验情况

钻机整机测试严格按照试验大纲进行，主要有如下几项试验：

(1) 井架起升、下放试验。起升下放过程平稳，起升力在设计起升载荷范围内。

(2) 井架载荷(4 500 kN)及底座载荷(4 500 kN)试验。经在试验井场做最大拉力和应力测试，各构件应力均在设计范围内。

(3) 绞车和转盘驱动装置连续空运转试验。在各挡位分别运转50 min，运动部件温度低于80 ℃，润滑油温度低于70 ℃，水温低于80 ℃，轴承温升小于45 ℃，运转平稳，没有冲击性噪声和不均匀响声。

(4) 控制系统动作试验。在额定气源压力和液源压力下，操作各开关和按钮，各执行机构和元件动作准确可靠，与标示铭牌标识的动作一致；各种逻辑功能互锁正确；安全防碰功能正常。

(5) 高压钻井液系统试验。钻井泵按最大工作压力28 MPa运行2 h，高压管汇无渗漏，钻井泵各轴承温升正常，液力端密封无泄漏，电控系统运转正常。高压管汇做低压(3.6 MPa)和高压(52.0 MPa)试压试验，试验中无渗漏。

(6) 移运试验。主机直立移运18 m，并倒回原井口位置；井架独立移运18 m，并退回完成与底座之间的连接；主机带2 700 kN配重(立根载荷)的全方位步进移运；钻井液模块带1 600 kN配重(钻井液载荷)的全方位步进移运及模块拆分，钻井液模块轮式移运。钻机在移运过程中，模块之间可快速断开连接，结构强度和轮胎负载均满足设计要求。

钻机一次性通过了各项试验，证明7 000 m组合式快速移运钻机的创新设计成功。

4 结 论

(1) 钻机的主机模块和钻井液模块配套有移运装置和步进移运装置，可实现长距离快速移运和丛式井间高效移运。

(2) 钻井液模块长距离移运时拆分成钻井泵模块和钻井液罐模块，移运质量的减轻使模块转运更快速、更安全，到丛式井作业区后可借助步进移运装置实现2模块的快速组合。

(3) 拖挂式高位猫道的内部净空间可在丛式井作业时让出采油树，配套的全转向轮轴可完成高位猫道的横向、纵向和长距离移运。

(4) 悬挂伸缩式电缆存放架可存储整个丛式井作业过程中的电缆，通过电缆挂架在导轨上滑动实现电缆伸出和缩回，大大减少了电缆拆装工作量。

(5) 大型拖挂模块行车制动系统减少了大模块移运时的制动距离，提高了移运速度和移运操作的安全性。