0 引言
国际油价低迷，市场不仅要求钻机技术先进、性能可靠，以降低钻井成本，对钻机移运性能也极为关注，以期降低搬家成本。国外各系列的拖挂式快移钻机技术已经成熟，主机与外围设备均可采用拖挂形式[1-2]。国内快移钻机起步较晚，其中4 000 m快移钻机近年来已经实现从车装形式到拖挂形式，从机械驱动到直流电驱再到交流电驱的改进，移运性能有所提高，但设计理念仍与国际先进水平存在一定差距，如重要部件与外围设备仍需拆分运输，不能实现快速拆装，移运性能有限[3-7]，井架长度受限于2节套装形式，作业效率不高等。
针对国内4 000 m快移钻机现状，并综合考虑运输模块数量、运输速度和拆装速度这3项影响钻机移运性能的主要因素，提出了模块集成、拖挂运输和快速拆装的设计理念。该理念认为钻机的快速移运不仅包含主机，还应包含外围设备；钻机搬家过程从拆分开始，至转场后达到作业状态结束，不仅包含运输环节，还包含拆分与组装这2个环节。以此设计理念为指导，并结合中东地区平坦开阔的运输条件，山东科瑞机械制造有限公司研发了4 000 m交流变频沙漠快移拖挂钻机，整套钻机有优良的移运性能，搬家时集成为11个拖挂式运输模块，可在8 h内完成30 km以内的转场。
1 技术分析 1.1 总体技术方案钻机通过3台CAT 3512B发电机组提供动力，机组并网产生的三相600 V/60 Hz交流电向VFD房交流变频器供电，交流电经变频器整流、逆变后输出交流变频电源分别驱动绞车、顶驱、转盘工作，钻井泵采用直流驱动；机组交流电同时通过主变压器向400 V的MCC系统供电，供照明使用。钻机基本参数符合GB/T 23505—2017标准，主要配套部件符合API规范，满足-20~55 ℃环境温度下4 000 m钻井工艺要求。
总体方案设计注重整机移运性能的提高，主机(见图 1)与外围设备均采用牵引车+半挂车的拖挂运输方式。在运输模块集成、模块间连接的快速拆装以及重要部件作业状态快速转换方面进行创新设计；对井架、底座、绞车和游钩等重要部件进行优化设计，使其满足拖挂运输要求，并提高作业效率，节省拆装时间；综合应用交流变频技术、液压驱动技术与重载拖挂技术，提高钻机快速移运性能与自动化程度。
|
| 图 1 主机模块布置图 Fig.1 Host module layout 1—井架；2—主机拖车；3—备胎装置；4—电动倒绳机；5—BOP控制装置；6—转盘独驱装置；7—底座；8—小绞车；9—坡道；10—悬臂电缆槽；11—盘刹液压站；12—综合液压站；13—绞车模块；14—储气罐；15—司钻房。 |
1.2 运输模块划分
主机模块(见图 2)不仅含天车、井架、顶驱及游钩等设备，还首次将底座和坡道集成在内。钻台面布置有司钻控制房、转盘独立驱动装置、铁钻工及台面绞车等设备；拖橇自牵引座往后依次布置有电动倒绳机、BOP控制系统、综合液压站、盘刹液压站和绞车整体橇座等设备，布局合理，充分利用了拖橇有限空间。拖车主橇宽5.8 m，模块总宽10.0 m，总长25.0 m，总质量达380 t。
|
| 图 2 主机模块 Fig.2 Host module |
动力源模块(见图 3)拖橇自牵引座往后依次布置有1间顶驱电控房、2间VFD房、3间主发电机房和1间辅助发电机房共7个运输单元，发电机房做隔声降噪装修处理。辅助发电机房内放置有1台CAT C15辅助发电机组以及空气压缩机、冷启动空压机、储气罐和空气干燥机等气源设备。拖车主橇宽3.6 m，模块总宽13.4 m，总长25.0 m，总质量约180 t。
|
| 图 3 动力源模块 Fig.3 Power source module |
泵装置模块(见图 4)包含2台1 000 hp泵装置与1栋机修工具房。钻井泵、电机与链条箱独立成橇集成为泵装置，2台泵装置并排置于拖车前部；机修工具房置于拖车尾部，内部含小车床、套丝机、台钻和砂轮机等机修工具，以及重要设备的专用维修包。拖车主橇宽4.0 m，模块总宽8.2 m，总长19.7 m，总质量约123 t。
|
| 图 4 泵装置模块 Fig.4 Pump module |
固控系统(见图 5)分为储备罐、振动筛罐、中间罐、吸入罐和混合罐5个运输模块；补给罐模块集成有补给罐、液气分离器、节流管汇及固控工具房；油罐模块集成有50 m2柴油罐及泵室。以上罐体与拖橇为一体式设计。拖挂式猫道独立成橇，作业状态下仅靠液压支腿支撑，轮胎不承受载荷，运输状态下与钻杆架组成1个运输模块。
|
| 图 5 固控系统 Fig.5 Solid control system |
1.3 技术和结构特点 1.3.1 运输模块高度集成
整套钻机高度集成为11个拖挂运输模块，移运速度可达15 km/h。拖车均采用90#标准牵引销，可共用牵引车。模块间仅通过连接电缆与连接管线连接，拆装时间大为节省，整套钻机可在作业完成后3 h内驶离井场，转场后3 h内完成定位组装达到作业状态。
1.3.2 快速拆装与状态转换模块间连接电缆包括动力源模块输出至主机模块、泵装置模块以及其他模块的电缆。连接电缆由悬臂电缆槽容纳支撑，通过快插接头连接。悬臂电缆槽可绕拖车上的悬臂支架旋转，运输时分开快插接头，将电缆槽旋回拖车原位即可实现电缆快速分离。模块间连接管线包括泵装置模块连接主机模块与固控系统的高压管线；主机模块连接固控系统的回浆管线；固控系统各模块间的钻井液管线。连接管线均设计为分段式，各段通过锤击由壬与伸缩式钢由壬连接，旋松由壬即可实现管线快速分离。
1.3.3 重要部件结构优化井架不使用传统桅形2段套装绷绳结构，而采用前开口3段直立无绷绳结构，无需地锚，结构稳定，可满足28 m立根作业要求。井架上段与中段套装，下段大跨距支撑在底座顶层，跨距可调节，操作空间开阔。二层台用斜撑支撑，较传统吊装方式稳定。底座采用3层箱叠结构，集成在主机拖车尾部。底层、中层与转盘梁上下叠置，通过螺栓把合；立根盒梁悬置，由斜撑支撑，此设计使底层与中层尺寸减小，质量减轻。钻台外悬置有飘台支撑司钻偏房与钻台面储气罐；主机拖车后液压支腿固定在底座底层。
单滚筒绞车采用交流变频电机驱动，无极调速，挡位2+1R，自动送钻装置与驱动电机共用减速箱；绞车与减速箱、驱动电机、自动送钻装置集成为一个整体模块，结构紧凑。橇座宽4.0 m，长5.5 m，质量3.8 t，固定于井架2起升液缸之间，拖车空间得到合理利用。
顶驱与游钩共用位于井架前开口内侧的双导轨，通过顶驱滑车与游钩滑车沿导轨上、下滑移；井架下放后，顶驱与游钩连接，通过各自的滑车悬挂于导轨，不需拆卸和额外固定，井架起升后即可达到作业状态，实现了运输状态与作业状态间的快速转换。
|
| 图 6 底座 Fig.6 Substructure |
1.3.4 液压驱动[8]
井架通过3级液缸控制起放，井架上段通过2级液缸进出中段，并通过销轴液缸锁止，下段支腿可通过液缸调节跨距，首次实现起放、伸缩、锁止和跨距调节的全液压控制；坡道与底座立根盒梁连接，运输时不拆，通过调节液缸倾角以过井口。
主机与动力源拖车轮胎首次采用液压悬挂技术与液压锁止技术，可根据路面情况自动调节车身高度并自动锁止，保证轮胎承载均匀。液压悬挂调节范围大，方便轮胎更换。所有拖车均配有液压支腿，可实现运输模块的快速定位。
|
| 图 7 绞车整体橇座 Fig.7 Drawworks module |
|
| 图 8 顶驱与大钩 Fig.8 Top drive and hook |
1.3.5 防爆、防沙与耐高温
配套设备满足国际防爆认证，绞车和转盘风机引至2级防爆区；司钻房集成化、数字化程度高，在国内首家通过欧盟ATEX整体正压防爆认证；钻机满足55 ℃高温环境作业要求，设备选用耐高温元器件并配备风冷散热装置，所有主电机和风机配备滤沙装置，对高温和沙尘等沙漠恶劣环境有较强的适应能力。
1.4 主要技术参数[9]名义钻深：2 500~4 000(Ø114.3 mm钻杆) m；
最大钩载：2 250 kN；
游动绳系：5×6；
钻井钢丝绳直径：32 mm；
钻井泵功率：1 000 hp×2；
绞车额定输入功率：1 000 hp×1；
井架高度：35.0 m；
钻台面高度：7.5 m；
净空高：6.2 m；
固控系统容积：270 m3。
2 关键技术主机模块首次将3段式井架与箱叠式底座以及坡道集成在一起，实现了重载拖挂移运；3段式井架较2段式井架长度增加，井架重心的前移使牵引车尾部负重过大，方向不易控制，路况差时有爆胎风险。将底座通过高强度螺栓集成于拖车尾部，既减少了运输模块，也使底座重力与井架重力相平衡，牵引车负重大为减轻。
重载集成对拖车要求较高，主机拖车采用高强度结构钢车架与280 t整体锻造车桥，8个直径3 m的重载沙漠轮胎满足承载要求，并配置备胎；2个25 t悬架液缸调整车身高度，2个3.2 t锁止液缸固定车身高度；前、后各2个支腿液缸，单缸分别承重1 050及1 250 kN。
作业状态下前支腿液缸支撑拖车前部，底座完全落地，作业载荷与立根载荷通过底座传导至地面，轮胎不承受载荷；作业完成后，前支腿液缸缩回，后支腿液缸伸出调整拖车角度，待拖车与牵引车挂车后，底座脱离地面，后支腿液缸缩回，主机模块进入运输状态。
3 试验情况 3.1 厂区试验 3.1.1 总装调试试验检验钻机各部件安装、调试和拆卸的可靠性。如绞车提升、下放、刹车及过卷防碰试验；转盘正、反转耐久试验；电动泵装置保压试验与泄压试验；井架起升、伸缩、下放、锁止试验与坡道举升试验等。
3.1.2 拖车移运试验各拖车在厂区进行移运试验，直线行驶速度直达20 km/h，测试刹车系统可靠性；进行180°正反向转弯试验，测试转弯系统灵活性；进行液压悬架升降与锁止试验；检查拖车承载时的最大变形、轮胎形状以及最低点的离地高度。
3.1.3 12 h负载试验进行单泵运转试验，以及双泵与其他设备的联调试验；进行功率极限控制试验，绞车紧急制动试验，采集各区域86 dB噪声点。
厂区试验结果表明钻机各部件的各项指标均达到设计要求。
3.2 现场试验钻机于2015年9月发往中东钻井现场并顺利完成安装，现场调试数据与厂区试验数据一致。在第1口井完钻后进行井场间搬家时，钻机在8 h内完成拆卸、转场(30 km)及组装的工作任务，钻机良好的移运性能与可靠的使用性能得到了客户的好评。
4 结论(1) 通过分析影响钻机移运性能的主要因素，提出了模块集成、拖挂运输及快速拆装的设计理念。整套钻机高度集成为11个拖挂运输模块，实现了模块间快速拆装，以及重要部件状态的快速转换，运输速度可达15 km/h，可在8 h内完成30 km以内的转场。
(2) 井架采用前开口3段直立无绷绳结构，结构稳定，钻井效率高；主机模块首次将底座与坡道集成在内，模块内各部件布局合理，总质量达380 t；拖车承载能力强，操控方便，性能可靠，适合复杂路况下的移运要求，实现了重载拖挂整体移运。
(3) 将先进的交流变频技术与液压控制技术应用于拖挂式钻机，提高了钻机的快速移运性能、自动化水平与作业效率；司钻房集成化、数字化程度较高，在国内首家通过欧盟ATEX整体正压防爆认证；整套钻机具有优良的防爆、防尘以及耐高温性能。
| [1] |
孙明光, 彭军生. 国内外石油钻井装备的发展现状[J].
石油钻探技术, 2008, 36(6): 86-91.
SUN M G, PENG J S. Development of petroleum drilling equipment at home and abroad[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2008, 36(6): 86-91. DOI: 10.3969/j.issn.1001-0890.2008.06.021 |
| [2] |
王进全, 王维旭. 国外钻机技术现状及我国的发展策略[J].
石油机械, 2011, 39(6): 65-69.
WANG J Q, WANG W X. Foreign driuing technology present situation and china's development strategy[J]. China Petroleam Machinery, 2011, 39(6): 65-69. |
| [3] |
王小权, 张建伟, 代大良, 等. 国产快速运移钻机存在问题及改进建议[J].
石油机械, 2007, 35(10): 69-71.
WANG X Q, ZHANG J W, DAI D L, et al. Existing problems and suggestions for improvement of domestic rapid migration rig[J]. China Petroleam Machimery, 2007, 35(10): 69-71. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2007.10.023 |
| [4] |
宋刚, 徐晓磊, 王志忠, 等. TZJ40(B)直立井架拖挂钻机的研制[J].
石油机械, 2009, 37(9): 62-64.
SONG G, XU X L, WANG Z Z, et al. Development of the TZJ40(B) vertical derrick's traction-driven rig[J]. China Petroleum Machinery, 2009, 37(9): 62-64. |
| [5] |
张兴勇, 刘延峰, 魏东兴, 等. ZJ40/2250DBT交流变频电动拖挂钻机的研制[J].
石油机械, 2008, 36(9): 77-79.
ZHANG X Y, LIU Y F, WEI D X, et al. Development of ZJ40/2250DBT AC variable frequency electric trailer-mounted drill rig[J]. China Petroleum Machinery, 2008, 36(9): 77-79. |
| [6] |
李全星, 张友会, 沈军利, 等. ZJ40/2250DBT轮式拖挂移运钻机的研制[J].
石油机械, 2016, 44(9): 37-40, 46.
LI Q X, ZHANG Y H, SHEN J L, et al. Development of ZJ40/2250DBT wheeled towing rig[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(9): 37-40, 46. |
| [7] |
陈伟松, 王世魁, 胡军旺, 等. ZJ40DBT沙漠快速移运拖挂钻机的研制[J].
石油机械, 2017, 45(11): 27-30.
CHEN W S, WANG S K, HU J W, et al. Development of model ZJ40DBT desert fast moving trailer rig[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(11): 27-30. |
| [8] |
朱兴, 樊岩松, 韩冰, 等. 国产全液压钻机的研制与应用[J].
石油机械, 2014, 42(6): 20-23.
ZHU X, FAN Y S, HAN B, et al. Development and application of domestic hydraulic drilling rig[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(6): 20-23. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2014.06.005 |
| [9] |
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.石油天然气工业钻机和修井机: GB/T 23505-2017[S].北京: 中国标准出版社, 2017. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China. Petroleum and natural gas industries-petroleum drilling and workover rigs: GB/T 23505-2017[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017. |