舊鉆機(jī)再制造技術(shù)可行性分析

吳衛(wèi)周， 劉志林， 劉遠(yuǎn)波， 張自修， 姜小剛

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002）

0 引言

目前，石油鉆井技術(shù)正在從機(jī)械化鉆井的成熟階段向?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化鉆井階段邁進(jìn)，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、信息化、智能化、自動(dòng)化為特點(diǎn)。鉆機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過(guò)近10 a的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)已擁有鉆深從1000～12 000 m總量超過(guò)1700套的鉆機(jī)。涵蓋了機(jī)械驅(qū)動(dòng)、機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等多種型式?；緷M足我國(guó)自身石油勘探開發(fā)市場(chǎng)的需要，新制鉆機(jī)前景不容樂觀。

陸上油氣開采領(lǐng)域向著難度更大、技術(shù)要求更高的特殊井、深井領(lǐng)域大幅度發(fā)展，要求鉆機(jī)具備高效節(jié)能、低成本、承載能力大、自動(dòng)化、智能化的優(yōu)點(diǎn)。為適應(yīng)新的鉆井市場(chǎng)需要，舊鉆機(jī)就必須從提高效率、降低成本，提升性能入手進(jìn)行技術(shù)革新。

1 鉆機(jī)市場(chǎng)目前狀態(tài)

按照驅(qū)動(dòng)方式劃分，各油田鉆井公司現(xiàn)存的鉆機(jī)可以分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)、機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。鉆機(jī)產(chǎn)出時(shí)間跨度大、生產(chǎn)廠家多、各制造廠商的設(shè)計(jì)理念、規(guī)范化程度，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)情況和具體實(shí)施過(guò)程均存在不同程度的差異，造成舊鉆機(jī)方案多、機(jī)型雜、性能差異較大。

1.1 機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)

鉆機(jī)以柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，根據(jù)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵的工作特點(diǎn)和性能要求，以最簡(jiǎn)單、直接、經(jīng)濟(jì)的形式將三者有效地組合在一起，通過(guò)統(tǒng)一的動(dòng)力配置獲得各自的工作性能。

鉆機(jī)采用系列柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，3000 m以下鉆機(jī)，如ZJ20B、ZJ30B鉆機(jī)多采用1臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)或2臺(tái)柴油機(jī)并車驅(qū)動(dòng)，經(jīng)多擋位變速箱變速后兩路輸出，一路驅(qū)動(dòng)絞車，一路驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤；3000 m以上多采用3臺(tái)或4臺(tái)柴油機(jī)經(jīng)多組皮帶或鏈條并車后分別給絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵提供動(dòng)力。絞車、轉(zhuǎn)盤采用多擋位內(nèi)變速驅(qū)動(dòng)。早期產(chǎn)出的ZJ40L（J）、ZJ50L（J）、ZJ70L鉆機(jī)均采用多臺(tái)柴油機(jī)并車后驅(qū)動(dòng)三大工作機(jī)。

底座前臺(tái)多采用箱塊式結(jié)構(gòu)，后臺(tái)采用塊裝結(jié)構(gòu)。受傳動(dòng)形式的限制，其固有的勞動(dòng)強(qiáng)度大、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與泵沖不能很好匹配、鉆臺(tái)面狹窄、故障點(diǎn)多的缺陷也非常突出。

1.2 機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)

機(jī)電復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是在機(jī)械驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上將轉(zhuǎn)盤動(dòng)力升級(jí)為獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)，消除了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與鉆井泵沖次不匹配的問題，底座也增加了自升式、同升式、箱塊式等多種型式可供選擇，所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)了低位組裝后利用絞車動(dòng)力整體起升。

鉆機(jī)可根據(jù)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵的工作特點(diǎn)和性能要求，靈活選用相適應(yīng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，以最經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力配置獲得最佳的工作性能。

常用的ZJ30LDB～ZJ70LDB等4個(gè)級(jí)別的鉆機(jī)屬于鏈條并車類型鉆機(jī)，ZJ40JDB、ZJ50JDB等鉆機(jī)則屬于皮帶并車類型鉆機(jī)。

1.3 電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)

絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵等多為獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，電傳動(dòng)控制系統(tǒng)可分別對(duì)三大驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行精確控制。絞車、轉(zhuǎn)盤采用多擋位內(nèi)變速，整體安裝在鉆臺(tái)區(qū)域；鉆井泵隨固控系統(tǒng)進(jìn)行布置；底座有塊裝式或自升式結(jié)構(gòu)。

直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)采用AC-SCR-DC直流電傳動(dòng)，控制系統(tǒng)已基本國(guó)產(chǎn)化，配套技術(shù)成熟，控制方便可靠，廣泛應(yīng)用在ZJ40D～ZJ90D五個(gè)級(jí)別的鉆機(jī)上。

交流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)則采用大功率AC-VFD-AC交流變頻電傳動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象采用閉環(huán)控制，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，定量控制；利用變頻電動(dòng)機(jī)在零轉(zhuǎn)速下能夠承載全部負(fù)載的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)；同時(shí)應(yīng)用模糊控制理論，實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)或送鉆電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆；已在ZJ30DB～ZJ90DB六個(gè)級(jí)別鉆機(jī)上廣泛應(yīng)用。

另外，交流變頻控制技術(shù)因其控制精度高、系統(tǒng)功率因數(shù)高、兼容性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制，使得鉆井效率及井身質(zhì)量得到極大提升。目前已成為深井、超深井項(xiàng)目的首選。

從對(duì)各類型鉆機(jī)特點(diǎn)分析來(lái)看，所有舊鉆機(jī)均可結(jié)合網(wǎng)電化改造、移運(yùn)性能改造、整合新開發(fā)產(chǎn)品、轉(zhuǎn)化新技術(shù)應(yīng)用等一系列措施達(dá)到節(jié)能減排、適度自動(dòng)化、人性化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆機(jī)的整體性能；均可按照SY/T5466-2013的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行區(qū)域劃分，規(guī)范鉆機(jī)的整體布局，能逐漸適應(yīng)油田對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)污染物的無(wú)害化處理，達(dá)到改善環(huán)境的要求。

2 再制造的技術(shù)分析

2.1 網(wǎng)電化改造

隨著油田電網(wǎng)的不斷擴(kuò)容及設(shè)備更新?lián)Q代，通過(guò)增加一套獨(dú)立的變配電系統(tǒng)，將油田35 kV、10 kV、6 kV網(wǎng)電變?yōu)?00 V的低壓輸出，給SCR/VFD/MCC等提供電力，用以驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電，工作原理如圖1所示。

鉆井過(guò)程中波動(dòng)負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)功和大量的諧波，引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變，影響到供電電能質(zhì)量和設(shè)備的運(yùn)行安全。網(wǎng)電化改造，首要的條件是系統(tǒng)需配置一套無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制裝置，對(duì)網(wǎng)電拖動(dòng)系統(tǒng)（帶有載調(diào)壓）進(jìn)行諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償，使諧波電壓總畸變率小于4%，補(bǔ)償后系統(tǒng)功率因數(shù)大于0.9，以同時(shí)滿足國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求和鉆機(jī)工作對(duì)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵的電動(dòng)機(jī)的控制要求。電能質(zhì)量具體要求詳見GB12326、GB/T14549和GB/T15543的規(guī)定。

圖1 網(wǎng)電化工作原理示意圖

濾波器用于系統(tǒng)運(yùn)行中的諧波治理，分為無(wú)源LC濾波器和有源濾波裝置。無(wú)源LC濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，只能補(bǔ)償無(wú)源固定頻率的諧波，難以對(duì)頻率變化的諧波進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

有源濾波裝置從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出無(wú)功和諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該電流大小相等極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流中只含有基波有功分量，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和補(bǔ)償精度，解決了幾乎所有無(wú)源型裝置的缺點(diǎn)，但造價(jià)較高。

無(wú)功補(bǔ)償容量的確定按無(wú)功功率曲線或以下公式確定：

式中：QC為無(wú)功補(bǔ)償容量，kVar；P為用電設(shè)備的計(jì)算有用功功率，kW；tanΦ1為補(bǔ)償前用電設(shè)備自然功率因數(shù)的正切值；tanΦ2為補(bǔ)償后用電設(shè)備自然功率因數(shù)的正切值，取cosΦ2不小于0.9值。按GB 50052-2009規(guī)定，以節(jié)能為主進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，宜采用無(wú)功功率參數(shù)調(diào)節(jié)；當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)，亦可采用功率因數(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)。

網(wǎng)電改造需要注意以下事項(xiàng)：1）系統(tǒng)必須進(jìn)行諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償，并達(dá)到同時(shí)滿足國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求和鉆機(jī)對(duì)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵的電動(dòng)機(jī)的控制要求。2）SCR變流技術(shù)的直流鉆機(jī)，負(fù)載特性較為感性，在鉆井過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)功和大量的諧波；VFD變頻技術(shù)的變頻鉆機(jī)，在鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)功較小，但產(chǎn)生的諧波卻更多。3）系統(tǒng)需滿足鉆機(jī)的機(jī)動(dòng)性、靈活性和區(qū)域性差異。即在工業(yè)電網(wǎng)停電工況下，電動(dòng)鉆機(jī)能立即回復(fù)到柴油發(fā)電機(jī)組供電模式。機(jī)械鉆機(jī)能啟動(dòng)1臺(tái)備用柴油機(jī)進(jìn)行鉆井應(yīng)急作業(yè)，啟動(dòng)1臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)組給MCC系統(tǒng)供電，滿足井場(chǎng)的輔助設(shè)備用電。4）對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)而言，把柴油機(jī)動(dòng)力模塊替換為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊后，其后臺(tái)傳動(dòng)設(shè)備適應(yīng)三大工作機(jī)的條件發(fā)生了很大變化，需對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)備功率和調(diào)速性能進(jìn)行匹配分析；必要時(shí)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行可調(diào)式轉(zhuǎn)矩限制；多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)，需進(jìn)行電動(dòng)機(jī)同步優(yōu)化設(shè)計(jì)和電動(dòng)機(jī)的主從動(dòng)關(guān)系指配，在電動(dòng)機(jī)的控制程序中設(shè)定完成。5）對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)而言，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)、液力偶合正車減速箱、減速箱等進(jìn)行多種型式組合，使用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。6）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

2.2 移運(yùn)性能改造

舊鉆機(jī)設(shè)備搬家安裝占用車輛多、操作工人多和耗時(shí)長(zhǎng)的問題表現(xiàn)十分突出。軌道移運(yùn)、步進(jìn)式移運(yùn)，拖掛移運(yùn)是目前鉆機(jī)改造縮短搬家時(shí)間最有效的方式。

2.2.1 軌道移運(yùn)、步進(jìn)式移運(yùn)

軌道式移運(yùn)鉆機(jī)的主機(jī)部分（包括井架、底座以及安裝在其上的設(shè)備、鉆具等）整體安裝在組合式移動(dòng)軌道上，利用2套推移裝置在軌道上同時(shí)推（拉）鉆機(jī)底座實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)。推移過(guò)程中所有單節(jié)移動(dòng)軌道可以循環(huán)使用。機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)移運(yùn)過(guò)程中可攜帶質(zhì)量大、安裝定位要求高的鉆井泵，電動(dòng)鉆機(jī)可以考慮攜帶振動(dòng)篩罐等外圍配套設(shè)備。目前軌道移運(yùn)能實(shí)現(xiàn)的最大推移質(zhì)量為900 t。軌道式移運(yùn)方案如圖2所示，軌道式推移裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 鉆機(jī)軌道式移運(yùn)

圖3 軌道式推移裝置

步進(jìn)式移運(yùn)鉆機(jī)的主機(jī)部分（包括直立井架、底座以及安裝在其上的設(shè)備、鉆具等）利用安裝在底座基座4個(gè)方位的舉升油缸頂起底座后，用推移油缸推動(dòng)滾輪在滑靴上前移帶動(dòng)鉆機(jī)前移；推移油缸行程完畢后，舉升油缸收回將底座放在地上，然后利用推移油缸收回帶動(dòng)滑靴前移，類似人類負(fù)重行走。重復(fù)上述步驟，直到鉆機(jī)移動(dòng)結(jié)束。目前單套步進(jìn)式推移裝置最大推移質(zhì)量240 t，整套鉆機(jī)配4套推移裝置可完成負(fù)重960 t的步進(jìn)式移運(yùn)。步進(jìn)式移運(yùn)方案如圖4所示，步進(jìn)式移運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 鉆機(jī)步進(jìn)式移運(yùn)

圖5 步進(jìn)式移運(yùn)裝置

適應(yīng)軌道移運(yùn)、步進(jìn)式移運(yùn)的鉆機(jī)主要有以下明顯特征：1）軌道移運(yùn)、步進(jìn)式移運(yùn)主要用于模塊化鉆機(jī)的主機(jī)部分的移運(yùn)，其移運(yùn)過(guò)程中可攜帶一定的外圍配套設(shè)備；2）除車裝鉆機(jī)外大多數(shù)類型常規(guī)鉆機(jī)均適合采用軌道移運(yùn)和步進(jìn)式移運(yùn)；3）主機(jī)部分設(shè)備總質(zhì)量基本沿井口中心線縱向?qū)ΨQ分布勻；4）適應(yīng)小型井場(chǎng)布置，用于單排或多排叢式井作業(yè)，短距離、單方向移運(yùn)優(yōu)勢(shì)明顯；5）適合大工廠化批量流水線作業(yè)，能對(duì)單一井場(chǎng)多口井，以流水線的方式進(jìn)行批量鉆完井作業(yè)，縮短建井周期。配備滑軌或步進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滿立根快速移動(dòng)。大平臺(tái)工廠化作業(yè)模式如圖6所示。

例如：2013年起長(zhǎng)慶油田抓住工廠化這個(gè)關(guān)鍵因素，以蘇東三區(qū)G0-7井場(chǎng)為例節(jié)約征地18畝，施工周期縮短58 d；ZJ50DB鉆機(jī)采用滑軌搬家時(shí)間由3 d降至3 h，極大減少等停時(shí)間。

缺點(diǎn)：外圍主要配套設(shè)備如油罐區(qū)、固控系統(tǒng)、動(dòng)力控制區(qū)等目前不參與移運(yùn)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)的凈化流程需進(jìn)行調(diào)整，動(dòng)力區(qū)需存儲(chǔ)一定量的電纜。

圖6 大平臺(tái)工廠化作業(yè)模式

綜合上述移運(yùn)方式，可歸納出以下相對(duì)突出的要點(diǎn)供鉆機(jī)改造借鑒：1）在叢式井作業(yè)區(qū)域和要求小范圍調(diào)整井場(chǎng)布置的情況下宜采用軌道式或步進(jìn)式移運(yùn)改造方案。對(duì)于7000 m以上及要求橫縱向移動(dòng)的鉆機(jī)宜采用步進(jìn)式移運(yùn)方案。2）推移方案宜采用油缸完成，技術(shù)成熟，適應(yīng)性好，最大推移質(zhì)量可達(dá)900 t。3）推移方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受安裝空間的限制，性價(jià)比突出。4）改造需要充分考慮鉆機(jī)底座下層設(shè)備通過(guò)井口時(shí)的高度和圓井規(guī)格；鉆機(jī)軌道的設(shè)置、井場(chǎng)電路、線纜槽及地面管匯等輔助設(shè)備均受井位間距的約束。5）移運(yùn)方案須考慮同步推移系統(tǒng)的自身糾偏能力。

2.2.2 拖掛式移運(yùn)

隨著電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日趨成熟和重型輪胎、車橋技術(shù)的發(fā)展，拖掛鉆機(jī)的技術(shù)得到很大提升，拖掛鉆機(jī)的能力也進(jìn)一步提高，在沙漠、戈壁、草原、雪地等都有應(yīng)用。該類拖掛鉆機(jī)能縮短拆裝和運(yùn)輸時(shí)間約70%以上，降低了鉆井成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

拖掛式移運(yùn)可分為全拖掛（如圖7）和半拖掛（如圖8）兩種形式。以主機(jī)移運(yùn)方式為例，全拖掛牽引車運(yùn)輸時(shí)，牽引車與運(yùn)輸模塊之間采用鉸接或掛鉤、牽引桿連接方式，牽引車不承擔(dān)運(yùn)輸模塊的垂直載荷，只提供模塊移運(yùn)時(shí)的動(dòng)力。半掛車運(yùn)輸時(shí)，牽引車除了提供模塊移運(yùn)時(shí)的動(dòng)力外，還要承受一定的垂直負(fù)荷。全拖掛鉆機(jī)以4000 m以上模塊鉆機(jī)為主，半拖掛式以4000 m以下模塊鉆機(jī)為主。

拖掛式移運(yùn)根據(jù)鉆機(jī)部件功能和運(yùn)輸條件，將鉆機(jī)部件設(shè)計(jì)成多個(gè)便于拆裝的獨(dú)立模塊，分別由牽引車拖掛運(yùn)輸。一般情況下劃分為：井架獨(dú)立整體移運(yùn)模塊，底座低位帶鉆臺(tái)設(shè)備整體移運(yùn)模塊、動(dòng)力模塊（包括發(fā)電機(jī)組模塊、氣源及氣源凈化裝置）、電控模塊、鉆井泵模塊、固控模塊等。

圖7 全拖掛移運(yùn)

圖8 半拖掛移運(yùn)

適合采用拖掛移運(yùn)的鉆機(jī)主要有以下明顯特征：1）鉆機(jī)高度模塊化設(shè)計(jì)；2）鉆機(jī)各模塊滿足快速輪式移運(yùn)，減少了運(yùn)輸單元，可實(shí)現(xiàn)快速搬家；3）主機(jī)部分所有部件拆開按常規(guī)鉆機(jī)滿足普通公路運(yùn)輸；4）減少運(yùn)輸模塊，且模塊設(shè)計(jì)適合當(dāng)?shù)剡\(yùn)輸條件。

綜合上述，拖掛移運(yùn)方式可歸納為以下相對(duì)突出的特點(diǎn)或要求可供改造借鑒：1）沙漠、平原等油區(qū)長(zhǎng)距離移運(yùn)或快速搬家宜采用拖掛式移運(yùn)。2）接口宜采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，便于進(jìn)行多臺(tái)移運(yùn)設(shè)備的整合。3）宜采用模塊化整體移運(yùn)，減輕鉆機(jī)搬家工作量，減少搬家時(shí)間和費(fèi)用。4）牽引銷常選用符合SAE J848標(biāo)準(zhǔn)的321/"或2"牽引銷(國(guó)內(nèi)選用符合GB/T 4606、GB/T 4607標(biāo)準(zhǔn)的50號(hào)或90號(hào)牽引銷)。以某型號(hào)的50D鉆機(jī)為例，鉆機(jī)整體劃分為5個(gè)獨(dú)立的運(yùn)輸模塊，每個(gè)運(yùn)輸模塊根據(jù)設(shè)備的自重合理選擇配置車橋、輪胎型號(hào)和數(shù)量，移運(yùn)過(guò)程系統(tǒng)配置獨(dú)立的液壓站，用于新舊井場(chǎng)拆裝各移運(yùn)模塊和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中設(shè)備的維護(hù)。全套鉆機(jī)只有相當(dāng)于常規(guī)鉆機(jī)的10%左右的運(yùn)輸單元，滿足井距10 km內(nèi)實(shí)現(xiàn)48 h快速搬家的要求。5）鉆機(jī)的快速搬家必須考慮各模塊間的連接管線和電纜的快速拆裝。鉆機(jī)移運(yùn)模塊的布置在改造設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮搬家過(guò)程的可操作性，如圖9所示。例如：鉆井公司通常租用KENWORTH 953S牽引車，其全長(zhǎng)12.75 m，寬度3.7 m，一般泥漿罐區(qū)布置為“L”型布局，振動(dòng)篩罐從貓道方向移運(yùn)，吸入罐和儲(chǔ)備罐從相反方向拖移，泵組模塊和動(dòng)力模塊移運(yùn)互不影響。6）拖掛移運(yùn)方式的設(shè)計(jì)必須考慮移運(yùn)質(zhì)量、鉆井現(xiàn)場(chǎng)移運(yùn)地形、牽引車能力等條件。7）移運(yùn)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮模塊外型尺寸、輪胎選擇、車橋承載、轉(zhuǎn)彎半徑、最小離地間隙、接近角、離去角、通過(guò)性等使用條件。

2.3 鉆機(jī)承載性能改造

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，大斜度井、定向井、水平井成為主要鉆井方向，其井身結(jié)構(gòu)位垂比增大明顯，要求鉆機(jī)的提升能力和鉆井泵的能力不斷提升。

目前鉆機(jī)能力的升級(jí)主要有2250 kN的鉤載升級(jí)為2500 kN，3150 kN的鉤載升級(jí)為3500 kN，4500 kN的鉤載升級(jí)為5850 kN，5850 kN的鉤載升級(jí)為6750 kN。對(duì)于提升能力增大不超過(guò)（10%～15%）升級(jí)方式主要有更換原游動(dòng)系統(tǒng)的繩系，配備大功率的動(dòng)力設(shè)備來(lái)滿足原鉆井設(shè)備的能力的提升。對(duì)于提升能力升級(jí)超過(guò)15%時(shí)，受到原始設(shè)計(jì)條件的限制，升級(jí)能力有限。建議對(duì)游動(dòng)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)進(jìn)行更換。

圖9 鉆機(jī)移運(yùn)模塊的布置

要提高鉆井效率，必須要提高鉆井泵的功率。將鉆井泵從735～956 kW（1000～1300 hp）升級(jí)到1176 kW（1600 hp）甚至1618 kW（2200 hp）。同時(shí)，將鉆井泵的最高泵壓也從20 MPa升高到35 MPa以上。使得深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝得以實(shí)現(xiàn)，以及在水平井作業(yè)中提高了泥漿攜帶泥沙的能力，使得井下動(dòng)力鉆具得以推廣應(yīng)用，大大減少了井下遇阻的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 鉆機(jī)自動(dòng)化改造

目前鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)智能化和自適應(yīng)控制升級(jí)換代?？刂葡到y(tǒng)全部采用數(shù)字控制和調(diào)節(jié)，設(shè)備之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和通訊，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。系統(tǒng)還能根據(jù)不同地層條件、鉆壓、壓差和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，迅速優(yōu)化鉆井參數(shù)，使鉆頭能保持穩(wěn)定的鉆井狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆功能。

鉆臺(tái)機(jī)械化程度某種程度上制約著鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化程度。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)開發(fā)并投入應(yīng)用的自動(dòng)化、智能化系列井口作業(yè)設(shè)備（如鐵鉆工、管柱操作系統(tǒng)等）正在逐漸替代原井口操作工具（如液壓大鉗、液壓套管鉗等），改善其系列不全，缺少轉(zhuǎn)矩自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄的缺點(diǎn)。

另外，鉆桿柱、套管柱的在線測(cè)量，完全可取代人工測(cè)量。如蘭州石油機(jī)械研究所研制成功激光測(cè)長(zhǎng)儀，自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)距離可達(dá)30～100 m，相對(duì)誤差可為0.015%左右。利用掌上電腦一次性記錄現(xiàn)場(chǎng)所需的各種數(shù)據(jù)后，可直接與計(jì)算機(jī)對(duì)接傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享。解決了多年來(lái)人工拉卷尺的缺陷：測(cè)量、記錄費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低，出錯(cuò)率高，而且資料不易保存、傳輸和查詢。

因此，適度自動(dòng)化、智能化操作系統(tǒng)既可節(jié)約成本，又能大幅提高操作的安全性，減小勞動(dòng)強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行鐵鉆工、管柱操作系統(tǒng)的自動(dòng)化研究成果轉(zhuǎn)化，部分機(jī)型亦已經(jīng)過(guò)工業(yè)試驗(yàn)，投入到鉆井生產(chǎn)過(guò)程中。通過(guò)這兩年的使用效果來(lái)看，其關(guān)鍵技術(shù)仍不太成熟，使用效率較為低下；國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵件性能仍不穩(wěn)定，主要依賴進(jìn)口件居多，投資成本居高不下。且3000 m以下鉆機(jī)的自動(dòng)化操作系統(tǒng)還處于研究開發(fā)階段。

2.5 鉆機(jī)節(jié)能減排改造

國(guó)內(nèi)各級(jí)別鉆機(jī)在節(jié)能減排，綠色環(huán)保方面的研究投入較少。動(dòng)力系統(tǒng)的配置不合理既增加了設(shè)備的一次性投資，又造成動(dòng)力系統(tǒng)燃油消耗過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行成本高，鉆機(jī)的體積和質(zhì)量高，后續(xù)使用成本、運(yùn)輸成本高。雖然單井的作業(yè)效率提高了，但是綜合全年的收支情況仍然虧損嚴(yán)重，整個(gè)鉆井運(yùn)行成本出現(xiàn)倒掛。

對(duì)于機(jī)械鉆機(jī)和修井機(jī)的絞車，按絞車額定功率值，再按柴油機(jī)12 h功率值配置柴油機(jī)；對(duì)于鉆井泵，則按泵的額定功率乘以0.80～0.85降速使用，再按持續(xù)功率配置柴油機(jī)，通常持續(xù)功率P24≈0.9P12。能明顯實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

目前在已有的驅(qū)動(dòng)方式下應(yīng)立足于提升鉆機(jī)整體匹配性能，從結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力匹配、設(shè)備可靠性、功率利用率入手進(jìn)行改造，著重提出功率利用率的概念。將動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)鉆機(jī)級(jí)別進(jìn)行差異化匹配設(shè)計(jì)，即大鉆機(jī)采用大功率輸入，小鉆機(jī)選用小功率輸入，以提高柴油機(jī)動(dòng)力利用率，突出節(jié)能降耗方面的實(shí)際效果。

作為野外環(huán)境下鉆機(jī)的主要?jiǎng)恿?lái)源，柴油機(jī)功率應(yīng)視額定工作需要配置合適的功率。從柴油機(jī)的萬(wàn)用特性曲線我們知道，柴油機(jī)只有滿負(fù)載運(yùn)行才能省油、長(zhǎng)壽命；功率配備過(guò)剩，即大馬拉小車不經(jīng)濟(jì)；配置小了帶不動(dòng)負(fù)載，且柴油機(jī)的壽命也受影響。

2.6 鉆機(jī)零排放系統(tǒng)

隨著全社會(huì)對(duì)環(huán)保的日益重視，清潔生產(chǎn)對(duì)鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的液態(tài)污染物的無(wú)害化處理提出了更高的要求。目前零排放系統(tǒng)主要集中在鉆井過(guò)程中重點(diǎn)區(qū)域（如：鉆臺(tái)區(qū)、固控及泥漿罐區(qū)、動(dòng)力及油罐區(qū)）的初期預(yù)防。通過(guò)對(duì)井場(chǎng)潛在液態(tài)污染物進(jìn)行導(dǎo)流、配置回收容器等措施對(duì)井場(chǎng)不同功能區(qū)進(jìn)行處置，達(dá)到防治結(jié)合、分類治理、預(yù)防為主的目的。

2.6.1 鉆臺(tái)區(qū)

鉆臺(tái)區(qū)主要控制鉆臺(tái)工作區(qū)域污染物的收集工作。布置方式如圖10，其中轉(zhuǎn)盤區(qū)域、井口區(qū)域考慮到鉆臺(tái)泥漿泄漏的污染和對(duì)井筒內(nèi)泥漿返流量的計(jì)量影響。

圖10 鉆臺(tái)區(qū)域零排放示意圖

2.6.2 固控及泥漿罐區(qū)

固控區(qū)域主要針對(duì)泥漿罐及泥漿連接管道拆裝、更換零部件等工作中產(chǎn)生的泥漿泄漏、污水排放的收集和處理，布置方式如圖11。

2.6.3 鉆機(jī)動(dòng)力及油罐區(qū)

結(jié)合柴油在油罐和發(fā)電機(jī)房之間為密閉傳輸、防火的特點(diǎn)，鉆機(jī)動(dòng)力及油罐區(qū)泄漏多數(shù)情況下在加注柴油、管路維修中會(huì)產(chǎn)生。處理方式如圖12所示。

圖11 固控及泥漿罐區(qū)零排放示意圖

3 舊鉆機(jī)再制造情況

寶雞石機(jī)械有限責(zé)任公司從2011年以來(lái)總共承擔(dān)舊鉆機(jī)再制造項(xiàng)目約50多批次，項(xiàng)目涉及到多個(gè)領(lǐng)域：油田網(wǎng)電改造6批次，移運(yùn)改造33多批次。短距離移運(yùn)多為油缸步進(jìn)式推移系統(tǒng)，拖掛移運(yùn)改造11批次，鉆機(jī)底座為全拖掛結(jié)構(gòu)形式，井架為半拖掛結(jié)構(gòu)形式，且所有鉆機(jī)拖掛接口統(tǒng)一，移運(yùn)設(shè)備能夠任意互換使用。管柱處理系統(tǒng)改造1批次，目前正在進(jìn)行小級(jí)別鉆機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)。零排放系統(tǒng)已經(jīng)在20余套鉆機(jī)上實(shí)施，時(shí)間從2009年至今均在使用，反響良好。

圖12 鉆機(jī)動(dòng)力及油罐區(qū)零排放示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

再制造是指以裝備全壽命周期理論為指導(dǎo)，以裝備實(shí)現(xiàn)跨越式提升為目標(biāo)進(jìn)行的修復(fù)改造。目前石油市場(chǎng)老舊鉆機(jī)大多存在能耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、搬家車次多，自動(dòng)化程度不高，與新技術(shù)融合度差、承載能力相對(duì)較低的不利因素，為提高鉆機(jī)的綜合利用率,適應(yīng)激烈的市場(chǎng)發(fā)展,設(shè)備必須朝著低成本、高效率、自動(dòng)化、多功能的方向綜合改進(jìn)。

通過(guò)目前已實(shí)施的舊鉆機(jī)再制造情況看，再制造后的產(chǎn)品質(zhì)量的性能達(dá)到或超過(guò)新品，成本卻只有新品的50%，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能，節(jié)材50%以上，對(duì)環(huán)境的不良影響顯著降低，符合國(guó)家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，不失為“低油價(jià)”環(huán)境下油田“降本提效”的一條途徑。

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