3000 hp叢式井鉆機(jī)導(dǎo)軌雙向移運(yùn)技術(shù)研究

于浩， 張虎山， 張鵬， 張文英， 段寶生

（1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；3.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300451）

0 引 言

石油天然氣的開采過程中降低成本、提高效率是油田公司、鉆井公司追求的目標(biāo)，其中叢式井鉆井作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，可實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)內(nèi)鉆機(jī)的直立移運(yùn)，降低了常規(guī)拆卸、搬運(yùn)、安裝所耗費(fèi)的時(shí)間。叢式井作業(yè)時(shí)鉆機(jī)主體設(shè)備具有整體移運(yùn)的特點(diǎn)，有效解決了井間搬家時(shí)需要全部拆卸、運(yùn)輸、安裝的問題，從而降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高搬家作業(yè)效率[1-2]。

國(guó)外某人工島作業(yè)區(qū)域需要進(jìn)行叢式井鉆探作業(yè)，該人工島計(jì)劃鉆探32口油井，油井呈雙排“一”字形布置，單排16口油井，排間距為60 m，油井間距為10 m 。按油田公司要求，該人工島作業(yè)區(qū)域擬采用3000 hp超深井鉆機(jī)完成鉆探作業(yè)。3000 hp超深井鉆機(jī)采用K型井架、旋升式底座,可實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)設(shè)備低位安裝，并隨底座一次起升至高位，絞車布置于底座后臺(tái)區(qū)。采用6臺(tái)卡特彼勒CAT3512B柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電經(jīng)變頻后分別驅(qū)動(dòng)1臺(tái)主絞車、3臺(tái)2200HL鉆井泵和1臺(tái)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)裝置。鉆機(jī)主絞車采用2臺(tái)1100 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)裝置采用1臺(tái)800 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，3臺(tái)2200HL鉆井泵分別由2臺(tái)900 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)鉆機(jī)分為7個(gè)區(qū)域，分別為鉆臺(tái)區(qū)、泥漿區(qū)、動(dòng)力區(qū)、水罐與消防罐區(qū)、油罐區(qū)、泥漿凈化罐區(qū)。其中，鉆機(jī)鉆臺(tái)區(qū)設(shè)備（井架、底座、絞車、頂驅(qū)、鉆臺(tái)設(shè)備等）要求具有整體移運(yùn)功能，其余區(qū)域設(shè)備不隨井口位置變化而移運(yùn)。

1 移運(yùn)裝置的選擇

目前，國(guó)內(nèi)外較為常用的叢式井鉆機(jī)移運(yùn)裝置包括棘輪棘爪式移運(yùn)裝置、摩擦式移運(yùn)裝置、有軌滾動(dòng)式移運(yùn)裝置和無軌滾動(dòng)式全方位移運(yùn)裝置[3]。四種移運(yùn)裝置均包含液壓動(dòng)力源、操縱箱、管路總成等部件，其原理是通過液壓站為系統(tǒng)提供液壓油給操縱箱，通過操縱換向閥，使移運(yùn)液壓缸動(dòng)作。其中各移運(yùn)裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

1）棘輪棘爪式移運(yùn)裝置。由移運(yùn)油缸、棘爪、棘爪架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、液壓管線、操縱箱、液壓站等組成。工作時(shí)棘爪鎖定在導(dǎo)軌孔中，隨著移運(yùn)油缸活塞桿的伸出或縮回，使棘爪從導(dǎo)軌孔中自動(dòng)抬起并再次落至下一個(gè)導(dǎo)軌孔中，反復(fù)操作可完成鉆機(jī)直立移運(yùn)。此方案機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高。

2）摩擦式移運(yùn)裝置。由移運(yùn)油缸、夾緊液壓缸組、棘爪座、棘爪牙板、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、液壓管線、液壓站等組成。鎖緊缸通油，加壓其柱塞向外伸出時(shí)，摩擦式棘爪整體上升，產(chǎn)生棘爪與導(dǎo)軌之間大于鉆機(jī)模塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力。當(dāng)鎖緊缸放油時(shí)，柱塞在移運(yùn)設(shè)備的自重作用下縮回時(shí)，摩擦式棘爪整體下落，移運(yùn)油缸活塞桿與摩擦式棘爪同時(shí)縮回，這樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)步進(jìn)行程。此方案機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。

3）有軌滾動(dòng)式移運(yùn)裝置。由移運(yùn)油缸、頂升液壓缸，滾輪小車、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、液壓管線、液壓站等組成。操縱換向閥使頂升液壓缸活塞桿伸出，再使移運(yùn)油缸的活塞桿伸出，驅(qū)動(dòng)頂升油缸、滾輪小車與鉆機(jī)一起沿著履靴滑移，下放鉆機(jī)到導(dǎo)軌面上。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性一般，適用于單排叢式井。

4）無軌滾動(dòng)式全方位移運(yùn)裝置。無軌移運(yùn)裝置增設(shè)了旋轉(zhuǎn)和定位機(jī)構(gòu)。頂起鉆機(jī)模塊全方位移運(yùn)裝置，使其分離地面，在空中完成復(fù)位動(dòng)作，使鉆機(jī)模塊在空中完成移運(yùn)動(dòng)作。在滾輪小車和履靴提起時(shí)，拆下其定位螺栓，將滾輪小車與履靴旋轉(zhuǎn)到合適的角度，并重新安裝定位螺栓，使鉆機(jī)沿所需的方向?qū)崿F(xiàn)移運(yùn)。鉆機(jī)可在任意方向移運(yùn)，適合較小區(qū)域內(nèi)多口井的叢式井作業(yè)。此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

通過上述四種移運(yùn)裝置的比較，結(jié)合人工島作業(yè)區(qū)面積較大、油井呈雙排“一”字形布置等特點(diǎn)，最佳移運(yùn)方案為采用棘輪棘爪式移運(yùn)裝置，既可高效地完成鉆探作業(yè)要求，又可降低作業(yè)成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 移運(yùn)方案分析

1）鉆井模式一。如圖1所示，鉆機(jī)單排16口井依次鉆完井，再移到另一排油井作業(yè)。具體操作為先沿井口排依次打完一排油井，將鉆機(jī)底座及主體設(shè)備移至井口排端部，再橫向移運(yùn)至另一井口排，繼續(xù)進(jìn)行鉆探作業(yè)直至所有油井完成作業(yè)要求。

2） 鉆井模式二。如圖2所示，先單排鉆完幾口油井，將鉆機(jī)底座及主體設(shè)備縱向移運(yùn)至與油井口設(shè)備不互相干涉處，再橫向移運(yùn)至第二排油井鉆探。下圖舉例對(duì)其鉆井模式進(jìn)行說明。

兩種移運(yùn)方案各有特點(diǎn)，在人工島作業(yè)區(qū)域面積受限的情況下，建議采用第一種移運(yùn)方案，并可以減少移運(yùn)時(shí)間，節(jié)約整個(gè)作業(yè)區(qū)域的鉆井時(shí)間。如果作業(yè)區(qū)域面積充裕，可根據(jù)油田業(yè)主的特性需求采用第二種模式，選擇性地進(jìn)行鉆井作業(yè)。

2.2 鉆機(jī)縱向移運(yùn)受力分析

3000 hp鉆機(jī)底座基座前后長(zhǎng)度達(dá)20.5 m，左右基座中心間距10.45 m。在移運(yùn)過程中，存在由于左右移運(yùn)油缸不同步而導(dǎo)致基座“內(nèi)擠”的風(fēng)險(xiǎn)，最終導(dǎo)致底座變形，無法完成鉆探要求。因此，為避免此類風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，增強(qiáng)底座在縱向移運(yùn)過程中的整體剛度，左右基座中間設(shè)置具有結(jié)構(gòu)剛度大的“門”形連接架用于平衡左右基座內(nèi)向受力。同時(shí)，考慮鉆機(jī)叢式井移運(yùn)過程中避讓4.6 m高的采油樹，此“門”形連接架高度定為5.0 m。依據(jù)鉆機(jī)底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以梁?jiǎn)卧?、質(zhì)量單元為主，在ANSYS 軟件前處理中建立底座連接架有限元模型（如圖3），并進(jìn)行載荷分析（如圖4）。

以鉆機(jī)井口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸正向?yàn)殂@機(jī)正前方，Z軸正向?yàn)殂@機(jī)左側(cè)方向，Y軸正向?yàn)檎戏?，建立三維直角坐標(biāo)系[4]。

各移運(yùn)工況下有限元計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 有限計(jì)算結(jié)果匯總（UC校核值）

由表1可知，在操作工況及縱向移運(yùn)工況下，底座連接架所有單元穩(wěn)定性校核均小于許用值。因此底座連接架強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，連接架安全可靠。

3 遠(yuǎn)距離電纜輸送技術(shù)

在鉆機(jī)右側(cè)布置電纜橋架，電纜橋架用于懸掛和存儲(chǔ)電纜，電纜橋架包括電纜存儲(chǔ)架和若干伸縮架，電纜通過馬鞍懸掛在電纜存儲(chǔ)架和電纜架的頂部導(dǎo)軌上，每件存儲(chǔ)架存放約60 m的電纜，4個(gè)或5個(gè)儲(chǔ)存架之間有轉(zhuǎn)接箱，每件電纜架長(zhǎng)度10 m。鉆機(jī)向前移運(yùn)前，在鉆機(jī)移運(yùn)方向增加一段10 m長(zhǎng)的電纜架，鉆機(jī)移運(yùn)時(shí)，底座拉動(dòng)電纜跟隨鉆機(jī)，電纜伸長(zhǎng)；鉆機(jī)向后移運(yùn)時(shí)利用安裝在電纜存儲(chǔ)架上的風(fēng)動(dòng)絞車將電纜收回；換井排或者鉆機(jī)移運(yùn)時(shí)，則利用風(fēng)動(dòng)絞車將所有拉開的電纜收回到電纜存儲(chǔ)架里[5]。

根據(jù)本鉆機(jī)的布置特點(diǎn)及鉆井過程，由于動(dòng)力區(qū)電控房不隨鉆機(jī)主體移運(yùn)，鉆機(jī)在第16口井作業(yè)時(shí)與鉆機(jī)在第17口井作業(yè)時(shí)主機(jī)設(shè)備供電電纜長(zhǎng)度存在150 m的差異。因此，需考慮鉆機(jī)主機(jī)設(shè)備電纜壓降的問題。

選用ETAP軟件綜合設(shè)計(jì)、分析電纜壓降問題，本項(xiàng)目選用的電纜規(guī)格為絞車主電動(dòng)機(jī)每相2根535MCM，轉(zhuǎn)盤主電動(dòng)機(jī)每相1 根535MCM，頂驅(qū)動(dòng)力每相1 根646MCM，液壓站供電為一根3×35+1×10四芯電纜。計(jì)算步驟為：1）根據(jù)系統(tǒng)單線圖搭建計(jì)算模型。2）輸入相關(guān)參數(shù)（電纜的長(zhǎng)度、電抗、最高工作溫度110 ℃時(shí)的阻值，負(fù)載電流、功率因數(shù)、變頻器參數(shù)）。3）潮流計(jì)算，附帶計(jì)算電纜壓降。

計(jì)算結(jié)果滿足CCS規(guī)范《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》中“當(dāng)電纜在正常工作條件下承載最大電流時(shí)，從主配電板或應(yīng)急配電板的匯流排到任何安裝點(diǎn)的電壓降，應(yīng)不超過額定電壓的6%的要求。

同時(shí)，為避免由于遠(yuǎn)距離信號(hào)間的相互干擾，采取以下防范措施：1）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)通信、控制電纜選擇質(zhì)量較好的屏蔽電纜；動(dòng)力電纜采用變頻器樣本推薦規(guī)格。電纜屏蔽層應(yīng)可靠接地。2）現(xiàn)場(chǎng)布線時(shí)，控制、通信電纜與動(dòng)力電纜分開走線，避免長(zhǎng)距離平行布線，或控制、通信電纜與動(dòng)力電纜間距離不小于20 cm?？刂啤⑼ㄐ烹娎|與動(dòng)力電纜需要交叉布局時(shí)，最好垂直交叉。3）在小容量易受干擾的設(shè)備電源端加隔離變壓器，對(duì)變頻器干擾信號(hào)進(jìn)行隔離。

表2 電纜壓降計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

1）棘輪棘爪式移運(yùn)裝置對(duì)于作業(yè)區(qū)面積較大、雙排“一”字形布置等特點(diǎn)的人工島作業(yè)區(qū)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和適用性，可為油田用戶提供兩種叢式井移運(yùn)方案，既可高效地完成鉆探作業(yè)要求，又可降低作業(yè)成本。2）鉆機(jī)底座“門”形連接架增強(qiáng)底座在縱向移運(yùn)過程中的整體剛性，避免了底座因“內(nèi)擠”而導(dǎo)致變形的風(fēng)險(xiǎn)。3）采用伸縮式電纜儲(chǔ)存架及伸縮架，滿足人工島作業(yè)區(qū)井口間遠(yuǎn)距離電纜輸送自動(dòng)收縮的要求，從而降低作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。并對(duì)遠(yuǎn)距離電纜壓降進(jìn)行分析計(jì)算，提出防范遠(yuǎn)距離信號(hào)間相互干擾的措施，保證了人工島作業(yè)區(qū)正常鉆井的使用要求。