低溫鉆機(jī)輪軌移運裝置應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)分析

王文超，侯敏，郭曉虎，賴晨晨，鄧榮

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引言

近年來，國內(nèi)知名的鉆井裝備生產(chǎn)商為開拓俄羅斯石油鉆機(jī)市場，相繼研發(fā)了各種級別的低溫鉆機(jī)并出口俄羅斯。輪軌移運裝置作為低溫鉆機(jī)的重要組成部分，主要用于承載鉆機(jī)系統(tǒng)重力，承受鉆機(jī)的各種工作載荷，將載荷均勻傳遞至基礎(chǔ)或者地面，并滿足低溫鉆機(jī)在井口間移運的要求。使用該裝置可極大提高鉆機(jī)搬家效率。

1 輪軌移運裝置結(jié)構(gòu)工作原理

1.1 輪軌移運裝置結(jié)構(gòu)

輪軌移運裝置（如圖1）主要由支撐移動模塊、推移模塊和控制模塊組成。支撐移動模塊主要用來承載鉆機(jī)工作載荷（風(fēng)載、鉤載、立根載荷等），并為鉆機(jī)系統(tǒng)移運提供導(dǎo)向與支撐，主要部件包括輪軌承載裝置、底座舉升油缸、車輪總成等；推移模塊主要對底座進(jìn)行推移或者拉移，使鉆機(jī)系統(tǒng)沿著導(dǎo)軌在不同的井口間進(jìn)行直線移動，主要部件包括棘爪裝置、推拉油缸、移運導(dǎo)軌、連桿、車輪等；控制系統(tǒng)用來為鉆機(jī)移運提供動力并對鉆機(jī)的移運進(jìn)行控制，主要部件包括液壓源、液壓控制閥、液壓管線等。

1.2 輪軌移運裝置工作原理

輪軌移運裝置與滑移式移運裝置在結(jié)構(gòu)形式上比較相似，只是將鉆機(jī)系統(tǒng)在軌道上滑動的方式改成了鉆機(jī)系統(tǒng)在軌道上滾動的方式。在鉆機(jī)主機(jī)底座四角、每個固控單元底撬、泵組底撬上均安裝有車輪，其中，底座四角上總共安裝有8個舉升油缸和16個機(jī)械千斤頂，每個角上布置2個舉升油缸與4個機(jī)械千斤頂[1]。底座遠(yuǎn)離固控區(qū)一側(cè)安裝有棘輪棘爪裝置，推拉油缸通過銷軸耳板分別與棘輪棘爪裝置及底座相連。

圖1 輪軌移運裝置結(jié)構(gòu)

輪軌移運裝置主要是采用液壓缸步進(jìn)的形式，用液壓缸推動鉆機(jī)系統(tǒng)各組件及設(shè)備沿軌道在不同井口間進(jìn)行移運。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行移運時，舉升油缸將鉆機(jī)主機(jī)舉起，收回底座上的機(jī)械千斤頂后，撤回舉升油缸直至底座上車輪與輪軌移運裝置上移運導(dǎo)軌接觸，拆除車輪的鎖緊裝置后，操縱推移油缸控制閥，推拉油缸伸長，棘輪棘爪裝置一端卡在移運導(dǎo)軌上，進(jìn)而推動底座沿著導(dǎo)軌方向進(jìn)行移動，行走一個行程后，操縱推拉油缸控制閥使油缸縮回，直至移運裝置越過移運導(dǎo)軌上的下一個步進(jìn)固定裝置后，操縱推移油缸控制閥使油缸伸出，開始下一個步進(jìn)行程[2]。重復(fù)上述過程，即可實現(xiàn)鉆機(jī)在不同井位之間的移運。

2 輪軌移運裝置的特點

輪軌移運裝置主要用于低溫鉆機(jī)的整體移運，由于鉆機(jī)工作環(huán)境惡劣，最低溫度達(dá)到-45 ℃，這就要求低溫鉆機(jī)在移運過程中要盡量減少拆卸，同時兼顧低溫鉆機(jī)的工作與移運工況。現(xiàn)將輪軌移運裝置的主要作以介紹。

2.1 一體化移運

低溫鉆機(jī)輪軌移運裝置在鉆機(jī)所有設(shè)備上都安裝了車輪，同時將大部分設(shè)備都布置在了一副軌道上[3]，總體結(jié)構(gòu)布局緊湊，方便移運。移運時無需下放井架底座，實現(xiàn)了鉆機(jī)系統(tǒng)單一方向的一體化移運，并能夠在小區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)鉆機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)移運，做到了鉆機(jī)的隨停隨用，尤其適合于叢式井作業(yè)。

2.2 移運能力強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保

相比常規(guī)滑移式移運裝置，低溫鉆機(jī)輪軌移運裝置采用了車輪在輪軌上滾動的形式實現(xiàn)鉆機(jī)移運，摩擦阻力小，移運噸位大，最大推移質(zhì)量可達(dá)到2800 t。移運速度快，移運效率高。在焦頁30號平臺上，輪軌移運裝置僅用57 min便完成了長達(dá)10 m的鉆機(jī)系統(tǒng)移運工作[4]。此外，輪軌式移運裝置不需要在輪軌導(dǎo)軌上涂抹潤滑脂，維護(hù)成本低且對環(huán)境無污染。

2.3 安裝簡單，制造成本低

鉆機(jī)輪軌移運裝置車輪與導(dǎo)軌間的配合精度要求低，車輪導(dǎo)軌端面無需加工，只需保證導(dǎo)軌直線度要求即可。不僅制造成本低、制造周期短，而且縮短了輪軌移運裝置的安裝時間，節(jié)約了工作人員勞動強(qiáng)度與勞動時間。

2.4 具有較高的穩(wěn)定性與安全性

俄羅斯市場普遍要求鉆機(jī)移運軌道接地比壓要控制在0.12 MPa以下，鉆機(jī)輪軌移運裝置接地面積大，既保證了鉆機(jī)系統(tǒng)在整體移運過程中的穩(wěn)定性和安全性，又降低了鉆機(jī)地基基礎(chǔ)要求，能夠適應(yīng)的工作環(huán)境條件更廣泛。底座上機(jī)械千斤頂可以對鉆臺面及井架傾角進(jìn)行微調(diào)，修正鉆機(jī)系統(tǒng)在移運時產(chǎn)生的井口偏移，保證天車、井架、底座始終與井口中心對齊，位移準(zhǔn)確。

2.5 承載與移運分體式設(shè)計

鉆機(jī)輪軌移運裝置具有承載與移運的功能，能承受移運與工作時產(chǎn)生的各種力與力矩。其軌道裝置部分普遍采用移運導(dǎo)軌與承載大梁分體式的設(shè)計，移運導(dǎo)軌位于移運裝置的中間，并安裝于由承載大梁構(gòu)成的基礎(chǔ)上，該結(jié)構(gòu)降低了鉆機(jī)移運時對軌道產(chǎn)生的偏載作用，保證移運時鉆機(jī)系統(tǒng)重力全部傳遞到鉆機(jī)基礎(chǔ)上。承載大梁通常采用箱型梁結(jié)構(gòu)或者主梁翼板密布筋板的結(jié)構(gòu)（如圖2），用以保證底座上機(jī)械千斤頂或舉升油缸在大梁任意位置下放時大梁的局部穩(wěn)定性。當(dāng)鉆機(jī)系統(tǒng)移運時，將底座上的車輪下放至移運導(dǎo)軌上，并收回機(jī)械千斤頂；當(dāng)鉆機(jī)需要進(jìn)行鉆井作業(yè)時，收回底座上車輪使其懸空，下放底座上的千斤頂至軌道承載大梁上，并固定千斤頂即可。

圖2 輪軌移運裝置結(jié)構(gòu)圖

2.6 鉆機(jī)移運模式切換便捷

鉆機(jī)輪軌移運裝置所需油缸少，僅在左右軌道上各安裝一個推移油缸即可實現(xiàn)鉆機(jī)所有設(shè)備的移運，當(dāng)進(jìn)行鉆機(jī)系統(tǒng)的反向移運時，將棘輪棘爪裝置調(diào)整至拉移狀態(tài)，調(diào)整油缸控制閥使油缸拉動鉆機(jī)即可。

雖然鉆機(jī)輪軌移運裝置具有上述優(yōu)點，但仍然存在著許多不足，由于鉆機(jī)偏載的問題，左右軌道上的摩擦力大小不一，左右液壓缸在推拉過程中會出現(xiàn)不同步的情況；軌道的整體長度達(dá)十幾米，且車輪數(shù)量多，兩條軌道的平行度誤差、安裝誤差均會造成車輪輪緣與移運導(dǎo)軌側(cè)面摩擦，影響導(dǎo)軌的穩(wěn)定性。

3 低溫鉆機(jī)輪軌移運裝置應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 寶石機(jī)械4000 m極地雙模式低溫鉆機(jī)移運裝置

寶石機(jī)械4000 m極地雙模式低溫鉆機(jī)移運裝置采用主機(jī)模塊與固控模塊平行布置的雙模式移運形式來實現(xiàn)鉆機(jī)系統(tǒng)的整體移運[5]。

支撐移動模塊中主機(jī)模塊采用滑軌移運的模式，固控模塊采用輪軌移運的模式。其移運裝置采用了單軌道扁梯形的結(jié)構(gòu)形式（如圖3），單軌道兩側(cè)等間距焊接有卡板，卡板間距與主機(jī)模塊下的矩形槽間距相等。移運模塊各個設(shè)備底撬上安裝有滾動車輪，移運模塊中的移運裝置采用棘輪棘爪的形式，當(dāng)油缸伸長（縮回）時，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的棘爪會卡在卡塊上，進(jìn)而推動鉆機(jī)移動，當(dāng)油缸縮回（伸長）時，卡塊會脫離卡板并自動越過下個卡板后，伸出油缸，推動鉆機(jī)再次移動。重復(fù)上述步驟，便實現(xiàn)了輔助模塊的移運。

為達(dá)到用戶接地比壓要求，提升移運穩(wěn)定性，在軌道兩側(cè)伸出翅膀，并用封板將整個結(jié)構(gòu)密封，前后端頭設(shè)計蒸汽接口，當(dāng)需要對軌道進(jìn)行解凍搬移時，對軌道內(nèi)部通蒸汽即可。

兩套模塊共同使用同一液壓系統(tǒng)，操縱液壓系統(tǒng)中的控制閥，既能實現(xiàn)主機(jī)模塊與輔助模塊的同步移運，也可實現(xiàn)各個模塊的單獨移運，保證了鉆機(jī)系統(tǒng)可以精準(zhǔn)定位井口中心。

3.2 寶石機(jī)械7000 m低溫鉆機(jī)移運裝置

圖3 固控移運模塊

寶石機(jī)械7000 m低溫鉆機(jī)是寶石機(jī)械根據(jù)用戶特殊需求而設(shè)計的鉆機(jī)，其輪軌移運裝置采用主機(jī)模塊與固控模塊共線布置的形式，可以在無基礎(chǔ)地面上直接安裝，該鉆機(jī)的移運輪軌裝置如圖4所示，支撐移動模塊采用了承載大梁與移運導(dǎo)軌組合的結(jié)構(gòu)形式，移運導(dǎo)軌為雙腹板結(jié)構(gòu)，兩側(cè)每隔一段距離焊接有卡板。移運導(dǎo)軌既為車輪行走提供支撐，也為棘爪裝置提供導(dǎo)向與支撐。承載大梁兩側(cè)設(shè)計翼板，用于增大移運裝置接地面積，增強(qiáng)鉆機(jī)整體穩(wěn)定性。推移模塊采用了鉆機(jī)系統(tǒng)整體運輸?shù)男问?。移運質(zhì)量為2800 t，通過一組油缸同時推動鉆機(jī)主機(jī)模塊與固控模塊一起移運。

當(dāng)對鉆機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行移運時，將棘爪裝置調(diào)整至推移（拉移）狀態(tài)，去掉止動裝置后，操縱換向閥使油缸的活塞桿伸出，直至棘爪體上的旋轉(zhuǎn)耳板卡在軌道卡板處，伸出油缸，推動鉆機(jī)系統(tǒng)沿軌道進(jìn)行移動，行走一個行程后，操縱換向閥使油缸縮回直至棘爪體上的耳板自動越過軌道上卡板后，完成一個步進(jìn)移運過程。重復(fù)上述動作，實現(xiàn)鉆機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)移運。

3.3 南陽二機(jī)4000 m軌道鉆井裝備移運裝置

南陽二機(jī)石油裝備( 集團(tuán)) 有限公司研制的4000 m軌道式低溫鉆機(jī)，其支撐移動模塊主要由車輪重軌、重軌支撐、鉆機(jī)支撐、橫撐桿等組成，其中鉆機(jī)支撐采用了方鋼管材料，焊接成桁架結(jié)構(gòu)，用鋼板將桁架四面密封成箱型結(jié)構(gòu)，并設(shè)計蒸汽接口。重軌支撐中間開有等間距圓孔并用無縫管進(jìn)行加強(qiáng)，將車輪重軌固定在重軌支撐上后與鉆機(jī)支撐焊接成一體。其推移模塊采用了人字撐銷軸連接結(jié)構(gòu)（如圖5），人字撐一端與推移油缸連接，支腿處用銷軸與重軌支撐進(jìn)行連接，該結(jié)構(gòu)形式簡單可靠，經(jīng)濟(jì)安全。鉆機(jī)支撐兩側(cè)設(shè)有臺肩，當(dāng)鉆機(jī)在工作狀態(tài)下時，將鎖緊裝置安裝在底座與軌道兩側(cè)的臺肩上，對車輪進(jìn)行保護(hù)并加強(qiáng)鉆機(jī)整體穩(wěn)定性。

在鉆機(jī)進(jìn)行移運時，先用舉升油缸將鉆機(jī)整體舉升一定高度后，拆除底座上的鎖緊裝置和墊片，收回機(jī)械千斤頂，再下放底座車輪與重軌接觸，移動油缸伸長，推動鉆機(jī)沿重軌方向平移一個行程后，取下人字撐與重軌支撐間的聯(lián)接銷軸，油缸縮回直至人字撐支腿上的孔與重軌支撐的下一個孔對齊后，再次安裝聯(lián)接銷軸，推動鉆機(jī)繼續(xù)移運，重復(fù)此動作，完成鉆機(jī)的移運。

圖4 輪軌移運裝置圖

圖5 移運裝置圖

該移運裝置在移運過程中需要人工不斷地拆卸連接銷軸，移運過程較為繁瑣，降低了移運系統(tǒng)的移運時間。

3.4 烏拉爾3900 /225-M型鉆機(jī)輪軌移運裝置

烏拉爾機(jī)械-鉆井設(shè)備有限責(zé)任公司是俄羅斯國內(nèi)進(jìn)行低溫軌道鉆機(jī)生產(chǎn)研發(fā)比較成熟的公司，其設(shè)計的7000 m輪軌移運裝置如圖6所示，該移運裝置中支撐移動模塊采用了雙層結(jié)構(gòu)，主要由軌道、車輪導(dǎo)軌、撐桿、銷軸等組成。車輪導(dǎo)軌安裝在軌道中間，既用于支撐主機(jī)車輪沿導(dǎo)軌行走，又對移運棘爪裝置進(jìn)行導(dǎo)向。軌道采用了雙作用支撐面，正面用于支撐底座千斤頂及舉升油缸，側(cè)面對移運棘爪裝置提供支撐，該結(jié)構(gòu)沒有專門用于棘爪行走作用的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定。前后軌道之間采用了縱向銷軸連接，銷軸軸線與導(dǎo)軌方向平行，左右軌道之間采用橫桿連接。棘爪裝置兩側(cè)設(shè)計有2組可旋轉(zhuǎn)的棘爪，棘爪裝置中間有安裝耳孔，與推移油缸采用銷軸連接。

在鉆機(jī)進(jìn)行移運時，將鉆機(jī)整體起升一定高度后，收回機(jī)械千斤頂，下放車輪與導(dǎo)軌接觸，收回舉升油缸。操縱控制閥使移動油缸伸長，棘爪裝置兩側(cè)的棘爪會自動卡到軌道兩側(cè)筋板上，推動鉆機(jī)沿導(dǎo)軌方向平移一個行程后，操縱控制閥使油缸縮回一個行程直至棘爪卡到第二個行程位置的軌道側(cè)面筋板上后，推動鉆機(jī)繼續(xù)移運，重復(fù)此動作，完成鉆機(jī)的移運。

4 關(guān)鍵技術(shù)

在輪軌式移運裝置設(shè)計初期，主要需要考慮推拉油缸的推力（拉力）及軌道的承載能力，兩者共同決定了移運裝置的移運承載能力。

4.1 油缸推力計算

7000 m低溫鉆機(jī)輪軌式移運裝置相較于常規(guī)移運裝置，只采用一對油缸對整個鉆機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行移運，油缸承載能力大，影響因素多，在油缸推力計算過程中，主要依據(jù)滾動摩擦的方式進(jìn)行計算。由機(jī)械設(shè)計手冊可知，鉆機(jī)移運工作的工作模式類似于火車在軌道上行駛的模式，因此選取圓柱沿平面滾動的形式（如圖7），有量綱的滾動摩擦因數(shù)為μk。

圖6 移運裝置圖

圖7 滾動摩擦因數(shù)形式圖

由圖7可知，滾動阻力矩計算公式為

式中：N為壓力；μk為滾動摩擦因數(shù)；r為圓柱半徑；F為摩擦力。

在鉆機(jī)啟動時，推移油缸所需最小載荷即為克服鉆機(jī)在輪軌上的最大靜摩擦力。由式（1）可知，最大靜摩擦力F與鉆機(jī)載荷及滾動摩擦因數(shù)有關(guān)系。

4.1.1 鉆機(jī)載荷的確定

在鉆機(jī)推移（拉移）最惡劣工況，即鉆機(jī)在滿立根、鉆機(jī)附件設(shè)備（固控等）滿載條件下，進(jìn)行鉆機(jī)的推移（拉移）操作，設(shè)該條件下鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的總載荷為N1，根據(jù)井口中心位置，考慮鉆機(jī)偏載系數(shù)λ，可確定鉆機(jī)移運工況下軌道的總載荷N為

4.1.2 滾動摩擦因數(shù)的確定

輪軌移運式鉆機(jī)工作模式與火車在輪軌上運動類似，輪軌與車輪之間的滾動摩擦因數(shù)同樣需要充分考慮輪軌軌道表面粗糙度、濕度、車輪與軌道、車輪軸承摩擦因數(shù)等的影響，在計算過程中，主要考慮車輪軸承摩擦因數(shù)和車輪與輪軌之間的滾動摩擦因數(shù)，參考火車機(jī)車牽引力計算方法，可將此處滾動摩擦因數(shù)定義為黏著系數(shù)η。

推移油缸共有2個，分別位于兩側(cè)軌道上，由式（1）、式（2）可知，單個油缸的推力F1為

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，在鉆機(jī)移運啟動瞬間油缸啟動推力小于由式（3）計算的油缸推力，滿足設(shè)計要求。

4.2 移運軌道強(qiáng)度計算及校核

由7000 m低溫鉆機(jī)移運裝置的結(jié)構(gòu)特點可知，移運輪軌最惡劣的工況為鉆機(jī)滿鉤載、滿立根工況，因此，選擇此工況進(jìn)行移運軌道強(qiáng)度計算及校核。計算及校核過程采用NX軟件建立移運軌道模型并運用有限元分析軟件ANSYS Workbench對軌道進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4.2.1 軌道模型物理屬性

根據(jù)GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 軌道材料力學(xué)性能

4.2.2 軌道載荷分析

鉆機(jī)在滿鉤載、滿立根的條件下，軌道所承受的重力為G，考慮鉆機(jī)重力裕度系數(shù)ε，根據(jù)井口中心位置，考慮偏載系數(shù)λ1，鉆機(jī)載荷最終通過底座上16個機(jī)械千斤頂傳遞至輪軌軌道大梁上，則得單個機(jī)械千斤頂傳遞至軌道大梁上的最大受力F為

4.2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件施加

軌道網(wǎng)格劃分如圖8所示，載荷施加如圖9所示，其中：A、B、C、D為機(jī)械千斤頂載荷，E為基礎(chǔ)支撐。

圖8 軌道網(wǎng)格劃分

圖9 軌道載荷施加

4.2.4 軌道強(qiáng)度有限元計算結(jié)果

由圖10可知，軌道最大等效應(yīng)力為170 MPa,軌道材料為Q345鋼，軌道大梁最厚處板厚為25 mm，依據(jù)表1，軌道的屈服強(qiáng)度統(tǒng)一取σs=335 MPa。安全系數(shù)n=σs/σE=1.96[6]。

由以上計算可知，軌道強(qiáng)度設(shè)計安全系數(shù)為1.96；AISC（335 -89）許用安全系 數(shù) 為1.67，軌道設(shè)計強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)語

1）低溫鉆機(jī)輪軌移運裝置為鉆機(jī)一體化移運提供了新的方式，為叢式井油田作業(yè)提供了新的思路，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性能好，而且縮短了制造安裝工期，提升了移運裝置移運能力與移運速度，同時兼顧了節(jié)能環(huán)保的需求，具有極大的競爭優(yōu)勢與廣闊的市場前景。

2）移運裝置中油缸推力的計算是移運裝置設(shè)計的重要一環(huán)，通過多年移運裝置設(shè)計及試驗，本文分析了移運裝置油缸推力（拉力）計算方法，并借鑒火車機(jī)車牽引力黏著系數(shù)，給出了輪軌式移運裝置油缸推力（拉力）計算的黏著系數(shù)，為國內(nèi)輪軌式移運裝置設(shè)計與發(fā)展提供一定的借鑒。

3）以寶石機(jī)械7000 m低溫鉆機(jī)軌道項目為依托，對移運軌道的強(qiáng)度校核方法進(jìn)行了簡要分析，為國內(nèi)低溫鉆機(jī)輪軌移運裝置的研究積累了經(jīng)驗，并為類似的低溫移運設(shè)備設(shè)計提供一定的參考。

圖10 軌道總體應(yīng)力云圖