3000 hp叢式井鉆機導軌雙向移運技術研究

于浩， 張虎山， 張鵬， 張文英， 段寶生

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；3.中海油田服務股份有限公司，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，其中叢式井鉆井作業優勢明顯，可實現井場內鉆機的直立移運，降低了常規拆卸、搬運、安裝所耗費的時間。叢式井作業時鉆機主體設備具有整體移運的特點，有效解決了井間搬家時需要全部拆卸、運輸、安裝的問題，從而降低了作業人員的勞動強度，大幅提高搬家作業效率[1-2]。

國外某人工島作業區域需要進行叢式井鉆探作業，該人工島計劃鉆探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，該人工島作業區域擬采用3000 hp超深井鉆機完成鉆探作業。3000 hp超深井鉆機采用K型井架、旋升式底座,可實現鉆臺設備低位安裝，并隨底座一次起升至高位，絞車布置于底座后臺區。采用6臺卡特彼勒CAT3512B柴油發電機組發出的交流電經變頻后分別驅動1臺主絞車、3臺2200HL鉆井泵和1臺轉盤驅動裝置。鉆機主絞車采用2臺1100 kW交流變頻電動機驅動，轉盤驅動裝置采用1臺800 kW交流變頻電動機驅動，3臺2200HL鉆井泵分別由2臺900 kW交流變頻電動機驅動。整個鉆機分為7個區域，分別為鉆臺區、泥漿區、動力區、水罐與消防罐區、油罐區、泥漿凈化罐區。其中，鉆機鉆臺區設備（井架、底座、絞車、頂驅、鉆臺設備等）要求具有整體移運功能，其余區域設備不隨井口位置變化而移運。

1 移運裝置的選擇

目前，國內外較為常用的叢式井鉆機移運裝置包括棘輪棘爪式移運裝置、摩擦式移運裝置、有軌滾動式移運裝置和無軌滾動式全方位移運裝置[3]。四種移運裝置均包含液壓動力源、操縱箱、管路總成等部件，其原理是通過液壓站為系統提供液壓油給操縱箱，通過操縱換向閥，使移運液壓缸動作。其中各移運裝置的結構組成、工作原理及優缺點比較如下：

1）棘輪棘爪式移運裝置。由移運油缸、棘爪、棘爪架、導向機構、液壓管線、操縱箱、液壓站等組成。工作時棘爪鎖定在導軌孔中，隨著移運油缸活塞桿的伸出或縮回，使棘爪從導軌孔中自動抬起并再次落至下一個導軌孔中，反復操作可完成鉆機直立移運。此方案機構簡單，經濟性好，可靠性高。

2）摩擦式移運裝置。由移運油缸、夾緊液壓缸組、棘爪座、棘爪牙板、導向機構、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，摩擦式棘爪整體上升，產生棘爪與導軌之間大于鉆機模塊與導軌之間的摩擦力。當鎖緊缸放油時，柱塞在移運設備的自重作用下縮回時，摩擦式棘爪整體下落，移運油缸活塞桿與摩擦式棘爪同時縮回，這樣實現一個步進行程。此方案機構復雜，可靠性差。

3）有軌滾動式移運裝置。由移運油缸、頂升液壓缸，滾輪小車、導向機構、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，再使移運油缸的活塞桿伸出，驅動頂升油缸、滾輪小車與鉆機一起沿著履靴滑移，下放鉆機到導軌面上。此方案結構簡單，經濟性一般，適用于單排叢式井。

4）無軌滾動式全方位移運裝置。無軌移運裝置增設了旋轉和定位機構。頂起鉆機模塊全方位移運裝置，使其分離地面，在空中完成復位動作，使鉆機模塊在空中完成移運動作。在滾輪小車和履靴提起時，拆下其定位螺栓，將滾輪小車與履靴旋轉到合適的角度，并重新安裝定位螺栓，使鉆機沿所需的方向實現移運。鉆機可在任意方向移運，適合較小區域內多口井的叢式井作業。此方案結構復雜，成本高。

通過上述四種移運裝置的比較，結合人工島作業區面積較大、油井呈雙排“一”字形布置等特點，最佳移運方案為采用棘輪棘爪式移運裝置，既可高效地完成鉆探作業要求，又可降低作業成本。

2 關鍵技術研究

2.1 移運方案分析

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

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

兩種移運方案各有特點，在人工島作業區域面積受限的情況下，建議采用第一種移運方案，并可以減少移運時間，節約整個作業區域的鉆井時間。如果作業區域面積充裕，可根據油田業主的特性需求采用第二種模式，選擇性地進行鉆井作業。

2.2 鉆機縱向移運受力分析

3000 hp鉆機底座基座前后長度達20.5 m，左右基座中心間距10.45 m。在移運過程中，存在由于左右移運油缸不同步而導致基座“內擠”的風險，最終導致底座變形，無法完成鉆探要求。因此，為避免此類風險的發生，增強底座在縱向移運過程中的整體剛度，左右基座中間設置具有結構剛度大的“門”形連接架用于平衡左右基座內向受力。同時，考慮鉆機叢式井移運過程中避讓4.6 m高的采油樹，此“門”形連接架高度定為5.0 m。依據鉆機底座的結構特點，以梁單元、質量單元為主，在ANSYS 軟件前處理中建立底座連接架有限元模型（如圖3），并進行載荷分析（如圖4）。

以鉆機井口中心為坐標原點，X軸正向為鉆機正前方，Z軸正向為鉆機左側方向，Y軸正向為正上方，建立三維直角坐標系[4]。

各移運工況下有限元計算結果如表1所示。

表1 有限計算結果匯總（UC校核值）

由表1可知，在操作工況及縱向移運工況下，底座連接架所有單元穩定性校核均小于許用值。因此底座連接架強度及穩定性滿足設計要求，連接架安全可靠。

3 遠距離電纜輸送技術

在鉆機右側布置電纜橋架，電纜橋架用于懸掛和存儲電纜，電纜橋架包括電纜存儲架和若干伸縮架，電纜通過馬鞍懸掛在電纜存儲架和電纜架的頂部導軌上，每件存儲架存放約60 m的電纜，4個或5個儲存架之間有轉接箱，每件電纜架長度10 m。鉆機向前移運前，在鉆機移運方向增加一段10 m長的電纜架，鉆機移運時，底座拉動電纜跟隨鉆機，電纜伸長；鉆機向后移運時利用安裝在電纜存儲架上的風動絞車將電纜收回；換井排或者鉆機移運時，則利用風動絞車將所有拉開的電纜收回到電纜存儲架里[5]。

根據本鉆機的布置特點及鉆井過程，由于動力區電控房不隨鉆機主體移運，鉆機在第16口井作業時與鉆機在第17口井作業時主機設備供電電纜長度存在150 m的差異。因此，需考慮鉆機主機設備電纜壓降的問題。

選用ETAP軟件綜合設計、分析電纜壓降問題，本項目選用的電纜規格為絞車主電動機每相2根535MCM，轉盤主電動機每相1 根535MCM，頂驅動力每相1 根646MCM，液壓站供電為一根3×35+1×10四芯電纜。計算步驟為：1）根據系統單線圖搭建計算模型。2）輸入相關參數（電纜的長度、電抗、最高工作溫度110 ℃時的阻值，負載電流、功率因數、變頻器參數）。3）潮流計算，附帶計算電纜壓降。

計算結果滿足CCS規范《鋼制海船入級規范》中“當電纜在正常工作條件下承載最大電流時，從主配電板或應急配電板的匯流排到任何安裝點的電壓降，應不超過額定電壓的6%的要求。

同時，為避免由于遠距離信號間的相互干擾，采取以下防范措施：1）控制系統設計時，相關通信、控制電纜選擇質量較好的屏蔽電纜；動力電纜采用變頻器樣本推薦規格。電纜屏蔽層應可靠接地。2）現場布線時，控制、通信電纜與動力電纜分開走線，避免長距離平行布線，或控制、通信電纜與動力電纜間距離不小于20 cm?？刂?、通信電纜與動力電纜需要交叉布局時，最好垂直交叉。3）在小容量易受干擾的設備電源端加隔離變壓器，對變頻器干擾信號進行隔離。

表2 電纜壓降計算結果

4 結 論

1）棘輪棘爪式移運裝置對于作業區面積較大、雙排“一”字形布置等特點的人工島作業區具有較強的經濟性和適用性，可為油田用戶提供兩種叢式井移運方案，既可高效地完成鉆探作業要求，又可降低作業成本。2）鉆機底座“門”形連接架增強底座在縱向移運過程中的整體剛性，避免了底座因“內擠”而導致變形的風險。3）采用伸縮式電纜儲存架及伸縮架，滿足人工島作業區井口間遠距離電纜輸送自動收縮的要求，從而降低作業勞動強度。并對遠距離電纜壓降進行分析計算，提出防范遠距離信號間相互干擾的措施，保證了人工島作業區正常鉆井的使用要求。