鉆機軌道式雙向平移裝置研制*

陳 妮

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

為了提高叢式井鉆井效率，常使用平移系統來實現鉆機不拆卸整體移運[1]。油田常用的平移系統一般分為拖車式移運裝置、無軌步進式移運裝置、輪軌式移運裝置及軌道式整體移運裝置[2]。上述軌道式整體移運裝置是鉆機在預先鋪設的軌道上，實現一個方向的移運，無法滿足叢式井的鉆井需求。筆者介紹了一種全新的軌道式平移裝置，可實現鉆機在X/Y方向平移，滿足叢式井的鉆井需求。

1 結構形式

平移裝置結構如圖1所示。

圖1 平移裝置總圖1.平移裝置導軌總成 2.平移裝置液壓移運系統 3.X向油缸連接耳板 4.Y向油缸連接耳板

主要由平移裝置軌道總成及平移裝置液壓移運系統組成。平移裝置軌道鋪設在鉆機底座下方，在鉆機基座的橫向兩端分別設置有X向油缸連接耳板，在鉆機基座的縱向兩端分別設置有Y向油缸連接耳板，X向油缸連接耳板、Y向油缸連接耳板與液壓移運系統推移油缸的油缸活塞桿端頭通過銷子連接，推移油缸尾端耳板與棘爪機構通過銷子連接，棘爪機構的卡塊卡在軌道的矩形棘爪孔內。

平移裝置軌道總成如圖2所示。

圖2 平移裝置軌道總成1.X向平移導軌 2.Y向平移導軌 3.過渡導軌

主要由X方向平移導軌、Y方向平移導軌組成。X方向平移導軌為通用導軌，導軌兩端分別設置有成配套的單雙耳板，可在長度方向首尾相接，兩條平行的導軌梁上設置有等距離的矩形棘爪孔，兩條平行導軌梁之間設置有與Y向平移導軌對接的過渡導軌梁。圖2中a所示尺寸應與鉆機基座主梁中心線尺寸相同，確保鉆機與導軌面完全接觸。Y方向平移導軌為特殊導軌，不具通用性，導軌兩端設置有單耳板，與X方向導軌側面雙耳板用銷子連接，兩條平行的導軌梁上設置有等距離的矩形棘爪孔。圖2中b所示尺寸與鉆機左右基座內側主梁中心線尺寸相同，Y方向平移導軌兩條導軌梁之間尺寸a與X方向平移導軌兩條導軌梁間距相同。

平移裝置液壓移運系統，主要由液壓站、液壓操作控制系統、滑移液缸、棘爪機構、可翻轉式夾持器等組成。液壓站及液壓操作控制系統可固定在鉆機底座上，隨鉆機一起平移。液壓移運系統為整個平移裝置提供動力和控制。

2 工作原理

平移裝置軌道預先鋪設在鉆機的下方，軌道總成用來支撐鉆機和棘爪總成，棘爪總成為鉆機提供推移動力，利用液壓系統提供的動力和控制，可實現鉆機在工作狀態下(井架、底座不下放)的整體X向、Y向平移。

鉆機X方向平移示意圖如圖3所示，將X向平移導軌鋪設在鉆機下方，兩側X向導軌中間用Y向導軌連接固定。利用液壓移運系統中的推移油缸、棘爪機構通過X向油缸連接耳板推動基座，使鉆機主體整體X向平移，鉆機每移動一定距離，棘爪從X向導軌上的矩形棘爪孔自動退出，移動到下一棘爪孔位置固定。鉆機每移動一節X向導軌的距離后，可將后面空出的一節導軌連同中間連接的Y向導軌挪到鉆機前進位置，循環交替使用，即可滿足鉆機在X向任意距離移動。

鉆機Y方向平移示意圖如圖4所示，將X向平移導軌鋪設在鉆機下方，兩側X向導軌中間用Y向導軌連接固定，在鉆機前進方向新增一組Y向平移導軌、一組X向平移導軌，利用液壓移運系統中的推移油缸、棘爪機構通過Y向油缸連接耳板推動基座，使鉆機主體整體Y向平移，當鉆機平移一個鉆機底座跨距的距離后，鉆機左右基座與X向導軌完全接觸，此時鉆機可根據實際需求選擇X向或Y向繼續前進，向X向前進時，只需在X向前進側鋪設X向導軌(通用導軌)，向Y向前進時，只需在Y向前進側鋪設X向導軌(通用導軌)，此時無論鉆機向X向、Y向前進時都與上述所述鉆機X向平移過程相同。

圖4 鉆機Y方向平移示意圖1.X向平移導軌 2.Y向平移導軌 3.鉆機主體 4.過渡導軌

3 設計計算

文中以蘭石某型鉆機為例，對平移導軌及推移液壓缸進行分析計算。選定鉆機的最大移動重量在690 t(其中包含鉆機本體重量、附加在鉆機上的各種不可拆卸的部件以及滿立根狀態時整個立根的重量)，該鉆機底層基座長度為18.5 m，基座主梁翼板寬度為310 mm，配置有兩套推移液壓缸。

3.1 平移導軌靜力計算

鉆機平移裝置在目前的相關標準沒有明確規定，但因鉆機平移時速度極其緩慢(一般規定小于0.3 m/min)，近似成靜止狀態，可借鑒井架及底座的靜強度規定，即結構中任何部位的應力如果達到材料標定的屈服強度，就必須認為結構已經破壞。這個規定認為結構中某一部位的應力達到屈服強度，是結構承載的臨界狀態。根據靜強度規定，該構件材料標定的屈服強度與井架、底座結構中所有構件應力最大值的比值，稱之為靜強度安全系數，API(美國石油學會標準)認為井架靜強度安全系數必須達到1.67以上才能符合安全要求。

鉆機在導軌上移動時可將導軌所受載荷視為均布載荷，導軌應力值的計算公式為：

式中：G為鉆機最大移動重量；g為重力加速度；n為導軌主梁數量；L為鉆機底層基座與導軌的接觸長度，D為鉆機底層基座翼板寬度,A為導軌橫截面積。

該鉆機X向、Y向平移時均設置有4條導軌主梁，導軌主梁的截面采用焊接工字鋼，H430X310X16X30，材料為Q355B，屈服強度Rel=335 MPa。

當鉆機X向移動時，L=18.5 m，此時：

當鉆機Y向移動時，L=4×310 mm=1.24 m。

由上式可看出，鉆機Y向移動時導軌的應力值遠大于鉆機X向移動時導軌的應力值，所以此時只需計算鉆機Y向移動時導軌的應力。由上式可計算出鉆機Y向移動時導軌的應力值σ為183 MPa。此時導軌材料屈服強度與導軌的應力值的比值為1.83，大于1.67，故可得出導軌靜強度符合要求，結構安全。

3.2 推移液缸選型計算

推移液缸推動鉆機在導軌上移動，需要克服鉆機與導軌面的摩擦力，因鉆機平移時速度極其緩慢(一般規定小于0.3 m/min)，近似成靜止狀態，當液缸的推力大于最大靜摩擦力時，鉆機方可移動，此時只需求出最大靜摩擦力，最大靜摩擦力可根據下列公式計算：

Fmax=G×g×μ

式中：G為鉆機最大移動重量；g為重力加速度；μ為靜摩擦力系數。

此式中“μ”選定為鋼與鋼之間靜摩擦力系數為0.15，代入計算得出最大靜摩擦力為1 035 kN。此鉆機平移裝置中設置有兩組推移液缸，由此可計算出單個液缸的最小推力應大于518 kN。考慮到液壓缸實際工作的能耗損失及液壓缸推移位置對鉆機推動力的影響，最終此鉆機平移裝置液壓缸的實際選擇推力為650 kN。

4 試驗和應用情況

筆者所在公司為勝利油田沙特項目研發設計的此類型鉆機平移裝置在廠內做了X向、Y向雙向平移試驗，平移軌道預先鋪設，鉆機組裝、起升完成后，在井架直立狀態下進行實驗(無立根狀態)，此時鉆機推移重量大約在490 t。X向平移前進15 m，耗時50 min，Y向平移前進一個鉆機跨距即10 m，耗時40 min，在X向、Y向平移時液壓系統推移液缸最大推力392 kN，整個平移過程運行平穩，鉆機無晃動。試驗完成后對鉆機及平移裝置各部件進行逐一檢查，未發現明顯缺陷。后期用戶反饋在作業現場鉆機排滿立根時，該平移裝置多次順利完成鉆機的X、Y向平移工況，進行叢式井鉆井，達到了預期要求。

5 結 語

此種結構的平移裝置可將鉆機及鉆具等設備整體在X、Y兩個方向平移任意距離，滿足鉆機進行多排叢式井的作業要求，又兼具軌道式鉆機平移裝置導向好、接觸面積大、對地基要求不高、適用性強等優點，具有良好的經濟性、實用性。