山地小模塊化石油鉆機底座結構優化設計*

楊曉紅，李玉武

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.哈爾濱工大金濤蘭州分處，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

因全球環保理念的提出，發展低碳經濟勢在必行，同時全球對油氣資源的需求持續增長，資源豐富的非常規天然氣受到全球各國的青睞。我國擁有豐富的頁巖氣資源，四川省頁巖氣資源量和可采資源量均居全國第一。開采頁巖氣成為我國天然氣勘探工業化的重要目標，由于四川省縣鄉道路窄、坡度大、轉彎急，對鉆機設備的運輸尺寸提出了更高的要求，結合四川省特殊地理條件、公路運輸要求及鉆機設計原則，蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司開發設計了7 000 m山地小模塊化鉆機，以適應四川頁巖氣市場需求。

筆者通過對比鉆機底座優化前及優化后結構設計，得出鉆機底座優化前及優化后結構尺寸及相關重量，通過對照相關公路運輸及鐵路運輸要求，底座結構優化后達到了相對高的運輸要求，從而解決了運輸難及運輸成本高等問題，同時也解決了許多安裝操作安全問題。

1 設計原則

底座依據API Spec 4F規范并結合《鋼結構手冊》相關規定[1]設計計算，奉行“安全、可靠、先進、適用、經濟、環保”等原則，配合鉆機整機滿足現代鉆井工藝要求。

基于四川運輸條件限制，根據交通部《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，對底座主要結構部件進行拆分優化。滿足公路運輸要求，設計尺寸結合運輸尺寸控制在超限范圍內，降低運輸成本，提高整機利潤。

2 底座結構優化設計

2.1 設計參數[2]

底座型號：DZ450/10.5[3]；鉆臺高度：10.5 m；鉆臺面積：13.65 m×12.65 m；轉盤梁底面凈空高：9 m；轉盤梁最大靜載荷：4 500 kN；立根盒額定載荷：2 200 kN。其中優化前原鉆臺面尺寸為13.9 m×12.65 m。

以原有DZ450/10.5旋升式底座[1]為基礎，底座主要有頂層、中層、底層、臺面內圍、臺面外圍組成，主要優化改造了頂層及底層結構方案，使拆分結構同時滿足使用強度和運輸尺寸的要求。

2.2 頂層結構優化設計

原底座頂層主要由立根盒梁、前飄臺、左上座、右上座、轉盤獨立驅動座、絞車前梁、絞車后梁等組成。原有左上座跟右上座均為一片式部件，優化后在沒有削弱基座強度的基礎上將左上座分為左前上座及左后上座，右上座分為右前上座及右后上座；原有底座絞車梁由絞車前梁及絞車后梁組成，因鉆機放置絞車的變化，在滿足承重絞車的前提下將絞車前后梁縮減為一個絞車梁；由于轉盤獨立驅動沒有變化，所以用來承重的轉盤獨立驅動梁在原有定位尺寸不變的情況下結合左右上座及走臺一和走臺二的尺寸后，稍許作了調整；原有底座上設立根盒梁及前支架，現有底座結合優化后的左右上座及絞車梁，在滿足7000 m鉆機立根容量的能力和不減少鉆臺面活動面積的前提下將前支架換成鋪板，立根盒梁的尺寸稍作調整。在包裝運輸時，絞車梁可以在寬度方向上拆開發運。左右上座優化后主機構尺寸寬2 650 mm。優化尺寸對比如表1所列，表中尺寸為最大輪廓尺寸。優化前的底座頂層見圖1，優化后的底座頂層見圖2。

表1 底座頂層主要部件優化尺寸對比(表中尺寸為最大輪廓尺寸)

圖1 優化前底座頂層1.立根盒梁 2.飄臺 3.左上座 4.走臺一 5.絞車前梁 6.絞車后梁 7.轉盤獨立驅動座 8.走臺二 9.右上座

圖2 優化后底座頂層1.立根盒梁 2.左前上座 3.左后上座 4.走臺一 5.轉盤獨立驅動梁 6.絞車梁 7.走臺二 8.右前上座 9.右后上座

2.3 中層結構優化設計

由于底層高度提高，在保證鉆臺底座高度不變的情況下，中層立柱的尺寸有所縮短，由原先的8 160 mm改為7 810 mm。其余結構基本保持不變。前后立柱寬度均為1 890 mm，斜立柱最寬2 046 mm。

2.4 底層結構優化設計

優化前的底座底層見圖3，優化后的底座底層見圖4。

圖3 優化前底座底層1.左前下座 2.左后下座 3.底拉梁 4.斜拉梁 5.拉梁 6.右后下座 7.右前下座

圖4 優化后底座底層1.左前下座 2.左后下座 3.底拉梁 4.斜拉梁 5.拉梁 6.右后下座 7.右前下座

底層作為鉆機與地面承重地基直接接觸的受力面，給整個底座井架提供基礎，在適應特殊運輸條件及滿足承重要求的條件下，將底座底層結構做了相應的調整。結合原鉆機尺寸及中層原有結構，綜合考慮結構跟承重的情況，將左前下座尺寸縮短，加長左后下座，縮短右前下座尺寸，加長右后下座尺寸，同時遵循的原則是左前下座和左后下座總長基本保持不變，右前下座和右后下座總長基本保持不變，斜拉梁跟拉梁的位置根據結構的調整，隨著重心的移動而改變。左前下座與右前下座優化后主結構尺寸寬2 650 mm。底座底層主要部件優化尺寸對比見表2所列，表中尺寸為最大輪廓尺寸。

表2 底座底層主要部件優化尺寸對比

2.5 底座低位起升尺寸優化設計

底座整體在低位起升狀態時，將原鉆機底座低位狀態尺寸D(如圖5)由3 000 mm升高到3 829 mm，升高底座低位高度后，有利于安裝BOP吊裝裝置跟絞車梁下的儲氣罐。原鉆機因為低位尺寸沒有足夠高，所以BOP吊裝裝置在安裝時需要將地基挖低一點，這樣增加了安裝工作量，也存在安全隱患。優化結構尺寸后，BOP吊裝裝置在低位可以正常安裝進去。原鉆機安裝儲氣罐時多是在高位安裝，不符合現在油田安全使用要求，優化此尺寸后，儲氣罐可以在低位完成安裝，極大的減少了安全隱患。

圖5 底座低位起升狀態

3 底座尺寸設計優化后優勢

由于四川省特殊的地理條件，公路運輸要求比較高，鑒于道路蜿蜒崎嶇，轉彎半徑比較小，所以根據用戶要求，當然這些要求是結合安全運輸及降低運輸成本來的，現將運輸尺寸長控制在10 500 mm內，結構主尺寸寬最大控制在3 000 mm內，高度控制在2 800 mm內。根據交通部《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，車貨總高度從地面算起超過4 m，車貨總寬度超過2.55 m，車貨總長度超過18.1 m，二軸貨車，其車貨總質量超過18 000 kg，三軸貨車，其車貨總質量超過25 000 kg，三軸汽車列車，其車貨總質量超過27 000 kg，滿足上述任何一個條件都屬于超限。由于我們常用的板車的高度最低為1.2 m，1 m的板車屬于特種車，所以我們還是在能控制產品尺寸的前提下將產品高度尺寸控制在2.8 m內。

對于鉆機底座這種承重要求很高結構復雜的機械結構件，我們經過計算得出的某些少數的寬度尺寸沒有達到交通部運輸寬度不超限的要求(結構附件超限)，但是在降低超限等級的情況下，我們盡可能的將寬度尺寸縮小。這樣既可以降低向政府部門申請超限運輸的成本，又可以實現將所有貨物的運行路線控制在一條線路上，避免繞路產生的費用。

優化后的底座大型部件尺寸在滿足山地小模塊汽運的前提下，還滿足了國內及俄羅斯鐵路運輸的標準(俄羅斯鐵路運輸是國外要求相對嚴格的國家)，尺寸均沒有超限，極大降低運輸難度及運輸費用。中國和俄羅斯鐵路運輸超限尺寸如圖6。

圖6 中國和俄羅斯鐵路運輸超限綜合圖

結合底座結構優化尺寸(見表1、表2)，可以看出優化后底座所有大件單元的尺寸長度均控制在10 500 mm內，很好的滿足了運輸時的長度要求，滿足了汽車轉彎半徑的要求，這樣在可以選擇短板車節省成本的同時也提高了運輸的安全性。

4 結 語

隨著鉆機市場日新月異的變化，石油鉆機要適應環境、氣候、地理位置、運輸等多方面的要求，哪個方面考慮不周都會造成無法使用。基于現在國內外市場對鉆機的多方面要求，鉆機優化后的結構越來越通用化，可以同時滿足多種地形及其運輸要求。鉆機可以根據用戶的多樣化要求隨時定制修改設計方案，鉆機在運輸方面，會越來越完善，本著運輸安全性和經濟性，將運輸風險降為零，將用戶的運輸成本降到最低，以適應國內以及國際市場。