7000 m直立移運后折井架技術研究

陳德剛， 王曉玲， 蔡京儒， 陳昊翔

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引言

在沙漠等具有大片平坦地區鉆井時，我國研制的整體直立輪式移運鉆機[1-2]已經受到廣泛歡迎。這種鉆機在換井位時將大部分繁瑣的組裝工作省去，在井架底座及其上設備不拆卸的狀態下，利用大噸位承載輪胎將井架底座及設備整體移運至目標井位，減少了大部分工作量，縮短了鉆機在不同井位間作業的周期[3-4]。

在鉆機直立移運時，整體高度往往達到60 m左右。移運路線中如果遇到高壓輸電線或者高架橋梁時則需要繞路，否則需要就地拆解。無法穿過高達60 m左右障礙物的限高缺點極大限制了這種直立移運鉆機的應用。因此，研制在直立移運時能降低移運高度的井架迫在眉睫。

通過研究現有井架的成熟結構，其上段本身是一個整體，認為降低井架直立移運高度最好也最簡捷的辦法是將井架上段向下折疊。由于井架上段與天車的高度為14 m左右，因此折疊上段可以將直立移運高度降低到46 m，大大降低了移運限高，擴大了鉆機移運范圍。因此本文對折疊上段的方法進行詳細討論研究，并提出完整可行的具體方案。

1 技術分析

1.1 折疊方向

與井架上段關聯的設備有天車和鉆井繩。如果上段向前折疊，天車背離絞車運動，鉆井快繩會在折疊過程中伸長，拉動游車上移，因此在折疊過程中井架會承受額外的鉤載。由于鉆井繩拉伸運動時與井架結構體發生摩擦，這種額外的鉤載還會放大。同時，由于K型井架前口敞開，為了讓鉆井繩組向前擺動在可控范圍內，不脫出繩槽，還需要在上段前立柱上增加橫桿擋住鉆井繩，折疊后再拆掉橫桿，費時費力。而與之相比，如果上段向后折疊，天車向絞車移動，鉆井快繩縮短松弛，不會產生額外鉤載。如果提前固定游車，鉆井繩組基本不會滑移。而下段后立柱處本來就布有橫梁，只需稍作改進即可用作擋繩桿。所以上段向后折疊的方式明顯更好，如圖1所示。

圖1 井架上段向前向后折疊對比圖

1.2 折疊方式

可以采用目前廣泛應用在鉆井設備上的液缸驅動上段向后折疊。具體實施方法如下：在井架中上段后側設置一個操作臺，將液缸缸體支腳固定在操作臺外側，將活塞固定在上段合適位置，上段與中上段之間用銷軸鉸接。當液缸縮短時，帶動上段向后繞銷軸旋轉，達到折疊的目的。

當通過障礙物后，液缸推動上段繞銷軸上翻，最終上段達到直立狀態。此時，上段前立柱需要與中上段前立柱重新連接，但此處連接點距離地面過高，人工安裝不便，因此在連接點設計一種銷軸自動拆裝裝置，使此處的銷軸高位自動拆裝。

在上段向后折疊時，上段中的鉆井繩組會隨著上段旋轉90°，最終搭在上段與中上段連接的橫梁上。將此連接處的兩根橫梁設計成圓管，減少鋼絲繩和橫梁的摩擦力，保護鋼絲繩組。

而且，上段折疊前后，鋼絲繩組會在井口中心線位置前后晃動，上下輕微滑動。游車在整個移運過程中不拆卸，所以會隨著鋼絲繩組晃動和移動，因此需要將游車固定在井架低位，使其位置不會發生太大變化，以免和結構體或其他設備發生磕碰而損壞設備。

1.3 工況分析

上段后折時，在鉆機整體移運過程中重心后傾，因此需要對上段后折時新的移運狀態進行計算和評估。由于移運過程中路面不可避免地存在坡度，因此需要在分析時考慮井架整體前后和左右的傾斜。

同時，由于增加了折疊功能，井架上段附近需要增加液壓缸、操作臺等額外設備，井架整體質量必然增加，起升重力相應增加。需要對井架起升工況重新計算和評估。

2 分析計算

2.1 折疊移運工況

經過綜合考慮，確定前后傾斜6°、左右傾斜4°來計算后折移運工況。利用有限元軟件建模計算并按標準優化結構，如圖2所示（僅顯示井架部分）。

圖2 井架上段折疊移運工況

在計算過程中，對以下幾個關鍵問題要特別關注：1）井架上段及其設備后折后對液壓缸的壓力；2）上段中上段后立柱連接點的強度；3）鋼絲繩組作用在橫梁上產生的應力。

經過計算，可以得到液壓缸承受的最大壓力，以此為液壓缸選型依據。

折彎后，上段與中上段后立柱連接點是主要承載部位，此處的強度需要單獨校核。

鋼絲繩作用的橫梁上的壓力由游車與頂驅的自身質量產生，將此力施加在模型中，重點校核折彎后此處橫梁的強度。

2.2 起升工況

調整已有的井架模型，將新增的部件與設備添加進模型中，重新進行計算，如圖3所示。

圖3 井架起升工況

結合計算得到的數據，通過調整部分結構的規格，并增大起升設備的能力，使井架結構達到標準要求的強度和剛度，起升設備可以適應更大的載荷，最終能保證井架順利起升。

2.3 液壓缸拉力

液壓缸所需拉力也可以通過仿真獲得，只需建立上段后折前液壓缸拉緊上段和其上設備的模型即可。通過計算得到液壓缸需要拉力為320 kN。結合之前得到的液壓缸最小推力，即可按參數選擇液壓缸。

3 技術創新

3.1 銷軸自動拆裝

在上段與中上段前立柱連接部位安裝銷軸自動拆裝裝置，用以上段折疊前后與中上段前立柱分開和重新連接。將液壓缸活塞連接銷軸尾部，缸體固定在井架中上段上，銷軸前端開導向錐度，銷孔也做導向處理，這樣可以通過液壓缸將銷軸推入或拉出銷孔，如圖4所示。

圖4 銷軸自動拆卸

3.2 游車穩定裝置

游車在鉆機移運時放置在井架下段支撐架上。為防止游車晃動，設計一套游車穩定裝置。該裝置包括鋼絲繩、卸扣、固定耳板及限位塊。利用鋼絲繩將游車和頂驅固定在井架下段中間。安裝穩定裝置可以減少游車的晃動，提高鉆機移運時的整體安全性，如圖5所示。

3.3 上段折疊裝置

折疊裝置負責實現上段向后折疊90°達到水平，并重新上翻直立的動作。

中上段安裝一個固定平臺，利用斜撐連接牢固。液壓缸的缸體連接在平臺遠端，活塞連接在上段上。液壓缸伸長和收縮時，帶動上段繞與中上段的銷軸連接處翻轉。而小平臺不僅作為液壓缸伸縮的著力點，同時為人員安裝維護液壓缸提供操作空間，如圖6所示。

圖5 游車固定裝置

圖6 上段折疊裝置

4 試驗和使用

后折井架制成后，在試驗井場進行了各項試驗，如臥倒時的后折試驗，直立后折試驗等。試驗主要驗證后折方案的可行性、井架結構承載能力可靠性、折疊前后鉆井繩的伸縮量等。

經過普通的起升試驗、載荷試驗及以上新增的試驗項目，證明這種后折井架的設計完全達到預期的效果，上段整體后折可行、可靠，降低了直立移運高度。

該鉆機出廠后，經過幾個月在國外的使用，在鉆機轉場過程中井架通過性大大加強，節省了大量人力物力，得到廣泛的好評。

5 結論

為了解決鉆機直立移運限高過高的問題，提出在移運過程中將井架上段向后折疊的方案。經過研究分析、設計制造及其生產試驗和實際應用，證明這種后折井架安全可行，并且可以大大提高鉆機直立移運的通過性，進而在有運輸限高的地區可以節省大量人力物力，是一種可靠實用的新型井架。