出口沙特鉆機設計及應用

張虎山，春晨，2，烏買爾·達吾提，侯文輝，2，張革民，2，劉登，李偉

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

0 引言

近年來，隨著沙特油田區塊的大力開發，我國石油鉆探企業同時也加大了該地區的鉆機出口力度，國內最早出口該地區的鉆探企業為中石化中原石油工程公司，后期，中石油大慶石油工程公司、中石化西南石油工程公司、中石化華北石油工程公司、中石化勝利石油工程公司等逐步進入該市場。寶雞石油機械有限責任公司（以下簡稱寶石機械）也結合鉆探公司需求和沙特阿拉伯國家石油公司（以下簡稱沙特阿美）標準，定制出口了大批量的5000～9000 m鉆機用于沙特地區的作業，其中以7000 m直流電驅動鉆機為市場主導。經過多年的不斷升級發展、創新研制的加強型ZJ70D鉆機已成為該市場的主流產品，形成標準化的配套的定型出口產品，為國內企業進入該市場提供有力支撐[1-6]。

1 技術分析

1.1 加強型ZJ70D鉆機總體方案

鉆機采用4臺CAT3512B柴油發電機組作為主動力，其發出的600 V/50 Hz交流電經SCR柜整流后變為0～750 V直流電，分別驅動絞車、轉盤、鉆井泵的串勵直流電動機；絞車由2臺800 kW直流電動機驅動，轉盤由1臺800 kW直流電動機獨立驅動；3臺鉆井泵分別由2臺800 kW直流電動機驅動；同時通過交流變頻系統控制獨立交流變頻電動機實現自動送鉆。

1.2 加強型ZJ70D鉆機技術參數

名義鉆深范圍為φ114 mm（4-1/2 in）鉆桿；最大鉤載為4500 kN；絞車額定功率為1470 kW（2000 hp）；提升系統最大繩數為12；鉆井鋼絲繩直徑為φ38 mm（1-1/2 in）；提升系統滑輪外徑為φ1524 mm（60 in）；水龍頭中心管通徑為φ75 mm；鉆井泵型號 及 臺 數 為3 ×F -1600HL；轉盤開口名義直徑為φ952.5 mm（37-1/2 in）；井架型式為前開口型，有效高度為48 m；鉆臺高度為12 m；動力傳動方式為AC-SCR-DC模擬，電傳動控制系統采用可控硅控制單元一對二控制，輸入電壓為600 V/AC，輸出電壓為0～750 V/DC連續可調，MCC系統供電為600 V/400 V（3相）/220 V（單相），50 Hz；鉆井液管匯通經為φ102 mm；固控系統總容積為636 m3。國家標準GB/T 23505-2017《石油天然氣工業鉆機和修井機》規定了鉆機的主要參數（標準型），與沙特阿美出口鉆機（加強型）相比，差異性如表1所示。

表1 標準型ZJ70D鉆機與加強型ZJ70D鉆機主要參數對比

1.3 適用條件

鉆機能夠在溫度-20 ℃～+55 ℃、濕度不大于95%、空載風速不大于38.6 m/s、海拔高度不大于2000 m的沙漠環境下正常工作。

2 關鍵技術及裝備

2.1 鉆機功率計算

圖1 鉆機立面圖

鉆機在整個鉆井過程中功率消耗較大的工況是正常鉆井、倒劃眼工況。在鉆井工況時，絞車不工作，主要負荷是2臺F-1600HL鉆井泵和ZP375轉盤及固控設備、井場照明用電。按照目前鉆井工藝的發展，在復雜井時可能遇到一開井眼較大，為提高鉆井效率，要求轉盤轉速、轉矩較大，鉆井泵的排量也較大。轉盤按照滿負荷功率，鉆井泵按照80%的滿負荷考慮，整套鉆機的總消耗功率為2880 kW。在倒劃眼工況，絞車、轉盤、鉆井泵、固控系統都參與工作，絞車功率按照提升最大鉆柱質量計算，轉盤功率按照滿滿負荷計算，鉆井泵按照3臺80%負荷計算，總消耗功率為4423 kW。配套CAT3512B柴油發電機組，機組容量為1900 kVA，其功率因數為0.7，柴油發電機組的總功率為1900×0.7×4=5320 kW。因此鉆機功率滿足要求。

2.2 JC70D絞車

2.2.1 技術方案

JC70D絞車為整體式結構，配置獨立的交流變頻電動機自動送鉆裝置。包括絞車架、滾筒軸、輸入軸、中間軸、防碰裝置、換擋機構、潤滑系統、氣控系統、交流變頻電動機自動送鉆裝置等，實現一撬式吊裝。采用Ⅰ擋+低速離合器、Ⅱ擋+低速離合器、Ⅰ擋+高速離合器、Ⅱ擋+高速離合器4個擋位[7-8]。為了解決掛擋困難，絞車設計有微擺裝置，在慣性剎車上通過調整輸入軸實現順利掛擋。主剎車采用雙剎車盤，液壓盤剎；輔助剎車采用436WCB2伊頓剎車，具有設置報警功能，設置冷卻壓力和溫度的聲光報警裝置及操作裝置，置于司鉆控制房，當電子防碰下限預警動作時啟動電磁閥控制伊頓剎車。

自動送鉆裝置由75 kW防爆交流變頻異步電動機、減速箱、推盤離合器、軸總成及控制系統等組成。交流變頻電動機自動送鉆系統可以實現控制鉆壓、鉆速送鉆，實現0～72 m/h速度范圍內的恒鉆壓自動送鉆，并可以對設定參數進行修改，監控鉆進過程的鉆壓、鉆速、游車位置及泵壓參數，自動控制游車減速和軟停、緊急故障與盤剎剎車連鎖等功能，并預防因溜鉆、卡鉆等可能會造成的相關事故發生；同時可作為應急使用，能夠帶動絞車上下活動鉆具，并能提升最大鉆柱質量。自動送鉆系統可實現恒鉆壓、恒鉆速、恒泵壓、恒轉矩等4通道控制。

圖2 JC70D整體絞車

2.2.2 滾筒纏繩量的確定

絞車滾筒纏繩量的確定要充分考慮各種工況，主要有鉆機起升工況、水龍頭鉆井作業工況、頂驅鉆井作業工況、游車大鉤起下鉆工況、頂驅起下鉆工況，絞車的強度設計按照滾筒最大纏繩在第4層設計。鉆機起升后不管在哪種作業工況，游吊系統下止點在鉆臺面時，滾筒纏繩量要保留10～14圈作為安全纏繩量[7]。絞車滾筒纏繩量如表2所示。

表2 絞車滾筒纏繩量

2.3 JJ585/48-K井架

2.3.1 技術方案

井架按照5850 kN最大鉤載設計，為前開口K型井架，分為5段，各段采用單雙耳板連接，背梁通過斜拉桿及橫梁連接；井架為低位安裝的梁式大腿前開口型，井架第5段（與天車連接端）分別設計有2組牽引耳板，用于安裝井架前托架，前托架上配φ89 mm牽引銷，用于井架運移時與牽引車連接。井架支腳在基座上，井架通過人字架靠絞車動力整體起放；井架立起后，井口前后左右找正均通過增減位于鉆臺面上井架立柱間的墊片來進行， 該處設計有放置千斤頂的位置。

2.3.2 井架高度的確定

井架高度主要取決于鉆機起下鉆作業中，游車上行到最高位置時，仍能保證有足夠的安全高度。組合方式一：按照游車+大鉤+水龍頭的組合方式，高度為H1=L游車+L大鉤+L吊環+L立根+L安全空間+h操作高度+h操作空間=2685+2278+4480+28000+6000+1200+305=45348 m；組合方式二：按照游車+頂驅的組合方式，H1=L頂驅（含吊環）+L立根+L安全空間+h操作高度+h操作空間=6440+28000+6000+1200+305=41945 mm。而井架高度為48 m，滿足各工況作業要求。

2.4 DZ585/10.5-X底座

2.4.1 技術方案

底座按照5850 kN最大鉤載設計，立根載荷4000 kN，為一次起升旋升結構，能滿足在低位方便裝160 t BOP吊裝移動裝置的要求。采用雙鼠洞設計，滿足鐵鉆工和大鉗兩種工況下的鉆桿上卸扣。鉆臺后側氣罐支架內安裝1個4 m3和1個0.5 m3儲氣罐，為了保證鉆臺設備用氣不影響絞車控制用氣，0.5 m3儲氣罐單獨用于絞車控制，4 m3儲氣罐用于氣動絞車等鉆臺設備用氣。左基座設1個1 m3儲氣罐，從氣源房獨立供氣，用于BOP控制獨立供氣。另外在底座右下基底內設一個氣源分配器，用于氣動隔膜泵、氣動扳手和清潔衛生。

2.4.2 底座高度的確定

底座高度主要取決于組合防噴器的安裝空間，7000 m鉆機屬于深井鉆機，典型的防噴器組的配置為環形防噴器（1227 mm）+雙閘板防噴器（1450 mm）+單閘板（993 mm）+鉆井四通（720 mm）+安裝高度（1500 mm）+喇叭口（1800 mm）=7690 mm。而鉆機底座凈空高位10.5 m，滿足安裝需求。

2.5 雙流程固控系統

固控系統采用五級鉆井液的凈化流程，混合、吸入流程采用雙吸、雙排，更為安全、可靠。由9個鉆井液罐、2個工業柴油罐、2個工業水罐、2個固井罐和1個計量罐（與絞車強冷水罐一體）及相應配套設備設施組成，罐體尺寸均為15000 mm×3000 mm×2790 mm，底座整體強度滿足吊裝和自背車移運要求。為便于罐內清砂，所有的鉆井液罐吸入管線都采用外置，布置在罐體兩側。并有效結合罐體底座結構，把零排放管線布置在底座內部，采用海底閥式清砂門，可快速清理罐內殘留鉆井液；混合區采用3 t的大袋料吊裝裝置，臂長6 m，可同時混配2種不同類型的鉆井液材料。

2.6 移運要求

2.6.1 輪式移運

井架整體移運是在井架放倒后，井架和游車（包括鉆井大繩、游車、頂驅導軌）整體靠牽引車整體運輸。在井架后背梁增設用于懸掛游車的橫梁，采用銷軸、耳板結構連接到井架上。移運拖座由剛性連接車橋和支撐架等組成。整拖裝置額定載荷為125 t，移運離地間隙不低于600 mm，輪胎規格為36.00-51 E4花紋工程輪胎（58層級）。

2.6.2 導軌移運

圖3 固控系統、鉆井泵、鉆井液管匯

在井場叢式井作業時，設計滿足150 m的移運要求，包括電纜的轉接、鉆井液的傳輸。配鉆機滑軌式平移裝置實現鉆機整體平移，井間距為50 m，移動距離為150 m（4口井）。移運裝置滿足150 m的移運要求，動力輸出和信號傳輸滿足平移150 m距離的作業需要。鉆機井架、底座等鉆機主體參與整體平移裝置向前移動，鉆井液泵區、固控區、動力區不參與鉆機移運。鉆機配置折疊電纜槽、電纜儲存架、電纜掛架，隨鉆機移運電纜展開。為了避開井口采油樹，井口后部左右下底座之間的連接架采用三段式結構。最大平移質量為800 t，最大平移速度為0.3 m/min，平移節距為0.5 m，液壓系統最大工作壓力為21 MPa，移動時允許最大風速為16.5 m/s，軌道高度為430 mm。

圖4 導軌平移裝置

3 HSE要求

3.1 高低壓流體管道防護

所有1 in及以上拆卸空氣軟管線連接部位加裝安全繩，所有拆卸氣管線兩端要有永久編號標識。鉆井液循環管匯工作壓力為70 MPa，地面部分、立管采用雙管路設計，回流形式采用鉆井液匯聚在地面閘閥組用軟管接鉆井液罐。閥門組閥門采用暗桿式閥門，金屬密封結構，采用標準4 in的FIG 1003由壬連接，所有管線有編號和壓力級別永久標識。高壓軟管線連接處應有相應規格的彈簧式安全繩，保險繩管夾，對夾式螺栓連接。

3.2 高空作業安全要求

井架配套安全生命線，在井架低位安裝工況，為保證操作人員的安全，每段井架后立柱兩端設負荷不小于30 kN可翻倒式立柱，立柱上端設置可穿安全繩的耳板，安全工作載荷值為30 kN，并安裝有負荷大于30 kN的鋼絲安全繩。

梯子和高于1.2 m的平臺要有欄桿，平臺欄桿底部有200 mm的踢腳板，在不低于0.7 m處設橫檔，橫檔以下設鋼板網，欄桿強度要保證在1000 N 的橫向拉力下不能彎曲。

3.3 有毒氣體監測

為了保證鉆井作業的安全，配套有氣體檢測系統，在鉆臺下部、喇叭口的上方設有專用平臺，用于安裝硫化氫設備，可以鉆臺上能方便的安裝、維修和檢測。

3.4 高空懸掛二次防護

為防止高空墜落造成安全事故，高處懸吊部件應安裝與懸吊耳板相同安全載荷的2道安全防護繩，確保作業安全、人身安全。

3.5 吊裝要求

所有的吊裝鋼絲繩采用插編+擠壓鋼絲繩方式，且所有吊耳、吊裝管、懸掛耳板有額定載荷SWL標識，對應編號有相應的載荷試驗報告、探傷等，試驗載荷要求如表3所示。

表3 吊點載荷試驗要求

圖5 井架安全生命線

4 應用情況

4.1 廠內試驗

根據標準SY/T 6680-2013《石油鉆機和修井機出廠驗收規范》要求，在廠內進行了鉆機的組裝試驗；井架、底座的起升下放試驗；天車對轉盤中心找正檢驗；轉盤進行了2 h的低速擋、中速擋、高速擋試驗，以及倒擋試驗、慣性剎車試驗；絞車進行了2 h的空運轉試驗，4個擋位下下的絞車排繩試驗；游吊系統進行了提升下放試驗，上碰下砸試驗；固控設備進行了4 h運轉試驗；鉆機整機進行了2 h的聯合調試試驗，所有設備運行，包括鉆井泵、鉆井液管匯的帶壓試驗，MCC系統負荷測試等[8]。經過組裝調試，驗證了設計的合理性，各項邏輯功能正常，溫升、噪聲在可控范圍之內。

4.2 油田應用

截至2021年11月，寶石機械累計出口沙特鉆機54套，隨國內鉆井公司在沙特作業，包括ZJ50D鉆機、標準型ZJ70D鉆機、加強型ZJ70D鉆機、ZJ70DB鉆機、ZJ90DB鉆機，大批量應用于沙特地區作業。其中，2013年出口沙特鉆機數量為7套。出口的各類鉆機性能穩定，均已完成多口井的鉆井作業。

2021年12月由寶石機械制造的ZJ70D鉆機在沙特完成32 h的鉆機搬家安裝[9]，創造了當地新的記錄。同月，ZJ90DB鉆機在完成了年進尺198 737 ft（60 590 m），該鉆機自2020年6月開鉆以來進尺突破7萬m，創區塊記錄16項[10-11]。

5 結論

1）寶石機械經過10余年在沙特市場對鉆機的不斷摸索、創新，形成了適應該市場的標準化、定型鉆機，為國內鉆探企業、裝備制造企業走向沙特市場提供了有力支撐。

2）沙特阿美對安全的高標準要求體現了該公司對人身安全的高度重視，也是我國出口鉆機安全要求的標桿做法。

3）輪式移運、大模塊運輸實現在油區內、沙漠地區得到廣泛應用；井場叢式井作業遠距離導軌移運，實現工廠化作業模式，提高了鉆井效率。

圖6 井架移運