石油钻机整机移运装置设计研究

李睿明

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁 盘锦 124010）

石油钻机是开采石油的主要钻井设备，由于钻机设备庞大、零部件比较多，一定程度上增加了钻机移运难度。当前我国石油钻机普遍存在移运不便、搬迁安装时间长、拆卸工作量大等问题，严重影响钻机工作效率和石油开采成本。我国陆地石油资源主要集中的东北、华北、西北等地方，这些地方的石油资源丰富，西部地区多沙漠、隔壁，东部地区石油资源主要集中在平原，井场宽广，井距近，有利于钻机整体搬移，可以减少钻机拆卸时间，从而减低钻井的生产成本。随着计算机技术、变频技术、液压技术、控制技术和人工智能技术在石油开采工艺中的应用，钻井的机械化、自动化、智能化水平不断提高。目前，国内常见的拖车式移运装置、步进式移运装置、滑移式整体移动装置以及轮轨式移运装置，这些移运装置无法实现整机整体移动，且适合小区域钻从式井作业。因此，我国还需要进一步研发大型钻井整机移运装置，提高移运装置的工作效率和工作范围。

1 几种常见的钻机移运装置

（1）拖车式移运装置。拖车式移运装置利用拖车牵引装置将底座和井架运输到工作场地，这种类型的移运装置需要在钻机底座上安装承载升降系统、承载轮滑、鹅颈等附件，在移运过程中，升降系统托起底座，并安装承载轮轴，牵引车的牵引拖台连接底座上的鹅颈将其移运到钻机底座。井架移运时，将井架水平放置以后，安装滑动系统托架，并固定在游车上，天车尾部的前托架和牵引车连接，牵引车牵引整个底座和井架到规定位置。但是，这种拖车式移运装置在移运过程中，托架、牵引车、底座不容易对接好，运输过程中，无法实现转弯。

（2）步进式移运装置。步进式移运装置是在钻机底座安装4 个角液压系统的移动装置，井架竖直方向的顶升液压系统伸长将钻机整体抬升到一定高度，平移液压系统则沿着水平方向移动移运车在轨道上移动，移动到指定位置以后，顶升液压排放压力，钻机自动落下，平移液压系统则缩回到原来的位置，导轨恢复到原来初始状态。这样一个过程为一个步进，在钻机移运过程中，需要多次循环数步进才能完成移运工作目标。这种移运方式，对平移和顶升的距离、角度要求比较高。随着石油工业的发展，越来越多的石油企业加大对钻机移运装置的研究，第四石油机械厂研发的步进式钻机将操作旋转杆改为液压杆推动转向装置移动，极大地提高了移运装置工作效率，缩短了建井周期。

（3）滑移式整体移运装置。滑移式整体移运装置主要由组合式滑轨和液压平移装置构成，钻机底部两侧滑移轨道上设置了距离相同的矩形槽，两个移动液压缸活塞伸长或者缩回时，则棘爪被推入到导轨的矩形槽并卡住槽位，油缸收缩或伸长时则带动整个钻机整体在轨道上移动。在移动过程中，如果需要改变方向，只需要转变棘爪的方向。这种移运装置不需要升降设备，滑轨与地面充分接触，对地面的要求比较低。但是由于导轨接触面安装了棘爪槽，则一定程度上降低了导轨的承载重量。

（4）轮轨式移运装置。轮轨式移运装置则是在滑移式移运装置的基础上，将滑动摩擦转为滚动摩擦，通过液压缸推滑轮向轨道平移。钻机移运时，利用底座四个角的8 个升降油缸将钻机整体提升2m，然后拆除底座和轨道两侧的锁紧装置和垫片，上升油缸泄完压力以后，车轮和轨道接触，移动油缸推动钻机沿着导轨平移一个油缸行程。然后，取下油缸和轨道的连接销轴，则油缸液压系统回缩到下一个轨道的步进孔，将其连接销轴则完成一个步进工作。连续循环直到钻机移动到新的钻井位。这种轮轨式移运装置的移运效率比较高，移运时间比较少，降低了工作量。但是，这种移运装置无法放置在井架底座，且只能单方向前后移动，存在一定的缺陷。因此，需要进一步完善钻机整体移运装置的工作效率，提高移运装置的自动化水平和灵活度。

2 石油钻机整机移运装置的设计

（1）移运装置整体设计思路。整机移运装置主要满足7000m 石油钻机开采和勘探工作要求，移运装置采用步进式平移方式，也就是在钻机的左右基座安装平移装置支撑座，需要平移作业时，则只需要将钻机主体用四套平移装置提升液压缸，在自动行走机构的作用下，带动钻机向前或者向后移动到指定位置以后，刹车系统拉动制动器，然后收缩液压油缸，将钻机移动指定位置。钻机绞车、转盘、钻井泵采用交流变频电传动全数字控制，确保整个钻机的自动化控制。钻机电力控制系统采用PLC 技术控制，并在顶部驱动装置、输管机、钻井泵等设备之间设置安全逻辑互锁装置和逻辑故障诊断设备，提高整个钻机操作的安全性。

（2）设备基本技术参数。钻机深度为7000m，最大静钩载重为4500kN，井架底座直立轮式移运质量为850t，井架底座移运质量为970t，钻井液步进移动质量为720t，液压系统额定压力为21MPa，顶升油缸单点最大顶升力为3000kN，移动速度为112.5mm/min，高位猫道移运质量为68t。

（3）主机模块设计。为了减少钻机整体移运过程中的拆卸时间，钻机采用大模块设计，井架、底座以及上部装置为主机模块，主机模块配套步进和轮轨式移运装置，根据具体作业环境，采用移运方式。井作业时，井架底座处于直立状态下可直接带动钻柱移动；长距离钻井移运时，则井架和底座可采取直立拖挂运输。主机模块步进装置安装4 个角点，由举升油缸、步进油缸、定向装置、滚子总成构成，移运时，根据目标方向设置好定向装置的方向，然后通过举升油缸顶起移运模块，步进油缸推动移运模块前进到下一个步进位置，举升油缸回落到原来位置，步进油缸缩回到液压系统，并将移运靴归位，进入下一个步进循环工作。

（4）钻井液模块设计。钻井泵、吸入罐、振动筛罐则安装在钻井液模块上，并安装步进和轮轨式移运装置。井作业时，钻井液的载荷跟进主机移运情况变化，减少了拆卸工作量，但是一定程度上增加了钻井液模块的面积，步进移运钻井液的模块面积为28.2×20.4×13.4（m），钻井模块面积太大，影响到长距离轮式运输，在运输过程中，可能出现转弯困难，增加整体轮式移运质量，影响到整个钻井液模块的移运速度。因此，考虑到长距离运输，将钻井液模块拆分为钻井液罐单元和钻井泵单元，并将两个单元分别安装在步进移运装置上、下升降系统，不需要大型吊装设备，可以实现升降系统快速对接，从而实现钻井液模块快速安装和拆卸，提高整个移运速度和工作效率。

（5）高位猫道设计。在钻井作业时，需要为钻机移运预留一定的空间，让移运装置可以同步主机移运到指定位置。因此移运装置设计了拖挂式高位猫道，高度为5m，宽度为9.7m，并配备抓管机和输管机。

高位猫道的轮轴设计为全转向，可以实现横向、纵向、斜向任意角转变，主机模块前进或者后退时，高位猫道可与主机系统连接，实现同步移运。如果钻机需要长距离运输，则高位猫道主管机和输管机拖挂主机整体移运。

3 结语

综上所述，通过对钻机整机移运装置结构进行分析，采用模块设计，可以提高整个移运装置的灵活性，并利用PLC控制系统，对钻机移运装置进行控制，降低工人的工作量，提高移运装置的灵活性。