3 000 m快移快装钻机创新技术及应用

李联中 李晓明 王正涛 刘兴邦

(1.中石化胜利工程物装中心 2.兰州兰石石油装备工程股份有限公司)

0 引 言

胜利油田油水井主要以浅井、中深井为主，平均深度约2 100 m，适合采用3 000 m钻机施工作业[1]。国内3 000 m钻机以大庆型钻机或ZJ32钻机为主，设备普遍老旧、外形笨重、结构零散[2]，近年新研制的ZJ30钻机模块化程度也不高，搬迁拆卸和移运安装耗时。关于3 000 m快速移运钻机，我国在车装钻机和拖挂式钻机方面做了大量研究，相关厂家[3]开发了ZJ30DBT拖挂钻机及ZJ30/1700CZ车装钻机。虽取得了开创性的成果，但也存在一些问题：主机偏重，半拖挂车承载能力略显不足；部分部件仍沿用常规设计，搬迁和安装不便；运输时需抽取钻井绳并拆除游吊系统，与常规钻机相比并不快捷。此外，小型钻机采用拖挂或车装方案，虽然快速移运性能得到提高，但定制车体部分投资较大。一些拖挂钻机因井架或底座使用拖车整拖尺寸与质量都很大，适合在宽敞的沙漠环境中短距离移运，公路运输需拆成散件，丧失了快速移运性。结构设计重点关注快速移运而忽视了快速拆卸与安装。

针对上述问题，笔者研发了一种液压起升下放的3 000 m快移快装钻机。该钻机不采用拖挂或车装方案，而是充分考虑油田运输条件和车辆运输能力并保证钻机整体性能可靠、先进，在关键配套件上做了大量技术创新，简化机械结构并将钻机主体拆分成尽量大的独立模块，模块之间采用快速组合与拆分技术，减小钻机拆卸安装和运输工作量，提高快速拆装和移运性能。钻机满足公路运输要求，特别适合公路发达地区的油田使用，也可推广到山区、农田和城市等小井场作业区域用于石油、天然气及地热等钻修井作业。

1 钻机总体方案

3 000 m快移快装钻机由钻台区、固控区、油罐区、泵房区和动力区组成，总体平面布局如图1所示。动力系统由3台带并机模块的COMLER 500 kW发电机组构成。该发电机组发出600 V、50 Hz的交流电经VFD变为频率可调的交流电，分别驱动绞车、转盘和钻井泵电机。这种配置方式既能满足钻井工况需要，又极大地节省了动力设备的购置成本，也使钻机的运营更加经济高效。另外，钻机配置了网电接口及相应的处理模块，故可采用全网电拖动。由于采用交流变频控制技术，所以绞车、转盘和钻井泵可无级调速，启动平稳，载荷能自适应均衡分配，满足钻井工艺要求，具有机械钻机或直流电动钻机无可比拟的优势[4-5]。

1—自动猫道机；2—集成化偏房；3—快装双升式底座；4—整体式单轴绞车；5—钻机动力系统；6—钻井泵；7—固控系统。图1 钻机平面布局示意图Fig.1 Schematic layout of drilling rig

绞车为整体式单轴结构，由1台700 kW电机驱动，配37 kW应急电机；润滑系统采用双电动润滑油泵，一备一用；主刹车为电机能耗制动，辅助刹车为伊顿风冷常闭式刹车；绞车后台低位安装，不占用钻台面空间，底座起升载荷大幅减小。

转盘由1台400 kW电机驱动，以气胎离合器作惯性刹车，配一挡齿轮箱以降低转速、增大扭矩。齿轮箱正下方钻机底座内设有1个300 L油箱与齿轮箱润滑管路连通，由 1 台 2 kW油泵实现齿轮箱与油箱之间的油液循环，保证齿轮箱润滑良好。油箱呈扁平状，散热面积大，油液在流动过程中自然对流冷却，无需外接散热风扇或水冷装置。2台钻井泵组各由1台1 000 kW电机驱动。

配全新型前开口套装升缩式井架和快装双升式底座，使用液缸起升下放，不借助绞车动力，无需人字架。井架、底座共用一套起升液缸起放，整体结构简单轻便、投资成本较低。

选用集成化偏房，将传统的司钻房集成在左偏房底橇上，司钻远离井口并且视野开阔，房内尺寸不受限于钻台面，空间宽敞，在特殊工况下可以容纳多人。房内集成了机电液一体化、可视化的控制及通信系统，配备人机界面可实现司钻对钻机的全面监控。

由于国内钻机钻柱输送多采用传统的猫道，需人力作业，劳动强度大、危险性高[6]，所以3 000 m快移快装钻机配置了自动猫道机，以提高钻机自动化程度、管具输送效率和安全性。

钻机主要技术指标：名义钻深范围ø114.3 mm钻杆1 600～3 000 m，最大钩载1 700 kN，绞车额定功率700 kW，绞车挡数1+1R，转盘挡数1+1R，井架有效高度34.5 m，钻台高度6.0 m，净空高度4.8 m，游动系统采用5×6，钢丝绳直径29 mm。

2 创新技术与指标

2.1 新型井架

因井架需承受很大的载荷，所以必须具有足够的强度、刚度和整体稳定性，应综合考虑高度、载荷、结构型式、材料以及截面形状等[7]。新型井架为顶、中、底三段式直立无绷绳、前开口、套装伸缩式结构，所用型材全部为方管，既能保证井架结构强度，又能减轻井架质量。钻机主机立面图如图2所示。

1—天车；2—井架顶段；3—游钩托架；4—游钩；5—井架中段；6—井架底段；7—起升液缸；8—整体式单轴绞车；9—快装双升式底座；10—锁销机构；11—举升液缸。图2 钻机主机立面图Fig.2 Elevation drawing of the main part of drilling rig

顶、中两段为套装伸缩式结构，由1组举升液缸实现顶段连同天车的起降，顶段起升到位后由位于中段顶部四角的4组锁销机构推动4个插销将顶、中两段锁死。锁销机构为液动式，可远程操作，取代了传统伸缩式井架广泛使用的承载机构，安全便捷。底段下部坐落在钻台面上，中段与底段之间采用销连接。运输时，井架分两个单元，每个单元自带运输支腿，无需额外的运输支架。

井架顶段下部设有一游钩托架，中段下部设有盘绳装置。下放井架前将游钩固定在游钩托架上，使用导绳机将绞车上缠绕的钻井绳抽出，活绳头盘在井架盘绳装置上。井架下放后拆除中段与底段之间的连接销，将井架中段、顶段、天车、游钩、举升液缸、钢丝绳及导绳机一车发运，质量尺寸均不超限。下放时天车与游钩之间的游动钢丝绳不抽出，再次起升无需重新穿绳，省时省力。

井架底段为翻转折叠结构，由左、右两个L形结构组成，中间用沿井架高度方向分布的4组(8个)双锥销连接，运输前脱开背部4个销子将井架左、右两片折叠后装车发运，如图3所示。安装前用吊车辅助，折叠的井架在自重作用下自然展开后插好背部4个销子即可。这样既解决了井架底段开裆过大而导致的运输超宽问题，也不会如传统分片井架一般结构零散，拆装费时费力。

1—左片；2—双锥销；3—右片；4—支腿。图3 井架底段俯视图Fig.3 Top view of derrick bottom section

2.2 快装双升式底座

快装双升式底座为平行四边形结构，低位安装，液缸起升。钻台面积9.1 m×7.6 m，转盘梁载荷1 700 kN，立根盒梁最大静载荷900 kN。

底座主体由左、中、右3个便于拆装的大模块组成，如图4所示。左、右两个模块均由上座、下座、中层支腿、伸缩拉杆以及一个起升液缸组成；中间模块由立根盒、转盘及转盘独立驱动装置组成。左、右上座的前、后位置各有一个支座，用于支撑井架。伸缩拉杆用于底座起升后的锁定，使平行四边形机构具备足够的稳定性以承受钻井载荷。

1—下座；2—上座；3—伸缩拉杆；4—井架支座；5—中层支腿。图4 钻机底座结构图Fig.4 Substructure of drilling rig

每个独立模块中的内部组件(如上座、下座以及中层支腿等)首次组装完成后再无需拆卸。3个大模块之间采用卡槽与定位销连接，拆装十分方便，避免了传统钻机零散部件之间销子连接时的繁重操作。运输时每个模块是一个独立的运输单元，运输尺寸、质量均不超限。

转盘梁下部净空高4.8 m，利于安装防喷器和井口钻井液回流管，也有利于固控系统布局和钻井泵吸入[8]。底座前部设有整拖接口，可在短距离内用牵引车将整台钻机拖移到新井位(也可用棘爪式平移机构)，平移过程不需要下放井架底座，为丛式井的施工提供了便利，缩短了建井周期。

2.3 钻机起升与下放

通常，使用液压系统起升、下放的钻机除配备举升液缸外，井架、底座需各配一组液缸分别起放，也有一些钻机的井架使用一组三级液缸起升，底座由4个单级液缸起升，垂直升降[9]。本钻机在结构设计上进行了创新，用一组液缸起升、下放钻机。起升时液缸缸体一端安装在底座下座内，活塞杆一端与井架连接，先将井架由卧倒状态推到直立状态，而后继续伸长液缸，由井架带动底座起升，待底座起升到位后举升液缸将井架顶段和天车从中段顶出，锁销机构锁死顶、中两段。下放过程与之相反。

2.4 整体式单轴绞车

钻机绞车多采用多轴和链条传动结构，体积和质量都很大，而单轴绞车解决了漏油、噪声大、更换链条繁琐等问题，结构简单易于维护[10]。整体式单轴绞车由底座、绞车架、滚筒、齿轮箱、伊顿刹车、防碰装置和电机等组成，是一个独立的运输单元。绞车主电机为交流变频电机，滚筒与主电机之间采用一挡齿轮箱传递动力，绞车可无级调速，无需换挡。另外配有一套37 kW的电机，通过离合器挂合，用于应急。绞车传动原理如图5所示。

1—应急电机；2—离合器；3—齿轮箱；4—主电机；5—滚筒；6—伊顿刹车。图5 绞车传动原理图Fig.5 Power transmission principle of drawworks

齿轮箱安装采用单点悬挂支撑方式：齿轮箱一端悬挂于滚筒轴端，使用胀紧套连接，对中精度高且连接稳定可靠，在超载时可以保护绞车和电机等设备不受损坏。齿轮箱另一端与绞车底座之间单点支撑，易于安装定位。绞车用主电机自动送钻取代传统的小型自动送钻装置，既能满足钻井工况对送钻精度和稳定性的需求，也使绞车结构简单，维护方便，故障率降低。

绞车以能耗制动为主刹车，风冷常闭式伊顿刹车为辅助刹车，无需冷却水循环系统，在钻机断电、断气等意外情况下辅助刹车可自动刹车，保证提升系统不掉钻具，游动系统不砸台面。此外还设置了防碰和互锁等多重保护系统，以提高钻机的容错性，在司钻误操作的情况下能按预设逻辑正常运行，不会引发安全事故。

绞车额定输入功率700 kW，最大快绳拉力220 kN，钢丝绳直径29 mm，滚筒尺寸 (直径×长度)560 mm×1 025 mm，绞车挡数1 正1倒，无级调速，绞车运输尺寸(长×宽×高)：4.2 m×3.1 m×2.5 m，质量17.2 t。

2.5 液压系统

常规液压起升钻机需配备一台机具液压站，一台专门的起升液压站(以柴油机或电机为动力)。3 000 m快移快装钻机仅配置一台液压站，既可起放钻机，也可在钻井过程中驱动井口工具，液压系统原理如图6所示。

图6 液压系统原理图Fig.6 Principle of hydraulic system

液压站采用双变量泵为动力，两泵互为备用，在常规机具液压站的基础上通过模块化的拓展，融合了液缸位移检测、同步数据显示模块、液缸同步模块、多组安全模块以及控制模块，构成钻机升降控制系统。通过远程控制的方式实现钻机的升放，安全性高。同步模块可以自动控制两个起升液缸同步。液缸位移检测与同步数据显示模块可以实时测量、显示两个起升液缸的行程数据。因初始安装误差或载荷不均衡等引起的微小不同步，可以结合液缸行程数据通过同步纠偏调节模块调节某一个液缸以达到同步。安全模块能确保在井架底座起放过程中液压管线意外爆裂或断电动力丢失等情况下的设备安全。液压站安装在集成化的钻台偏房中，随房体运输。

2.6 集成化偏房

集成化偏房共分为3间：前部为液压站间，中间为司钻间，后部为走道间(设置上、下钻台的梯子)。司钻间集成了钻机显示控制系统及其他辅助设施，为司钻提供安全便捷的工作环境。房内电、气、液信号通过房侧的插接面板统一进出房体，既有效规避了液压管线漏油导致的房内污染，也使房内走线规范，易检修。司钻操作台的仪表和开关等做了大量精简优化，剔除冗余，按使用和观察的优先顺序，将操作观察频率高的设备尽量布置在司钻操作最舒适的位置，观察频次低的仪表尽量集成在显示屏中。利用PLC技术和工业网络通信技术对钻机交流变频控制系统、气控系统、仪表系统、通信系统以及视频采集系统进行了改进与集成。将原本零散、相互独立的模块做了统一的梳理和调配。将视频监控、钻井仪表系统与电控系统进行了集成，除大钩悬重、立管压力表因司钻需实时查看保留机械式表头外，钻井泵冲、大钳拉力、游车高度和钻井液容积等参数均集成在电控系统中，在其触摸屏上显示。司钻操作面板上不再保留传统的钻井参数仪、游车数显防碰装置、监控系统键盘以及画面控制器等设备，而是通过触摸屏查看、控制。

由于3 000 m快移快装钻机克服了常规钻机接口较多、配置重复的缺点，所以其电控系统能够实时、准确地获得钻机运行的各项数据，有利于实现各区域的协同管理及各设备的连锁保护，减轻了司钻劳动强度，提高了安全生产可靠性。

3 现场应用

截至目前，3 000 m快移快装钻机已在胜利油田成功应用，平均单台钻机完成约20口井的钻井任务。该钻机在现场应用中体现出以下优点。

3.1 设备运行良好

绞车整体运转平稳，未发现冲击性噪声。风冷式伊顿刹车性能可靠无故障。应急电机能够在绞车主电机或其控制系统故障的情况下长时间活动钻具，有效保证了井下安全。

井架、底座达到钻井载荷要求，使用过程中晃动小，无异常变形。井架、底座起放平稳，起升液缸同步性能良好，举升液缸安全无异常，液压操作系统动作可靠。

钻机控制系统连锁保护功能完善，能够在误操作或发电机故障等意外情况下迅速启动保护程序，有效保护设备不受损伤。

虽然在钻机运行过程中液压系统出现过不同程度的漏油问题，但通过更换密封件或接头等措施均得以解决。

3.2 实现了快速搬家安装，缩短了建井周期

综合各井队的生产数据，运输时钻机主体部分的运输车次(不含猫道、钻具、循环罐及生活设施)比老式ZJ30钻机减少2～3车，共13车：井架、天车连同游吊系统共2车，底座、转盘及其独立驱动装置和起升液缸共3车，集成化偏房1车，绞车、二层台以及台面梯子栏杆等附件2车，发电机房及气源净化设施2车，电控房1车，钻井泵2车。钻机可在6 h内完成钻机主体下放及井场设备的拆卸工作。8 h内组装完成，连接好油、气、电管线并顺利起升。从上一口井完井拆卸开始到下一口井开钻共计2.5 d(不含设备在井场之间的转运时间)，老式ZJ30钻机则需要3.5～4.0 d。如需丛式井作业，可免拆卸快速移动井位，当天即可完成钻机整体平移工作。

3.3 降低了开发成本

3 000 m快移快装钻机在节能降耗和降低开发成本等方面创效明显。与原有的老式ZJ30钻机相比，新钻机井场占地面积4 200 m2，老式ZJ30钻机井场占地面积6 300 m2，节约用地33%；以施工2 000 m井为例，钻机柴油消耗量由30 t降低到25 t，节省燃油16.7%。

4 结 论

(1)3 000 m快移快装钻机采用先进的设计理念，整体性能优异，操作安全可靠；集成了交流变频控制技术、主电机自动送钻技术以及集成显示控制技术，性能先进可靠，契合未来石油钻机发展的趋势。

(2)钻机高度集成化、模块化，模块之间又采用了快速组合与拆分技术，钻机的拆装移运性能突出。

(3)钻机投资及后期运行成本较低，满足3 000 m以内各种油、水井的钻修井作业要求。