出口沙特钻机设计及应用

张虎山，春晨，2，乌买尔·达吾提，侯文辉，2，张革民，2，刘登，李伟

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002）

0 引言

近年来，随着沙特油田区块的大力开发，我国石油钻探企业同时也加大了该地区的钻机出口力度，国内最早出口该地区的钻探企业为中石化中原石油工程公司，后期，中石油大庆石油工程公司、中石化西南石油工程公司、中石化华北石油工程公司、中石化胜利石油工程公司等逐步进入该市场。宝鸡石油机械有限责任公司（以下简称宝石机械）也结合钻探公司需求和沙特阿拉伯国家石油公司（以下简称沙特阿美）标准，定制出口了大批量的5000～9000 m钻机用于沙特地区的作业，其中以7000 m直流电驱动钻机为市场主导。经过多年的不断升级发展、创新研制的加强型ZJ70D钻机已成为该市场的主流产品，形成标准化的配套的定型出口产品，为国内企业进入该市场提供有力支撑[1-6]。

1 技术分析

1.1 加强型ZJ70D钻机总体方案

钻机采用4台CAT3512B柴油发电机组作为主动力，其发出的600 V/50 Hz交流电经SCR柜整流后变为0～750 V直流电，分别驱动绞车、转盘、钻井泵的串励直流电动机；绞车由2台800 kW直流电动机驱动，转盘由1台800 kW直流电动机独立驱动；3台钻井泵分别由2台800 kW直流电动机驱动；同时通过交流变频系统控制独立交流变频电动机实现自动送钻。

1.2 加强型ZJ70D钻机技术参数

名义钻深范围为φ114 mm（4-1/2 in）钻杆；最大钩载为4500 kN；绞车额定功率为1470 kW（2000 hp）；提升系统最大绳数为12；钻井钢丝绳直径为φ38 mm（1-1/2 in）；提升系统滑轮外径为φ1524 mm（60 in）；水龙头中心管通径为φ75 mm；钻井泵型号 及 台 数 为3 ×F -1600HL；转盘开口名义直径为φ952.5 mm（37-1/2 in）；井架型式为前开口型，有效高度为48 m；钻台高度为12 m；动力传动方式为AC-SCR-DC模拟，电传动控制系统采用可控硅控制单元一对二控制，输入电压为600 V/AC，输出电压为0～750 V/DC连续可调，MCC系统供电为600 V/400 V（3相）/220 V（单相），50 Hz；钻井液管汇通经为φ102 mm；固控系统总容积为636 m3。国家标准GB/T 23505-2017《石油天然气工业钻机和修井机》规定了钻机的主要参数（标准型），与沙特阿美出口钻机（加强型）相比，差异性如表1所示。

表1 标准型ZJ70D钻机与加强型ZJ70D钻机主要参数对比

1.3 适用条件

钻机能够在温度-20 ℃～+55 ℃、湿度不大于95%、空载风速不大于38.6 m/s、海拔高度不大于2000 m的沙漠环境下正常工作。

2 关键技术及装备

2.1 钻机功率计算

图1 钻机立面图

钻机在整个钻井过程中功率消耗较大的工况是正常钻井、倒划眼工况。在钻井工况时，绞车不工作，主要负荷是2台F-1600HL钻井泵和ZP375转盘及固控设备、井场照明用电。按照目前钻井工艺的发展，在复杂井时可能遇到一开井眼较大，为提高钻井效率，要求转盘转速、转矩较大，钻井泵的排量也较大。转盘按照满负荷功率，钻井泵按照80%的满负荷考虑，整套钻机的总消耗功率为2880 kW。在倒划眼工况，绞车、转盘、钻井泵、固控系统都参与工作，绞车功率按照提升最大钻柱质量计算，转盘功率按照满满负荷计算，钻井泵按照3台80%负荷计算，总消耗功率为4423 kW。配套CAT3512B柴油发电机组，机组容量为1900 kVA，其功率因数为0.7，柴油发电机组的总功率为1900×0.7×4=5320 kW。因此钻机功率满足要求。

2.2 JC70D绞车

2.2.1 技术方案

JC70D绞车为整体式结构，配置独立的交流变频电动机自动送钻装置。包括绞车架、滚筒轴、输入轴、中间轴、防碰装置、换挡机构、润滑系统、气控系统、交流变频电动机自动送钻装置等，实现一撬式吊装。采用Ⅰ挡+低速离合器、Ⅱ挡+低速离合器、Ⅰ挡+高速离合器、Ⅱ挡+高速离合器4个挡位[7-8]。为了解决挂挡困难，绞车设计有微摆装置，在惯性刹车上通过调整输入轴实现顺利挂挡。主刹车采用双刹车盘，液压盘刹；辅助刹车采用436WCB2伊顿刹车，具有设置报警功能，设置冷却压力和温度的声光报警装置及操作装置，置于司钻控制房，当电子防碰下限预警动作时启动电磁阀控制伊顿刹车。

自动送钻装置由75 kW防爆交流变频异步电动机、减速箱、推盘离合器、轴总成及控制系统等组成。交流变频电动机自动送钻系统可以实现控制钻压、钻速送钻，实现0～72 m/h速度范围内的恒钻压自动送钻，并可以对设定参数进行修改，监控钻进过程的钻压、钻速、游车位置及泵压参数，自动控制游车减速和软停、紧急故障与盘刹刹车连锁等功能，并预防因溜钻、卡钻等可能会造成的相关事故发生；同时可作为应急使用，能够带动绞车上下活动钻具，并能提升最大钻柱质量。自动送钻系统可实现恒钻压、恒钻速、恒泵压、恒转矩等4通道控制。

图2 JC70D整体绞车

2.2.2 滚筒缠绳量的确定

绞车滚筒缠绳量的确定要充分考虑各种工况，主要有钻机起升工况、水龙头钻井作业工况、顶驱钻井作业工况、游车大钩起下钻工况、顶驱起下钻工况，绞车的强度设计按照滚筒最大缠绳在第4层设计。钻机起升后不管在哪种作业工况，游吊系统下止点在钻台面时，滚筒缠绳量要保留10～14圈作为安全缠绳量[7]。绞车滚筒缠绳量如表2所示。

表2 绞车滚筒缠绳量

2.3 JJ585/48-K井架

2.3.1 技术方案

井架按照5850 kN最大钩载设计，为前开口K型井架，分为5段，各段采用单双耳板连接，背梁通过斜拉杆及横梁连接；井架为低位安装的梁式大腿前开口型，井架第5段（与天车连接端）分别设计有2组牵引耳板，用于安装井架前托架，前托架上配φ89 mm牵引销，用于井架运移时与牵引车连接。井架支脚在基座上，井架通过人字架靠绞车动力整体起放；井架立起后，井口前后左右找正均通过增减位于钻台面上井架立柱间的垫片来进行， 该处设计有放置千斤顶的位置。

2.3.2 井架高度的确定

井架高度主要取决于钻机起下钻作业中，游车上行到最高位置时，仍能保证有足够的安全高度。组合方式一：按照游车+大钩+水龙头的组合方式，高度为H1=L游车+L大钩+L吊环+L立根+L安全空间+h操作高度+h操作空间=2685+2278+4480+28000+6000+1200+305=45348 m；组合方式二：按照游车+顶驱的组合方式，H1=L顶驱（含吊环）+L立根+L安全空间+h操作高度+h操作空间=6440+28000+6000+1200+305=41945 mm。而井架高度为48 m，满足各工况作业要求。

2.4 DZ585/10.5-X底座

2.4.1 技术方案

底座按照5850 kN最大钩载设计，立根载荷4000 kN，为一次起升旋升结构，能满足在低位方便装160 t BOP吊装移动装置的要求。采用双鼠洞设计，满足铁钻工和大钳两种工况下的钻杆上卸扣。钻台后侧气罐支架内安装1个4 m3和1个0.5 m3储气罐，为了保证钻台设备用气不影响绞车控制用气，0.5 m3储气罐单独用于绞车控制，4 m3储气罐用于气动绞车等钻台设备用气。左基座设1个1 m3储气罐，从气源房独立供气，用于BOP控制独立供气。另外在底座右下基底内设一个气源分配器，用于气动隔膜泵、气动扳手和清洁卫生。

2.4.2 底座高度的确定

底座高度主要取决于组合防喷器的安装空间，7000 m钻机属于深井钻机，典型的防喷器组的配置为环形防喷器（1227 mm）+双闸板防喷器（1450 mm）+单闸板（993 mm）+钻井四通（720 mm）+安装高度（1500 mm）+喇叭口（1800 mm）=7690 mm。而钻机底座净空高位10.5 m，满足安装需求。

2.5 双流程固控系统

固控系统采用五级钻井液的净化流程，混合、吸入流程采用双吸、双排，更为安全、可靠。由9个钻井液罐、2个工业柴油罐、2个工业水罐、2个固井罐和1个计量罐（与绞车强冷水罐一体）及相应配套设备设施组成，罐体尺寸均为15000 mm×3000 mm×2790 mm，底座整体强度满足吊装和自背车移运要求。为便于罐内清砂，所有的钻井液罐吸入管线都采用外置，布置在罐体两侧。并有效结合罐体底座结构，把零排放管线布置在底座内部，采用海底阀式清砂门，可快速清理罐内残留钻井液；混合区采用3 t的大袋料吊装装置，臂长6 m，可同时混配2种不同类型的钻井液材料。

2.6 移运要求

2.6.1 轮式移运

井架整体移运是在井架放倒后，井架和游车（包括钻井大绳、游车、顶驱导轨）整体靠牵引车整体运输。在井架后背梁增设用于悬挂游车的横梁，采用销轴、耳板结构连接到井架上。移运拖座由刚性连接车桥和支撑架等组成。整拖装置额定载荷为125 t，移运离地间隙不低于600 mm，轮胎规格为36.00-51 E4花纹工程轮胎（58层级）。

2.6.2 导轨移运

图3 固控系统、钻井泵、钻井液管汇

在井场丛式井作业时，设计满足150 m的移运要求，包括电缆的转接、钻井液的传输。配钻机滑轨式平移装置实现钻机整体平移，井间距为50 m，移动距离为150 m（4口井）。移运装置满足150 m的移运要求，动力输出和信号传输满足平移150 m距离的作业需要。钻机井架、底座等钻机主体参与整体平移装置向前移动，钻井液泵区、固控区、动力区不参与钻机移运。钻机配置折叠电缆槽、电缆储存架、电缆挂架，随钻机移运电缆展开。为了避开井口采油树，井口后部左右下底座之间的连接架采用三段式结构。最大平移质量为800 t，最大平移速度为0.3 m/min，平移节距为0.5 m，液压系统最大工作压力为21 MPa，移动时允许最大风速为16.5 m/s，轨道高度为430 mm。

图4 导轨平移装置

3 HSE要求

3.1 高低压流体管道防护

所有1 in及以上拆卸空气软管线连接部位加装安全绳，所有拆卸气管线两端要有永久编号标识。钻井液循环管汇工作压力为70 MPa，地面部分、立管采用双管路设计，回流形式采用钻井液汇聚在地面闸阀组用软管接钻井液罐。阀门组阀门采用暗杆式阀门，金属密封结构，采用标准4 in的FIG 1003由壬连接，所有管线有编号和压力级别永久标识。高压软管线连接处应有相应规格的弹簧式安全绳，保险绳管夹，对夹式螺栓连接。

3.2 高空作业安全要求

井架配套安全生命线，在井架低位安装工况，为保证操作人员的安全，每段井架后立柱两端设负荷不小于30 kN可翻倒式立柱，立柱上端设置可穿安全绳的耳板，安全工作载荷值为30 kN，并安装有负荷大于30 kN的钢丝安全绳。

梯子和高于1.2 m的平台要有栏杆，平台栏杆底部有200 mm的踢脚板，在不低于0.7 m处设横档，横档以下设钢板网，栏杆强度要保证在1000 N 的横向拉力下不能弯曲。

3.3 有毒气体监测

为了保证钻井作业的安全，配套有气体检测系统，在钻台下部、喇叭口的上方设有专用平台，用于安装硫化氢设备，可以钻台上能方便的安装、维修和检测。

3.4 高空悬挂二次防护

为防止高空坠落造成安全事故，高处悬吊部件应安装与悬吊耳板相同安全载荷的2道安全防护绳，确保作业安全、人身安全。

3.5 吊装要求

所有的吊装钢丝绳采用插编+挤压钢丝绳方式，且所有吊耳、吊装管、悬挂耳板有额定载荷SWL标识，对应编号有相应的载荷试验报告、探伤等，试验载荷要求如表3所示。

表3 吊点载荷试验要求

图5 井架安全生命线

4 应用情况

4.1 厂内试验

根据标准SY/T 6680-2013《石油钻机和修井机出厂验收规范》要求，在厂内进行了钻机的组装试验；井架、底座的起升下放试验；天车对转盘中心找正检验；转盘进行了2 h的低速挡、中速挡、高速挡试验，以及倒挡试验、惯性刹车试验；绞车进行了2 h的空运转试验，4个挡位下下的绞车排绳试验；游吊系统进行了提升下放试验，上碰下砸试验；固控设备进行了4 h运转试验；钻机整机进行了2 h的联合调试试验，所有设备运行，包括钻井泵、钻井液管汇的带压试验，MCC系统负荷测试等[8]。经过组装调试，验证了设计的合理性，各项逻辑功能正常，温升、噪声在可控范围之内。

4.2 油田应用

截至2021年11月，宝石机械累计出口沙特钻机54套，随国内钻井公司在沙特作业，包括ZJ50D钻机、标准型ZJ70D钻机、加强型ZJ70D钻机、ZJ70DB钻机、ZJ90DB钻机，大批量应用于沙特地区作业。其中，2013年出口沙特钻机数量为7套。出口的各类钻机性能稳定，均已完成多口井的钻井作业。

2021年12月由宝石机械制造的ZJ70D钻机在沙特完成32 h的钻机搬家安装[9]，创造了当地新的记录。同月，ZJ90DB钻机在完成了年进尺198 737 ft（60 590 m），该钻机自2020年6月开钻以来进尺突破7万m，创区块记录16项[10-11]。

5 结论

1）宝石机械经过10余年在沙特市场对钻机的不断摸索、创新，形成了适应该市场的标准化、定型钻机，为国内钻探企业、装备制造企业走向沙特市场提供了有力支撑。

2）沙特阿美对安全的高标准要求体现了该公司对人身安全的高度重视，也是我国出口钻机安全要求的标杆做法。

3）轮式移运、大模块运输实现在油区内、沙漠地区得到广泛应用；井场丛式井作业远距离导轨移运，实现工厂化作业模式，提高了钻井效率。

图6 井架移运