2250DBG低温轨道钻井装备的研制.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 1期 钻井技术与装备 Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G低 温轨道钻 井装备 的研制 李鸿涛 陶平安 王志 忠 1 ．南阳二机石 油装备 集团有 限公 司 黄海龙 赵 辉 王 东 2 ．河南石油工程有限公司井下作业公司 摘要 为满足俄罗斯油气田丛式井低温钻 井作 业的需求，研制 了Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G轨道钻井装 备。该钻井装备主要 由轮轨式移运装置、底座、井架、钻 井液净化系统、机泵组 、控制 系统 以及 井口工具等组成。整套装备和附属设备安装于交互式可续接 的专用轨道上，通过装备 自身液压动 力驱动，按照设定 的方向整体沿轨道滚动平移，实现作 业区内丛式井的钻井作 业。该装备利用工 业 网电动力 ，经交流变频驱动绞车、转盘、钻井泵和顶驱 系统，其井架及底座均配套液压 机械 式专用调平机构 ，确保钻机工作 时井 口对中。钻机适用于 一 4 5 c C低温作业，与常规拖拉式和 步进 式钻机相 比，其移位速度更快、工作效率更高。 关键词 丛式井钻井；轨道钻井装备 ；轮轨式移运装置；低 温钻机 中图分类号 T E 9 2 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 1 6 De v e l o p me n t o f Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 DBG Lo w t e mp e r a t u r e Tr a c k Dr i l l i n g Ri g Li Ho n g t a o Ta o Pi ng’ a n W a n g Zh i z h o n g Hu a ng Ha i l o n g Z ha o Hu i W a n g Do n g 1 ． R G P e t r o m a c h i n e r y G r o u p C o ． ，L t d ． ；2 ． D o w n h o l e O p e r a t i o n C o m p a n y ，H e n a n P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o m p a n y Ab s t r a c t F o r l o w t e mp e r a t u r e d r i l l i n g o f c l u s t e r we l l i n Ru s s i a n o i l ／ g a s fi e l d s ，Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 DB G t r a c k d ri l l i n g r i g i s d e v e l o p e d ．I t ma i n l y c o n s i s t s o f t h e wh e e l t r a c k t y pe t r a n s p o r t a t i o n d e v i c e， s u bs t r u c t ur e， ma s t ， mud p u r i fi c a t i o n s y s t e m，p u mp u n i t ，c o n t r o l s y s t e m a n d w e l l h e a d t o o l s ． T h e d r i l l i n g r i g a n d a c c e s s o r i e s a r e i n s t a l l e d o n t h e s p e c i a l i n t e r a c t i v e a n d c o n n e c t a bl e t r a c k， a n d c a n b e mo v e d a s a wh o l e a l o n g t h e d e s i g n e d d i r e c t i o n a s d r i v e n b y t h e i r o wn h y d r a u l i c p o we r t o t h e w e l l s i t e f o r t h e c l u s t e r we l l d r i l l i n g ． T h e d r a w wo r k s ，r o t a r y t a b l e ，mu d p u mp a n d t o p d ri v e s y s t e m a r e d r i v e n b y t h e p o we r fr o m i n d u s t r i a l g r i d t h r o u g h t h e AC fre q u e n c y c o n v e r s i o n，a n d t h e h y d r a u l i e a n d me c ha n i c a l l e v e l i n g me c h a n i s m i s e q u i p p e d o n t he d e i c k a n d s u bs t ru c t ur e， t o e n s u r e t he a l i g n me n t o f t h e w e l l h e a d d u r i n g wo r k i n g o f t h e d r i l l i n g r i g ． I t i s s u i t a b l e f o r o p e r a t i o n s u n d e r t e mp e r a t u r e o f一4 5℃ ．a n d i t i s f a s t e r a n d mo r e e ffi c i e n t t h a n c o n v e n t i o n a l d r a g a n d s t e p pe r r i g s ． Ke y wo r d s c l u s t e r we l l d ril l i n g；t r a c k d ril l i n g r i g；wh e e l t r a c k t y pe t r a n s p o r t a t i o n d e v i c e；l o w t e mp e r a t u r e r i g 0 引 言 轨道钻井装备起源于俄罗斯 ，是为适应低温和 山地条件的丛式井施工需求而生产的特种钻机。 常规钻机为满足丛式井作业 ，通常采用整体拖 拉式或液压缸步进式 的方法 ，来实现钻机井位问的 移动。这 2种移动方式的不足是 只能移动井架和 底座等模块 ，与钻井配套 的其他设备则需要采用 吊 车和运输车进行短距离搬迁装运。采用整体拖动的 办法 ，需要多台拖动机械在前面拖拉 ，在很大的井 场才能够实施 。采用液压缸步进方式 ，由于步进装 置与地面的接触面积较小 ，而钻机的质量很大 ，所 以对地面基础有较高的承压要求。 轨道钻井装备和附属设备安装于交互式可续接 的专用轨道上 ，通过钻机 自身液压动力驱动。整套 钻机换井位时无须拆 装 ，可 以实现一体 化整体移 位 ，大大提高 移位效率 ，节 省钻井 准备 时间。同 时，轨道钻机整体式轨道与地面接触面积大，因而 能够在松软无基础的地面上完成设备整体平移 。 国际市场上 ，俄罗斯是最早进行轨道钻机研制 的国家 ，乌拉尔机械一 钻井设备有 限责任公 司为各 2 0 1 4年 第4 2卷 第 l 】 期 李鸿涛等Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G低温轨道钻井装备的研制 一 6 5一 制造商中的佼佼者 ，但其在控制系统方面技术稍落 后。该公 司的乌拉尔机 械 3 9 0 0 ／ 2 2 5 KB M 型钻 机的设 计 非常 成功 ，国外 很 多公 司纷纷 仿制 J 。 我国部分大型钻机制造厂家也研制 了类似结构的钻 机 ，先后有多套装备 出口俄罗斯。 2 0 1 4年 4月 ，南 阳二机石 油装备 集 团有 限公 司成功研制 了 Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G轨道钻井装 备。 该钻井装备采用交流变频 电驱动 ，操作方便 、效率 高 、自动化程度高 ，能满足俄罗斯高寒 区域的丛式 井作业要求 。 盥 边 盘 式 刹 查 a ．绞车 离合器 1 技术分析 1 ． 1 总体方案及工作原理 Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G低温轨道钻井装备采用单独驱 动传动形式 ，绞车 、转盘和钻井泵分别配备 1台变 频 电机单独驱动。钻机使用 6 k V工业 网电作为动 力 ，经变压器降压后通过 V F D变频单元变为可调 频率交流电，分别驱动绞车、转盘和钻井泵。其传 动原理如图 1所示 。 P 7 O O 离合器 b ． 转盘 图 1 传动原理 图 c ． 钻井泵 F i g ． 1 T r a n s mi s s i o n p r i n c i p l e 绞车由 1台 8 6 0 k w 的交流变频电机驱动。动 成 ，用来布置 、支承和固定井架 、绞车和各种功能 力经联轴器输入齿轮减速器输入轴 ，再经二级齿轮 房等 ；顶层为钻台部分 。 减速后传给滚筒轴。绞车可通过交流变频控制系统 I ． 3 主要技术参数[ 2 实现无级调速 ，齿轮减速器换挡通过 电控阀岛系统 名义钻井深度 4 0 0 0 m 1 1 4 ． 3 mm钻杆 ； 实现。绞车还可 由自动送钻电机驱动 ，进行 自动钻 最大钩载 2 2 5 0 k N； 井，从而把司钻从繁重的劳动中解脱出来。 井架高度 4 5 m 净空高 ； P 7 0 0转盘由 1台 8 6 0 k W 交流变频电机直接驱 游动系统 5 6 ； 动 、无级调速 ，同时可实现过扭矩保护。在电机轴 绞车功率 7 4 6 k W； 端装有气胎离合器惯刹 ，可实现转盘制动。转盘 的 转盘通径 7 0 0 m l T l ； 转速可根据钻井工艺的要求 ，通过手动调节电机转 钻台面高度 9 m； 速来调节 ，以获得理想的转速和扭矩。 钻井泵功率及台数 7 4 6 k W 2 ； 钻机共配备 2套机泵组 ，泵组 中钻井泵均采用 钻井液罐容积 3 2 0 i n 单独驱动 ，传动路线为 8 6 0 k W 电机 十胶带轮 联 轨道跨距 1 0 m； 组窄 V带 F 1 0 0 0钻井泵。 液缸推力／ 拉力1 7 0 0 ／ 1 0 0 0 k N； 1 ． 2 结构 液压系统压力 1 6 MP a ； Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G低温轨道钻井装备如图 2所示 ， 无立根无钩载风速 4 7 ． 8 m ／ s 主要 由轮轨式移运装置、底座 、井架、钻井液净化 满立根无钩载风速 3 6 ． 0 m ／ s ； 系统 、机泵组、控制系统 、保温棚 以及井 口工具等 适用环境温度 ～ 4 5～ 4 5℃ 。 组成 。装备主机部分底部有轮轨式移动装置 ，配套 1 ． 4 技术特点 设备均安装在轮轨式移运平台上。通过步行装置驱 1 钻井装备可 以在无基础地面上直接安装 ， 动轮轨式移运装置，使钻机按照设定的方向整体沿 主机有调平机构可随时调整钻台水平度，底座下部 轨道滚动平移 。底座分为 3层 底层是主机轮轨式 空间能满足装备移动时通过井 口装置 ，可以实现边 移动装置；中间层主要由主梁 、悬臂梁和铺 台等组 钻井边采油 。 一 6 6一 石油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 l 1 期 2 钻机采取 网电拖动 ，采 用谐 波抑制和功 率补偿技术 ，功率因数高 ，节能环保 。 3 绞 车为单 轴两 挡齿 轮传 动 ，无 级 调速 ， 提升速度大 、效率高 ，主刹车为电机能耗制动，辅 助刹 车为 液 压 盘式 刹 车 ，配独 立 电机 自动送 钻 装置。 4 转盘采用 交流变频 电机独 立驱动。转 盘 Z 电机通过传动轴直接驱动转盘，简化了传动 环节 。 转盘 的转速和扭矩通过调节电机转速来实现。 5 钻井泵采用单台交流变频 电机驱动。 6 采用低 温材料及技术 ，满足 一 4 5～ 4 5℃ 正常工作 ，最低存储温度 一 6 0℃。 7 配加热器和保 温设 施 ，满 足钻机在低 温 环境下运行和人员正常工作需要 。 Z a ． 立 面团 b ． 平面布置圈 1 一井架 ；2 一 防风棚 ；3 一步行装置 ；4 一底座 ；5 一保温房 ；6 一平衡销 ；7 一平衡梁 ；8 一车轮 ； 9 _ _ 控 制系统 ； 1 O 一 移运 平 台 ； 1 1 一 导轨 总成 ； 1 2 一 绞 车 ； 1 3 一 钻 井液 净化 系统 ； 1 4 一 机 泵组 。 图 2结构示意 图 Fi g ． 2 S t r u c t ur a l di a g r a m 2 技术创新点 2 ． 1 钻机主机轮轨式移动装置 钻机 主机移动装置 由双车轮组 和步行 装置组 成 。双车轮组安装 在底座主 承载梁 四角 ，对 称分 布。双车轮组 由平衡梁 、平衡销 和 2个车轮组成。 平衡梁可绕平衡销旋转 ，在导轨面不平时 ，可以保 证双车轮受力均匀 。 步行装置包括液压油缸和油缸支座 ，油缸支座 用承载销安装在交互式可续接的导轨步进孔内，液 压油缸与底座相连 ，可推动钻机及移运平 台整体沿 轨道滚动平移 ，步行间距为 l m。 2 ． 2 配套设备轮轨式整体移运平台 移运平 台由多个车轮橇 和连接架组成 ，下部有 多组单车轮，随底座一起沿轨道滚动平移。平台为 单层结构 ，根据其上设备尺寸及质量 ，合理布置单 车轮橇的间距。相对 2 层或多层结构的平台，该平 2 0 1 4年 第4 2卷 第 1 1期 李鸿涛等Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G低温轨道钻井装备的研制 台减轻质量近 5 0 t ，不仅大大节约 了低温钢材 ， 提高了平台安装 、组对的效率 。 2 ． 3 底座液压 机械式调平机构 还 2 ． 5 分体式绞车、机泵组 底座液压 机械式调平机构如图 3所示 。当钻 机基础不平时 ，使用安装于底座四角外侧的 8个调 平液缸 ，抬高底座进行调平 ，液缸可单个动作 ，也 可联动。然后旋下均布在底座 四角的 1 6个机械支 腿 ，支撑底座 ，缩 回调平液缸 ，使机械支腿承受钻 机的重力和工作载荷 。 1 一 底座 ；2 一调 平液缸 ；3 一机械支 腿 ； 4 一 液 缸 支 座 ； 5 一 支 腿 支 座 。 图 3 底座液压 机械式调平机构 Fi g ． 3 Hy dr a ul i cme c h a ni c a l l e v e l i n g me c h a ni s m o n t h e s u bs t r uc t u r e 相 比使用垫片和支撑架调平钻机的结构 ，底座 液压 机械式调平机构可快速调 整钻 台各 方位高 低 ，使钻 台面恢复水 平 ，可 以实现底座水 平 的微 调 ，调整过程 中不影响钻机正常工作 ，提高 了钻机 安全 性 能 。 2 ． 4井架液压 机械式调平机构 井架也配备液压 机械式调 平机构 ，见 图 4 。 使用缓冲液缸快速调整井架与井 口的前、后对 中，再 使用十字头丝杠、调节丝杠实现井架对中微调。丝杠 调平井架后 ，U形螺栓副锁紧 ，完成井架的调整。 1 一 井架下体 ；2 一 十字头丝杠 ；3 一u形螺栓 副 ；4 一 缓 冲液缸 ； 5 一 人字 架 ； 6 一调 节丝杠 ； 7 一 丝杠 支座 。 图4井架液压 机械式调平机构 Fi g ． 4 Hy dr a ul i cme c h a ni c a l l e v e l i n g me c h a n i s m o n t h e d e r r i c k 绞车包含绞车主体 、两挡减速箱 、绞车 电机 、 自动送钻 电机及其减速箱 、底橇等部件。整体式绞 车质量达 4 0 t ，远超用户要求的单个模块小于2 5 t 。 为此将绞车做成分体式 ，动力部件单独成橇 ，再与 绞车和底橇模块连接 ，有效地解决了整体式绞车的 运输超重问题 。同样 ，将机泵组 的电机与钻井泵分 成 2个橇 ，解决了机泵组运输超重的问题 。 2 ． 6 转盘、绞车 V F D和钻井泵 V F D分区控制技术 采用把绞车、转盘 V F D房和钻井泵 V F D房分 开就近放置方式 ，控制更精确 。转盘和绞车距离钻 井泵 5 0多米 ，如果从同一 V F D房供 电，动力 电缆 过长 ，电力损耗较大 ，而且控制电缆过长 ，信号衰 减 、干扰增多，不利于电机功率精确控制 。把 1 套 V F D房放 在转盘 和绞 车附近，1套 V F D房放在钻 井泵附近 ，可以减少动力 电缆 电力损耗和控制电缆 信号衰减。 2 ． 7 低温材料及局部供热保暖防护双重模式 要保证钻机能在 一 4 5℃的低温环境下正常工 作 ，材料选择是关键 。如果全部选用耐低温材料来 制造低温钻机 ，则会大幅度提高钻机的成本 J 。 对于主要承载件和关系人身安全的零部件均应采用 耐低温 的材料_ 6 j ，例 如井 架 、底 座转 盘 承载 梁、 移运平 台主梁及提升系统等主要受力构件 ，并且设 计足够 的安全系数。 此外 ，钻机配备了保温和局部供热系统 。钻台 面四周设置密闭防风棚 ，底座 、固控系统及机泵组 均安装有可拆式 活动保 温房 ，二层 台设 独立取 暖 房 ，房 内部设置蒸汽加热管线 ，油箱等采用 自动恒 温电加热控制装置 。通过以上措施对主要设备进行 保温 ，改善操作人员的工作环境。 电缆 、插接件 、电器元件以及灯具等满足低温 环境下正常工作要求 ，液压油选用满足低温地 区野 外液压设备工作的液压油。这些部件 以及材料的选 用确保 了整机部件在低温环境下能够正常使用 ，同 时还保证部件在低温环境下长距离运输时不发生损 坏 3 试 验与应 用前景分析 3 ． 1 有 限元分 析 利用有 限元分 析软件 A N S Y S ，按 照 A P I S p e c 4 F第 4版规范要 求 ，对钻机各工况进行计算与分 析 。经计算 ，井架及底座构件长细 比 L R R值最 大 分别为 1 4 0 ． 2和 1 2 0 ． 6 ，均小于 A I S C 3 3 5规范要求 一 6 8一 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第 l l 期 的受压 构件允许 长细 比 2 0 0，而稳 定性判 别 系数 U C R值均小于 1 ． 0，符合规范要求 J 。 3 ． 2整机试验 在南阳二机石油装备 集团有限公司试验场 进行了整机试验，以验证系统各部件的功能和性能 ， 保证各部件满足有关行业标准和制造商的规范。 3 ． 2 ． I 整机主要部件 、分系统功能及性能调试 例如对绞车主滚筒 、钻井泵 、转盘、减速器等 分别进行 了台架跑合试验 ；对绞车 、转 盘传动装 置 、机泵组及其相关 附件分别进行运转 、制动等相 关性能调试 ，对钻井液循环管汇 、钻井液净化系统 等进行压力 、密封及净化设备的功能试验 ；对 电控 系统 P L C、司钻控制 台和司泵台等进行 功能测试 ， 验证其画面显示 、通信 、操作及控制等功能 ；对钻 机移动装置进行了双向移动试验 ，保证无卡阻 ，液 压控制系统正常。 3 ． 2 ． 2整机 联 动试验 在钻井泵并泵运转试验条件下 ，启动其他辅助 设备 ，将所有试验设备 的总功率提升到钻机配备总 功率的 7 0 ％左 右，连续运行 4 h ，测试变压器组 、 V F D、 MC C的持续工作能力。使转盘、绞车同时运 转 ，验证其在高负载状态下相互之 间是否有影 响， 游车在运行到上 、下限时停车是否准确 ，刹车是否 可靠。确认转盘及绞车的加速、减速及刹车，测试 各项操作的稳定性和控制的准确性。 3 ． 2 ． 3 井架起升应力测试和整机载荷试验 井架连续起升过程中，测得其最大应力为 1 1 4 MP a 。整机载荷试验采用大钩拉 固定式地锚的方式 进行 ，大钩载荷数值 由指重表 直接读 出 j ，测得 最大应力值为 1 7 0 MP a 。井架立柱 、天车和底座材 料的屈服强度为 3 4 5 MP a ，各结构的安全 系数均大 于 A P I S p e c 4 F规范要求 的 1 ． 6 7 。测试 结果 表明 ， 钻机的设计满足 A P I 相关规范的要求。 3 ． 3 应 用前景 该钻机性能先进 ，满足俄罗斯 、加拿大等极地 低温地区丛式井作业需求 ，也可 以做成 常温钻机 ， 应用于其他非低温地区。 轨道钻机在俄罗斯市场认可程度很高 ，俄罗斯 某石油公司 2 0 1 3年在南 阳二机石油装备 集 团 有限公司采购了 4台 Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G轨道钻机。预 计到 2 0 1 5年，俄 罗斯市场取消钻机成套设备关税 后 ，其对该类型钻机的需求量更大。 4 结 论 1 Z J 4 0 ／ 2 2 5 0 D B G低温轨道钻井装备主 电机 全部采用交流变频电驱动 ，技术水平达到国际同类 产品的先进水平 ，能够完成丛式井开发 ，适合俄罗 斯下一步西伯利亚页岩油的大规模开采作业 ，具有 极强的竞争优势和广 阔的市场前景 。 2 轨道钻井装备为丛式井作业 提供 了更好 的方式 ，与国内常规拖拉式和步进式钻机相 比，其 移位速度更快 、工作效率更高。 3 该钻井装备 的研 制成功 ，为整套装备 低 温设计积累了经验 ，也可为类似设备 的设计和使用 提供借鉴。 参考文献 辛勤，明海会 ．俄罗斯钻井市场蕴藏商机 [ J ]．石 油与装备，2 0 0 9 3 8 8 8 9 ． 王进全 ，龚 惠娟 ，范 亚 民 ，等 ． G B ／ T 2 3 5 0 52 0 0 9 石油钻机及修井机 [ s ]．北京 中国标准出版社 ， 2 0 09． 张振勇 ．火车式钻机整体移运系统的研制 [ J ]．石 油机械，2 0 1 2， 4 0 9 4 5 4 8 ． 张东涛，秦晓峰，廖 昌建，等 ． Z J 5 0 ／ 3 1 5 0 D B型低 温石油钻机设计 [ J ]．石油矿场机械 ，2 0 0 9，3 8 9 8 4 8 7 ． 汪金桃 ．低温钻机金属材料性能与工艺研究 [ J ]． 石油机械 ，2 0 0 8 ，3 6 9 1 1 7 1 2 0 ． 王进全 ，王维旭 ．国外钻机技 术现状 及我 国发 展战 略 [ J ]．石油机械 ，2 0 1 1 ，3 9 6 6 56 9 ． 余利军 ，洪鹤云，张军帅 ． Z J 3 0 D B X斜井钻机研制 [ J ]．石油机械，2 0 1 3 ，4 1 8 2 3 2 7 ． AP I ． AP I S p e c 4 F -- S p e c i fi c a t i o n f o r Dr i l l i n g a n d W e l l S e r v i c i n g S t r u c t u r e s 『 S1． 4 t h e d ． 2 0 1 3 ． 刘 俭 ．自升式 多 功 能平 台 5 0 0 0 In海 洋 钻 机 设 计 [ J ]． 石油机械 ，2 0 1 1 ，3 9 5 4 5 4 8 ． 第一作者简介李鸿涛，高级工程师，生于 1 9 7 2年， 1 9 9 4年毕业于江汉石油学院，现从事石油机械设计与制造 工作。地 址 4 7 3 0 0 6河 南 省 南 阳 市。电话 0 3 7 7 6 3 57 7 07 0。 收稿 日期 2 0 1 4 0 8一l 1 本文编辑谢守平 ] ] ] ] ] ] ] ] ] l卜_