7000 m直立移运后折井架技术研究

陈德刚， 王晓玲， 蔡京儒， 陈昊翔

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

0 引言

在沙漠等具有大片平坦地区钻井时，我国研制的整体直立轮式移运钻机[1-2]已经受到广泛欢迎。这种钻机在换井位时将大部分繁琐的组装工作省去，在井架底座及其上设备不拆卸的状态下，利用大吨位承载轮胎将井架底座及设备整体移运至目标井位，减少了大部分工作量，缩短了钻机在不同井位间作业的周期[3-4]。

在钻机直立移运时，整体高度往往达到60 m左右。移运路线中如果遇到高压输电线或者高架桥梁时则需要绕路，否则需要就地拆解。无法穿过高达60 m左右障碍物的限高缺点极大限制了这种直立移运钻机的应用。因此，研制在直立移运时能降低移运高度的井架迫在眉睫。

通过研究现有井架的成熟结构，其上段本身是一个整体，认为降低井架直立移运高度最好也最简捷的办法是将井架上段向下折叠。由于井架上段与天车的高度为14 m左右，因此折叠上段可以将直立移运高度降低到46 m，大大降低了移运限高，扩大了钻机移运范围。因此本文对折叠上段的方法进行详细讨论研究，并提出完整可行的具体方案。

1 技术分析

1.1 折叠方向

与井架上段关联的设备有天车和钻井绳。如果上段向前折叠，天车背离绞车运动，钻井快绳会在折叠过程中伸长，拉动游车上移，因此在折叠过程中井架会承受额外的钩载。由于钻井绳拉伸运动时与井架结构体发生摩擦，这种额外的钩载还会放大。同时，由于K型井架前口敞开，为了让钻井绳组向前摆动在可控范围内，不脱出绳槽，还需要在上段前立柱上增加横杆挡住钻井绳，折叠后再拆掉横杆，费时费力。而与之相比，如果上段向后折叠，天车向绞车移动，钻井快绳缩短松弛，不会产生额外钩载。如果提前固定游车，钻井绳组基本不会滑移。而下段后立柱处本来就布有横梁，只需稍作改进即可用作挡绳杆。所以上段向后折叠的方式明显更好，如图1所示。

图1 井架上段向前向后折叠对比图

1.2 折叠方式

可以采用目前广泛应用在钻井设备上的液缸驱动上段向后折叠。具体实施方法如下：在井架中上段后侧设置一个操作台，将液缸缸体支脚固定在操作台外侧，将活塞固定在上段合适位置，上段与中上段之间用销轴铰接。当液缸缩短时，带动上段向后绕销轴旋转，达到折叠的目的。

当通过障碍物后，液缸推动上段绕销轴上翻，最终上段达到直立状态。此时，上段前立柱需要与中上段前立柱重新连接，但此处连接点距离地面过高，人工安装不便，因此在连接点设计一种销轴自动拆装装置，使此处的销轴高位自动拆装。

在上段向后折叠时，上段中的钻井绳组会随着上段旋转90°，最终搭在上段与中上段连接的横梁上。将此连接处的两根横梁设计成圆管，减少钢丝绳和横梁的摩擦力，保护钢丝绳组。

而且，上段折叠前后，钢丝绳组会在井口中心线位置前后晃动，上下轻微滑动。游车在整个移运过程中不拆卸，所以会随着钢丝绳组晃动和移动，因此需要将游车固定在井架低位，使其位置不会发生太大变化，以免和结构体或其他设备发生磕碰而损坏设备。

1.3 工况分析

上段后折时，在钻机整体移运过程中重心后倾，因此需要对上段后折时新的移运状态进行计算和评估。由于移运过程中路面不可避免地存在坡度，因此需要在分析时考虑井架整体前后和左右的倾斜。

同时，由于增加了折叠功能，井架上段附近需要增加液压缸、操作台等额外设备，井架整体质量必然增加，起升重力相应增加。需要对井架起升工况重新计算和评估。

2 分析计算

2.1 折叠移运工况

经过综合考虑，确定前后倾斜6°、左右倾斜4°来计算后折移运工况。利用有限元软件建模计算并按标准优化结构，如图2所示（仅显示井架部分）。

图2 井架上段折叠移运工况

在计算过程中，对以下几个关键问题要特别关注：1）井架上段及其设备后折后对液压缸的压力；2）上段中上段后立柱连接点的强度；3）钢丝绳组作用在横梁上产生的应力。

经过计算，可以得到液压缸承受的最大压力，以此为液压缸选型依据。

折弯后，上段与中上段后立柱连接点是主要承载部位，此处的强度需要单独校核。

钢丝绳作用的横梁上的压力由游车与顶驱的自身质量产生，将此力施加在模型中，重点校核折弯后此处横梁的强度。

2.2 起升工况

调整已有的井架模型，将新增的部件与设备添加进模型中，重新进行计算，如图3所示。

图3 井架起升工况

结合计算得到的数据，通过调整部分结构的规格，并增大起升设备的能力，使井架结构达到标准要求的强度和刚度，起升设备可以适应更大的载荷，最终能保证井架顺利起升。

2.3 液压缸拉力

液压缸所需拉力也可以通过仿真获得，只需建立上段后折前液压缸拉紧上段和其上设备的模型即可。通过计算得到液压缸需要拉力为320 kN。结合之前得到的液压缸最小推力，即可按参数选择液压缸。

3 技术创新

3.1 销轴自动拆装

在上段与中上段前立柱连接部位安装销轴自动拆装装置，用以上段折叠前后与中上段前立柱分开和重新连接。将液压缸活塞连接销轴尾部，缸体固定在井架中上段上，销轴前端开导向锥度，销孔也做导向处理，这样可以通过液压缸将销轴推入或拉出销孔，如图4所示。

图4 销轴自动拆卸

3.2 游车稳定装置

游车在钻机移运时放置在井架下段支撑架上。为防止游车晃动，设计一套游车稳定装置。该装置包括钢丝绳、卸扣、固定耳板及限位块。利用钢丝绳将游车和顶驱固定在井架下段中间。安装稳定装置可以减少游车的晃动，提高钻机移运时的整体安全性，如图5所示。

3.3 上段折叠装置

折叠装置负责实现上段向后折叠90°达到水平，并重新上翻直立的动作。

中上段安装一个固定平台，利用斜撑连接牢固。液压缸的缸体连接在平台远端，活塞连接在上段上。液压缸伸长和收缩时，带动上段绕与中上段的销轴连接处翻转。而小平台不仅作为液压缸伸缩的着力点，同时为人员安装维护液压缸提供操作空间，如图6所示。

图5 游车固定装置

图6 上段折叠装置

4 试验和使用

后折井架制成后，在试验井场进行了各项试验，如卧倒时的后折试验，直立后折试验等。试验主要验证后折方案的可行性、井架结构承载能力可靠性、折叠前后钻井绳的伸缩量等。

经过普通的起升试验、载荷试验及以上新增的试验项目，证明这种后折井架的设计完全达到预期的效果，上段整体后折可行、可靠，降低了直立移运高度。

该钻机出厂后，经过几个月在国外的使用，在钻机转场过程中井架通过性大大加强，节省了大量人力物力，得到广泛的好评。

5 结论

为了解决钻机直立移运限高过高的问题，提出在移运过程中将井架上段向后折叠的方案。经过研究分析、设计制造及其生产试验和实际应用，证明这种后折井架安全可行，并且可以大大提高钻机直立移运的通过性，进而在有运输限高的地区可以节省大量人力物力，是一种可靠实用的新型井架。