成 斌，庞世强，师 涛，聂景龙，苗 波

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266520)

0 引 言

近年来随着钻井工艺水平的不断提高，人们对石油钻机的功能及作业效率要求越来越高。中东地区各钻井承包商为追求效益最大化并降低成本，对钻机搬家时间和移运车次都有明确规定，轻型化、模块化和少拆装的拖挂钻机是地势平坦的沙漠和戈壁地区钻井作业的最佳选择。

陆地石油钻机是流动作业设备，其拆卸、运输和安装时间占整个钻井周期的1/10～1/4。对于轻型和中型钻机，钻机周期短(4～20 d)，应对它们提出最高的移运性要求[1]。

超级单根自动化钻机作为新一代浅地层自动化钻机，通过使用超长管柱(单根管柱长度可达13.5 m)减少管柱交接及上、卸扣次数，缩短管柱交接时间；减配立根盒，井架结构轻量化紧凑化，提升移运能力；简化管柱交接工艺，提高管柱交接效率与成功率，为浅层油气田开发提供便利条件[2]。

笔者通过ZJ40DBT超级单根拖挂钻机的研发，解决钻机各个区域移运转场[3-6]，主机区设备整体拖运，井架无绷绳及二层台，单根钻井工艺所要求的管具处理系统及可替代二层台进行钻杆存储。

1 技术分析

1.1 总体方案

钻机总体布局图如图1所示。

图1 钻机总体布局图1.泥浆区 2.堆场 3.主机区 4.动力区

ZJ40DBT超级单根拖挂钻机由主机区、泥浆区、动力区、堆场等组成。主机区是钻机的核心区域，包含钻井提升系统、旋转系统、放喷系统等，主要包含有天车、井架、底座、绞车、顶驱、游车、铁钻工、司钻房、倒绳机、液压站、防喷器及控制房等；泥浆区包含计量罐、振动筛罐、循环罐、存储罐、吸入罐、及五级净化设备等；动力区包含3台CAT3512B主发电机房及C15辅发电机房含气源及净化设备；堆场包含套管、钻铤、钻杆及液压钻杆盒等。

ZJ40DBT超级单根拖挂钻机主机区立面图如图2所示。运输状态是将井架下放至拖车上，井架底座整体拖运。

图2 主机区设备立面图1.天车 2.井架 3.顶驱控制房 4.游车 5.顶驱 6.防喷器及控制房 7.拖车 8.液压站 9.绞车 10.起升装置 11.铁钻工 12.防喷器 13.底座 14.猫道 15.司钻房

1.2 技术参数

名义钻深： 3200 (Φ127 mm钻杆)m；最大钩载： 2 250 kN；游动绳系： 5×6；钻井泵功率： 1 000 hp×2；绞车额定输入功率： 1 000 hp×l；井架高度： 26.0 m；钻台面高度：6.8 m；净空高： 6.2 m。

1.3 技术与结构特点

1.3.1 钻机移运方式多样

主机区装备为整体式拖挂移运，移运前先将井架上段缩回，顶驱和游吊装置固定在井架下段背横梁上，用液缸下放井架至高支架，井架与底座、拖车连为一个整体钢架，倒绳机、绞车、司钻房、顶驱控制系统、防喷器及防喷器控制装置等不需要拆装，主机区就可整体进行转场搬运；泥浆固控区域为单个泥浆罐独立运输；两台泥浆泵成整托模块运输，动力区主、发发电机组及气源系统、VFD及MCC房整体拖运。

1.3.2 无绷绳无二层台无立根盒

单根钻井钻机是用单根长度可达13.5 m管柱进行起下钻，钻机无绷绳无二层台无立根盒，通过钻机配备顶驱、液压吊卡、液压卡瓦、铁钻工、翻转猫道、液压钻杆盒等自动化设备，搭载先进的控制系统，通过提高设备运行速度、设备定位精度，缩短管柱交接时间，在确保设备安全的基础上采用多设备联动等方式，充分发挥超级单根自动化钻机设备性能优势，作业效率提高很明显。

1.3.3 翻转猫道

翻转猫道主要功能是将钻杆从液压钻杆盒管具交接位置取出，通过翻转机构传送到猫道钳头内，钳头夹紧钻杆，抓举猫道翻转臂在液缸的作用下翻转90°将钻杆输送到井口中心交给顶驱吊卡，或者反向动作，将钻杆从井口中心输送到液压钻杆盒，将钻杆存储。处理钻具规格：73 ～339.7 mm最大钻杆长度13.72 m。

1.3.4 液压钻杆盒

液压钻杆盒用于存储钻杆，并实现钻杆的快速移运。该钻杆盒采用自动化控制，释放了劳动力，降低了劳动强度，通过内部液缸驱动将钻杆分层举升，再通过倾斜机构将钻杆输送到管具交接位置，便于翻转猫道抓取。该钻机配套设置有4个液压钻杆盒，一个主钻杆盒，三个辅钻杆盒，主钻杆盒设置有动力源，为所有钻杆盒提供动力。

2 仿真验证

井架、底座、天车设计计算完全遵循美国石油学会API 4F第5版《钻井和修井井架、底座规范》、美国钢结构学会AISC 360-16关于钢结构弹性设计要求部分计算。我们按AISC中组合应力校核公式，在SAFI后处理模块中对每一单元进行校核,并以UC值(limit states summary)加以表示出来。

根据钻机的转场及使用情况，依据API 4F分别计算了钻机的运输工况及在位工况，其中井架的在位工况包括工作工况、预期工况和非预期工况。

钻机运输工况计算所考虑的载荷条件主要有16.5 m/s的风载、整体运输时的所附带的设备重量以及车头的牵引力，边界条件约束车轮跟地面的接触点处三个坐标轴方向的位移，具体加载及边界条件如图3所示。

图3 运输工况载荷加载及边界条件

根据上述运输工况所加载荷做结构分析计算，最终得出各杆件的UC值，如图4所示，最大杆件的UC值是0.94，所有杆件UC值均未超过1，运输工况结构强度满足要求。

图4 运输工况计算结果UC值

钻机在位工况计算所考虑的载荷条件主要有风载、大钩载荷、转盘载荷、设备的重量载荷。工作工况加载16.5 m/s的风载、大钩载荷或转盘载荷、设备载荷，预期工况加载38.6 m/s的风载、转盘载荷、设备载荷，设备载荷，预期工况加载30.7 m/s的风载、转盘载荷、设备载荷。边界条件约束钻机跟地面接触点在三个坐标轴方向的位移，具体加载及边界条件如图5所示。

图5 在位工况载荷加载及边界条件 图6 在位工况计算结果UC值

根据上述在位工况所加载荷做结构分析计算，最终得出各杆件的UC值，如图6所示，最大杆件的UC值是0.97，所有杆件UC值均未超过1，在位工况结构强度满足要求。

3 结 论

通过对ZJ40DBT超级单根拖挂钻机的研发得出以下结论：

(1) 该钻机相比常规钻机采用的是单根钻井工艺，在一钻到底的井，钻井效率明显提升。

(2) 该钻机与常规拖挂钻机相比，可实现钻机区井架底座绞车防喷器及驱控制房等整体移运，运输模块少，装拆更方便。

(3) 该钻机可在中东地区具有广泛的应用前景。