王亚朋+张宏宇+王志忠+宋瑞

摘要：目前国内外各油田正在使用的传统4000米及其以上石油钻机的井架和底座结构，多采用多模块拆散移运的方式，运输模块多、搬家及安装的时间长、成本高，不满足钻机快速移运的要求。为此设计了该新型液压旋升式井架、底座结构，该结构运输模块仅为同类设备的1/3，极大的降低了钻机的搬家周期与成本；采用液压自动控制技术来实现钻机井架、底座的起升与下放，安装迅速、便捷，整个安装过程不需要大型的吊装设备；井架的起升与下放采用远程控制技术，适宜新形式下井场HSE的要求。

关键词：井架；底座 ；快速移动；液压起升

一、现状与分析

随着低油价逐渐成为行业内的常态，对钻井成本的控制逐渐精细化，国内外用户对4000米及其以上石油钻机的搬家及安装时间、成本等提出了更高的要求。

该类钻机井架和底座，运输模块较多，整体质量大，使得钻机移运性差，安装时间长。钻机的井架底座是整个钻机中质量最大，运输模块最多的部件，对其进行合理的设计，减轻质量，减少运输模块，将取得明显的经济效益。

为了适应石油钻井设备的发展方向，适应国际市场，设计新型的液压旋升式井架底座。钻机各模块高度集装化，具有良好的操作性能、安装移运性能和环境适应性能[1-2]。

二、整体结构

（一）井架底座结构及优点

主要结构由井架、井架起升液压缸、底座起升液压缸、左下基座、左侧中层、左上座、上层中间座、右上座、右侧中层、右下基座、斜撑杆等组成。

本液压旋升式井架、底座，与常规的井架、底座结构相比，优点如下：

1.井架采用三节套装整体式结构。运输时机械缩回，与天车、游吊系统、钻井大绳、井架起升液压缸，形成一个整体的运输模块。

2.底座采用大模块集成式设计结构。共3大运输模块，底座台面设备均低位安装、整体起升。

3.采用液压自动控制技术来实现钻机井架、底座的起升与下放，安装迅速、便捷、效率高，整个安装过程不需要大型的吊装设备。

4.井架的起升与下放采用远程控制技术，整个起升过程中，底座上没有人员进行操作，适宜新形式下井场HSE的要求。

5.井架下段采用大斜撑结构，同时由于井架开档的减少，在保证足够强度的情况下，井架的重点仅约为常规钻机的3/5。

三、井架、底座的结构特点

（一）井架结构特点

井架采用三节套装整体式结构，前开口п型，井架段与段之间采用销轴+单双耳板装置连接结构。

井架设计有专用的井架运输及安装小车，小车安装有三联板簧悬挂及3根14t车桥，用于运输时承载井架重量；小车上设计有水平移动、前后移动、高低伸缩液压缸共3组，用于在安装井架时对井架与底座的连接耳板。

井架立起后通过井架支座下的垫片增减（前后、左右方向），来调节井架角度以找正井口中心。整个井架的安装过程，简便、快捷，并且不需要大型的吊装设备进行辅助作业；井架运输为一个运输模块，运输成本低，钻机搬家快捷。尤其适宜于，井场相对开阔的平原、沙漠、戈壁等环境。

（二）底座结构特点

底座采用大模块的平行四边形结构，来实现的钻机的整体旋升。底座共分为上、中、下3层，底层包括左、右基础座，中层包括前、中、后立柱及斜撑杆和多级液压油缸，上层包括左、右上座和中间座，中间座将立根台和转盘及其传动装置连接为一体。底座台面设备均低位安装、整体起升。

底座采用高度集成化的设计，主体结构共3各运输模块。左上座、左下座、左旋转立柱、左底座起升油缸及左斜撑杆为一个运输单元，右上座、右下座、右旋转立柱、右底座起升油缸及右斜撑杆为一个运输单元，上层中间座的转盘驱动装置及立根台为一个运输单元，每个运输模块均设计有橇头，用于专用钻机搬家车的装卸，从而实现，在拆装作业时不需要专门的大型起吊设备。

底座基础座前端设计有一套拖杠结构，在钻井现场可用几台拖拉机拖拽拖杠，使钻机整体缓慢的向前移动，从而满足丛式井作业的需求。

四、井架、底座的计算

按照API Spec 4F第4版的要求，采用有限元分析软件ANSYS对井架、底座进行载荷计算与分析，其中產品规范等级选择为PLS1，结构安全等级选取SSL E2/U2，计算工况分为井架、底座起升工况与加载工况，井架的最大静载荷为3150kN，底座的最大转盘静载荷为3150kN，立根载荷为1600kN，风荷载选取0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°八个方向。

井架、底座梁单元的强度及稳定性分析按照美国钢结构学会AISC 335-89《结构钢建筑物规范-许用应力设计和塑性设计》的规定进行对各梁单元的受力进行校核，列出稳定性判别数UCR值。

结果如下：

1.井架在各工况下杆件最大应力为140.58MPa，而最大应力处的结构所用材料为Q345B，屈服强度为345MPa，因此井架的最小安全系数为2.45，远大于相关标准规定的1.67的要求。

2.底座在各工况下杆件最大应力为110.3MPa，而最拉应力处的结构所用材料为Q345B，屈服强度为345MPa，因此底座的最小安全系数为3.12，远大于相关标准规定的1.67的要求。

3.井架稳定性判别数UCR值的最大值为0.87，底座稳定性判别数UCR值的最大值为0.54，均满足AISC 335-89规范规定的UCR值小于1的要求。

4.井架结构杆件长细比LRR值最大为115.56，底座结构杆件长细比LRR值最大为121.4，均满足AISC 335-89规范规定的受压构件允许长细比不大于200的要求。

故该井架、底座结构的强度、稳定性均满足API 4F规范的要求，是安全的。

五、技术创新点

1.该新型井架、底座结构，运输模块少，仅为常规同规格设备的1/3，极大的降低了钻机的搬家周期与成本。

2.底座设计采用平行四边形机构的运动原理，实现了高台面设备的低位安装，降低了工人高空安装作业的危险和劳动强度。

3.大模块的设计结构减少了现场连接、安装的工作量，采用液压自动控制技术来实现钻机井架、底座的起升与下放，安装迅速、便捷，大幅减少了钻机的安装时间。

4.井架拆装采用专用的井架安装与运输小车完成，底座拆装采用专用钻机搬家车完成，整个安装过程不需要大型的吊装设备，降低了钻机的安装成本。

5.采用机、电、液一体化设计，起升液压缸取代人字架和起升大绳，以液压源取代常规的利用绞车作为起升动力，配置1台小功率柴油机驱动的液压泵，因此起升系统成本低，利用率高，灵活快捷。

6.井架的起升与下放采用远程控制技术，适宜新形式下井场HSE的要求。

六、结束语

该新型液压旋升式井架、底座结构，在保留了传统橇装钻机结构稳定性高的优点之上，在创新井架、底座的结构形式、减小运输模块数量、提高安装效率、减少辅助设备的使用等方面，获得了较大程度的突破，应用的液压油自动举升和控制技术，满足了新型钻机的快速移运、快速安装的要求。

该新型液压旋升式井架、底座结构以及整体液压旋升控制技术，已经在公司产品出口到国外的相关产品上得到了使用及验证，现场钻机的搬家及安装时间相比常规钻机大幅降低，其中出口到中东某沙漠地区的大模块钻机的搬家及安装时间仅为48小时，钻机在作业过程中，结构稳定，获得了用户的一致好评。

参考文献：

[1]马永峰，康涛，杨汉立，等.橇装模块钻机.北京：石油工业出版社，2004：10-15.

[2]王进全，王维旭.国外钻机技术现状及我国的发展策略.石油机械，2011，39（6）：65-69.endprint