周林帥，仝兆盤，尹永晶，張 勇，余利軍，劉延峰(南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006)

海洋液壓模塊鉆機關鍵技術及應用前景分析

周林帥，仝兆盤，尹永晶，張 勇，余利軍，劉延峰
(南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006)

海洋液壓模塊鉆機在國外已經有應用，其液壓技術和自動化技術的顯著優(yōu)勢，使其成為未來海洋鉆機發(fā)展的新趨勢，而國內還未見有研發(fā)和應用的先例。為使海洋液壓模塊鉆機更好地在國內推廣，從國產化生產制造角度，總結了當前國內海洋液壓模塊鉆機研發(fā)的關鍵技術和關鍵設備。從現場應用角度，分析了海洋液壓模塊鉆機的應用優(yōu)勢和劣勢，推廣應用的意義及需克服的障礙，并分析了應用前景，給出了發(fā)展應用的建議。分析得出，海洋液壓模塊鉆機的國產化，在國內已具備技術攻關和市場環(huán)境等推廣條件，應予以積極研發(fā)。

液壓鉆機；海洋鉆機；模塊；關鍵技術

目前，國內對海洋鉆機的研發(fā)、制造、應用，主要是配備絞車、轉盤等設備為主要特色，采用機械/電動傳動的方案，并且實現了產品的標準化、系列化，技術成熟，整套裝備國產化程度日益提高。但是，傳統(tǒng)機械/電動海洋鉆機的自動化程度較低，質量大，占用平臺空間大等缺點，導致工人勞動強度大，安全操作風險大，對平臺的建造規(guī)模要求較高。以液缸提升為特色的海洋液壓模塊鉆機，自20世紀90年代在國外出現并應用以來，就一直備受關注，由于技術復雜，引進成本高等原因，國內一直沒有應用案例。與傳統(tǒng)海洋鉆機相比，同級別的海洋液壓模塊鉆機的自動化程度高，質量輕，占用平臺空間小，以及后期改造升級容易等優(yōu)勢，將成為未來海洋鉆修機發(fā)展的新趨勢。

在20世紀末，廖謨圣[1]就指出液缸提升的液壓鉆機具有強大的生命力，總結了此類鉆機在升沉補償，質量、尺寸，作業(yè)性能等方面的優(yōu)勢。進入21世紀以來，國內對海洋液壓模塊鉆機的研發(fā)呼聲不斷，王榮修[2]，廖國敏[3]等總結了國外此類鉆機的發(fā)展狀況，并為其在國內的發(fā)展給出建議。同時，廖國敏[3]指出應當結合國家“中國制造2025”的發(fā)展規(guī)劃，使液缸升降型鉆機的研發(fā)站在一個高起點上。

本文結合國內以液缸提升為特色的液壓鉆機的發(fā)展情況，從生產制造的角度，指出海洋液壓模塊鉆機的關鍵技術和關鍵設備，為其國產化進一步探索方向，指明道路。

1 研究背景

液缸提升的液壓鉆機在陸地上出現和應用的較早，比較著名的有意大利DRILLMEC的輪式全液壓系列鉆機(HH系列)，挪威TTS公司生產的250D Land Rigs鉆機，美國的雪姆液缸升降型鉆機，以及最近的德國海瑞克的TI-350全液壓自動化鉆機。國內研發(fā)應用的較少，僅渤海裝備遼河重工有限公司在2012年研發(fā)一套鉤載3 150 kN，鉆深5 000 m(4″DP)的輪式全液缸升降型鉆機[4]，與DRILLMEC的HH系列相似。海洋液壓模塊鉆機在國外也有20多年的歷史，例如挪威的MH公司的Ram Rig 液缸升降型鉆機，加拿大Tesco公司新型套管鉆井液缸升降型鉆機[5]，以及意大利DRILLMEC HH系列液壓海洋鉆機[6]等，覆蓋的水域從幾十米到3 000 m，提升鉤載從900 kN到7 500 kN，鉆深從1 000 m到10 000 m，適應鉆井平臺從固定式到浮動式等，可謂種類齊全，技術成熟，優(yōu)勢明顯。

國內海洋液壓鉆機尚屬空白，也未見有針對海洋的液缸提升的液壓鉆機的攻關研究，研發(fā)和應用經驗均待進一步提升。南陽二機石油裝備集團股份有限公司對液缸提升的液壓鉆機的關注和研發(fā)比較早，在2012年就采取與外國液壓鉆機先進制造商合作的方式，成功運營多個項目，在對海洋液壓模塊鉆機研發(fā)的過程中，根據國內市場和應用需求特點，在吸收國外先進鉆機和前期項目經驗的基礎上，做了大量的適合國內平臺的海洋液壓模塊鉆機技術儲備，確立了自己的研發(fā)目標和產品特色。

2 海洋液壓模塊鉆機研發(fā)

2.1 鉆機選型與性能指標

本文所述的海洋液壓模塊鉆機，是結合國內市場和應用需求特點，以液缸提升代替?zhèn)鹘y(tǒng)絞車提升為主要特色的液壓模塊鉆機。目標平臺是淺水固定式平臺，其總體性能滿足以下技術指標：

1) 處理單根管柱最大質量50 kN。

3) 處理管柱最大長度15 m(包括R2、R3級的鉆桿和套管)。

4) 管柱處理速度500 m/h。

5) 液缸最大提升速度1.5～2.0 m/s。

6) 液壓系統(tǒng)額定工作壓力35 MPa。

2.2 關鍵技術

海洋液壓鉆機的主要關鍵技術有：

1) 成套設備的液壓設計和控制技術。液壓鉆機整機配備大功率液壓站，動力源集中，而自動化的液壓工具較多，導致接口眾多，且部分工具間存在邏輯關系，需要進行全新的液壓原理設計，確定控制機制，如圖1所示。

2) 各自動化設備的配合銜接技術。自動化設備是集中控制，無人直接操作，各自動化設備的配合銜接方式，決定了設備的布局定位和工作流程制定。

3) 模塊化分組技術。為鉆機的陸運，海運，以及海上安裝調試提供方案。

4) 精確的監(jiān)測和控制技術。液壓鉆機的多數工具由PLC控制，各設備工作接口的對接需要自動監(jiān)測和反饋，達到精準對接和控制，是實現執(zhí)行—反饋—調整—執(zhí)行等閉式或開式控制的關鍵技術。

5) 數據采集和分析處理技術。液壓鉆機的自動化程度高，操作人員少，然而設備的正常運行，依賴各運行參數的控制，需要采集各種運行參數，自動判斷運行狀態(tài)并顯示，為操作人員提供決策意見，甚至自動處理微小事故，輔助操作人員對鉆機進行操控。

6) 裝配技術。多數液壓設備的組裝屬于精密組裝，以確保各執(zhí)行動作的精確到位，是無人操作下的各設備接口順利對接的重要保障。

7) 相應的檢驗和試驗技術。為液壓鉆機的制造過程監(jiān)督和接收標準，提供執(zhí)行標準，是液壓鉆機從工廠走向現場的關鍵技術。

1—內防噴器；2—下壓缸；3—主提升缸；4—平衡缸；5—流量控制閥；6—泵組控制閥組；7—工況選擇閥組；8—頂驅液壓馬達控制閥組；9—上下動力鉗；10—旋轉缸；11—控制面板。圖1 液壓鉆機液壓系統(tǒng)原理(提升系統(tǒng)部分)

2.3 關鍵設備

液壓鉆機的關鍵設備有：

1) 大功率液壓站。是整個液壓鉆機的核心動力源，可以用柴油發(fā)動機或電機驅動，多組泵同軸串聯作業(yè)，使液壓執(zhí)行機構獲得充足的動力，并配以散熱系統(tǒng)，使液壓油可以循環(huán)利用。

2) 高效大推力的雙作用液壓缸。是井架伸縮的關鍵設備，其伸縮速度和推力是起下鉆效率關鍵的影響因素，其配套的高效的控制閥組配合液壓站的動力控制，是實現無級變速的關鍵因素。

3) 自動化管具處理裝置。例如HTV，立式鉆桿盒，鐵鉆工，液壓鼠洞等，是實現鉆具自動上卸扣，自動排管、接單根等作業(yè)的關鍵設備。

4) 配套的液壓頂驅及其滑移裝置?？稍诰苌象w的滑道上滑動，并在井口和鼠洞之間平行移動，是鉆機主要的旋轉設備和旋扣設備。

5) 高效可靠的數據采集模塊(DAQ)和工控機設備(IPC)。實現鉆機的各參數收集和PLC運算處理，及時表征鉆機的運行狀態(tài)，是司鉆操作決策的依據。

這些關鍵技術和設備，從目前國內的技術水平(如機器人研發(fā)技術[7]和大功率液壓降噪技術[8]、冷卻技術[9]以及仿真設計技術[10]等)來講，已經具備研發(fā)實力，需要組織專門的人力、物力，予以立項攻關，而且突破這些關鍵技術和關鍵設備，不僅有利于液壓模塊鉆機國產化，從而大幅度降低采購成本，也為后期投產后，長期運營提供技術保障，降低對外國的依賴度。

2.4 總體布置

目前，海洋液壓鉆機的布置方案也主要分為DES，DSM和P-Tank三大模塊，與常規(guī)機械/電動海洋鉆機不同的地方主要是DES模塊，液壓海洋鉆機的DES模塊主要有3大結構：DES主結構，滑橇結構，平臺導軌，主結構一般分為3層，上層為鉆臺面，用來安放井架，節(jié)流壓井管匯，固井管匯，立管管匯，司鉆房以及其它附屬工具等，由于鉆臺結構簡單，占地面積小，方便與DES主結構做成一體，從而降低了鉆臺面高度，中層用來安放防噴器控制裝置，固控罐及泥漿凈化設備等，下層用來安放綜合液壓站和各固控泵，主結構正前方設置立式鉆桿盒或HTV等管子處理裝置。DES各層布置緊湊，從而減小了總體尺寸。其典型布置圖如圖2所示。

1—液缸提升型井架；2—立式鉆桿盒；3—司鉆控制房；4—高壓管匯；5—固控模塊；6—固控泵；7—滑橇結構；8—防噴器控制裝置；9—液壓站；10—液壓頂驅。圖2 典型海洋液壓模塊鉆機DES布置示意

DES主結構在滑橇結構上沿一個方向滑移，滑橇結構在平臺導軌上沿另一方向滑移，實現對井口區(qū)各個井槽的覆蓋。

3 現場應用優(yōu)劣勢分析

3.1 優(yōu)勢分析

海洋液壓模塊鉆機的應用優(yōu)勢主要集中在以下幾個方面：

1) 體積小，質量輕，對中小型平臺(平臺尺寸約30 m×40 m)的適應能力強。

2) 自動化程度高，省去了傳統(tǒng)的鉆臺工和架子工，且人員勞動強度低，作業(yè)效率高。

3) 動力集中，傳動簡單，易于維保，沒有了傳統(tǒng)的傳動軸，傳動箱，傳動鏈，聯軸器，離合器等需要潤滑、保養(yǎng)的零部件，省去了大量維保工作和易損件采購更換工作。

4) 鉆臺結構簡單，不需要為動力傳動裝置設計復雜的安裝結構，且集污、排污結構簡單，更有利于實現HSE等安全環(huán)保的要求。

5) 由于沒有暴露在外的作業(yè)人員，可以實現全天候作業(yè)，對惡劣天氣作業(yè)適應能力強，同時也減少了誤操作對人員的損傷，提高了作業(yè)安全性。

6) 井架、動力系統(tǒng)等模塊化程度高，拆裝簡單，方便在各平臺間拆運、組裝，提高設備利用率。

7) 主機動力采用全液壓驅動，無工作火花，更易滿足防爆要求，作業(yè)更安全。

3.2 劣勢分析

從目前國內現狀看，海洋液壓模塊鉆機的劣勢表現在以下幾個方面：

1) 初始投資大。目前，海洋液壓模塊鉆機主要依賴進口，其采購成本較高，根據某4 000 m海洋液壓模塊鉆機項目的經濟分析，液壓鉆機的采購成本比常規(guī)電動海洋鉆機高出￥2 000多萬，單提升系統(tǒng)部分，成本增加約75%，這也成為液壓鉆機在國內發(fā)展的經濟瓶頸。

2) 結構受力集中。從設備布置上來看，液壓鉆機井架跨距小，井口區(qū)集中了井架，頂驅，轉盤，管子處理裝置等設備。從作業(yè)載荷上看，液壓鉆機的天車結構屬于費力杠桿，相比常規(guī)機械海洋鉆機的天車而言，其最大受力為最大鉤載的2倍。因此，井口區(qū)受力狀況比較惡劣，需特別加強，對大跨距結構不利。

3) 對操作人員要求的素質較高。自動化工具性能的發(fā)揮，很大程度上依賴于操作人員的素質，如果操作素質不高，反而會引起各種事故，延滯作業(yè)進度，而如果操作嫻熟，則會事半功倍，而人員素質的提升，除了大量培訓，還需要長期磨合，不能一蹴而就。

綜上，從長期運營發(fā)展以及海洋裝備朝著自動化、智能化的發(fā)展方向來看，液壓海洋鉆機在人工成本和可靠性等方面有著傳統(tǒng)鉆機無法比擬的優(yōu)勢，傳統(tǒng)海洋鉆機若要提高自動化水平，除了增配一系列自動化工具以外，還需要對傳統(tǒng)海洋鉆機的結構和作業(yè)流程做較大改進，并需要相當長的一段時間的磨合，而液壓鉆機在對各種自動化工具整合方面渾然天成，配合緊湊，起點較高。

4 應用前景及發(fā)展建議

目前，海洋油氣田為了控制投資成本，小平臺多鉆井和老平臺鉆新井會日漸成為油氣鉆井承包商的主流呼聲，而液壓鉆機的特點，正可迎合這種需求。從設備演進(人力化，機械化，自動化，智能化)的角度來看，液壓鉆機的高度自動化水平，也順應了這種演進趨勢。

就國內情況來看，很多海洋油氣田平臺已進入中后期開發(fā)階段，且由于以前的勘探開采技術的限制，很多油氣田平臺在開發(fā)過程中又發(fā)現新的潛在油藏，出現鉆修并用的需求，這類平臺由于建造時對平臺的生產能力估計不足，平臺面積設計的較小，液壓鉆機對這類平臺有很好的適應能力。所以，做好相應的技術準備，通過國家政策的扶持，結合適當的推廣，海洋液壓模塊鉆機會有良好的政策依托和廣闊的市場前景。

為配合海洋液壓模塊鉆機的未來發(fā)展，除了突破關鍵技術和關鍵設備之外，還應做好以下兩方面的準備：

1) 相應作業(yè)人員的培訓和作業(yè)制度的制定。

由于液壓鉆機在國內海洋還未有應用的先例，一批適應自動化工具作業(yè)的專業(yè)化操作隊伍是海洋液壓鉆機推廣必不可少的，且鉆機先進性能的發(fā)揮，也很大程度上依賴于操作人員的專業(yè)素養(yǎng)。

2) 技術標準的制定。

在液壓鉆機研制和推廣過程中，具有針對性的成熟的技術標準的制定，對液壓鉆機的規(guī)范化和標準化是不可或缺的，有利于推動液壓鉆機在行業(yè)內的認可和推廣，指明液壓鉆機的研發(fā)方向。

5 結論

1) 通過關鍵技術和關鍵設備分析，海洋液壓模塊鉆機在國內具備國產化的能力，應當結合相關政策扶持，積極開展設計和樣機試制。

2) 海洋液壓模塊鉆機優(yōu)勢明顯，自動化起步較高，雖然有一些缺點，但可以專題研究，逐一攻破。

3) 海洋液壓模塊鉆機應用前景良好，且符合國家未來裝備制造自動化、智能化的發(fā)展規(guī)劃，宜結合相關海洋項目予以推廣。

4) 海洋液壓模塊鉆機的應用與推廣，離不開操作隊伍建設和標準規(guī)范的制定等軟件配套措施，應予以積極準備。

[1] 廖謨圣.21世紀初的世界海洋石油鉆機[J].石油礦場機械，2000，20(1)：5-9.

[2] 王榮修.液壓驅動鉆機技術現狀和國內發(fā)展建議[J].石油天然氣學報，2010，32(4)：381-382.

[3] 廖國敏，周雄，徐坤，等.海洋液缸升降型鉆機研究綜述與展望[J].石油礦場機械，2016，45(4)：12-15.

[4] 朱興，樊巖松，韓冰，等.國產全液缸升降型鉆機的研制與應用[J].石油機械，2014，42(6)：20-23.

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[6] Composit Catalog of Oil Field Equipment & Services[M].1998-1999.Published by Gulf Publishing Company.USA.

[7] 范永，譚民.機器人控制器的現狀及展望[J].機器人，1999(1)：75-80.

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[10] 駱建彬，俞新陸，巢克念.復雜的大功率液壓系統(tǒng)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，1996(A00)：65-72.

Analysis on Key Technology and Application Prospect of Offshore Hydraulic Modular Drilling Rig

ZHOU Linshuai，TONG Zhaopan，YIN Yongjing，ZHANG Yong，YU Lijun，LIU Yanfeng
(RgPetro-MachineryGroupCo.，Ltd.，Nanyang473006，China)

Offshore hydraulic modular drilling rig has been applied overseas for many years，while there is still no report about the domestic research and application.But the distinct advantage of the rig rooted on hydraulic technology and automatic technology make it the new development trend of future offshore drilling rig.With the purpose of better domestic spreading of offshore hydraulic modular drilling rig，the key technology and key equipments in the research process of the rig in terms of localization manufacture is concludes in this thesis，which gives a start-point for the rig’s localization.And it also shows the advantage and disadvantage in practical application，which manifests the significance of popularization and barrier to overcome.Also，the possibility of future application is analyzed to provide the suggestion for the rig spread domestically.At last，it concludes that the localization manufacture of the rig has been qualified in our country in terms of technical strength and market environment，we should research it actively.

hydraulic drilling rig；marine drilling rig；module；key technology

2016-12-18

周林帥(1987-)，男，河南南陽人，碩士，2012年畢業(yè)于中國石油大學(華東)，主要從事石油機械結構與裝備的設計工作，E-mail：zhouls_kys@126.com。

1001-3482(2017)03-0068-05

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.015