常寶華，趙 瓏，彭 飛，楊建平，曹常青，陶俊堃，董發(fā)生，李亞騰，趙積登，任宗亮

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，蘭州730000)

我國的超深井鉆機發(fā)展迅速，在滿足國內(nèi)需要的同時，各大鉆機制造廠商在2000年以來開始陸續(xù)為國外用戶生產(chǎn)和配套超深井鉆機[1-3]。為了提高超深井鉆機的安裝、拆卸效率，持續(xù)進行井架、底座的起升方式的改進研究，使得鉆機向著越來越便捷的方向發(fā)展，并具有較高的使用效率。石油鉆機的結構形式發(fā)展經(jīng)歷了塔型井架、A型井架、桅型井架和前開口K型井架等階段。目前，塔型井架和A型井架已不在陸地鉆機的設計中采用，桅型井架應用也較少。在5 000～9 000 m級別的陸地鉆機設計中，因K型井架的安裝簡單、運輸方便，成為主要采用結構[4-6]。經(jīng)過不斷改進，K型井架在超深井鉆機中有多種結構和起升方式，選取最經(jīng)濟和最簡單的起升方式可減少非鉆井時間，提高鉆機的利用率，提高作業(yè)安全性，節(jié)省其安裝、拆卸和搬家時間[7-8]。本文對近幾年國內(nèi)外常用的K型井架和底座的起升方式進行分析，為超深井鉆機的發(fā)展提供參考。

1 兩套繩雙升式井架底座

蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司在2004年制造了國內(nèi)首臺前開口K型9 000 m鉆機，其井架和底座的結構為兩套繩雙升式。雖然國內(nèi)超深井鉆機的研制晚于國外，但發(fā)展很快。自國內(nèi)首臺超深井鉆研制成功之后，國內(nèi)其他廠家也陸續(xù)研制出類似的超深井鉆機[9-12]。這些鉆機的井架和底座均位于前方，絞車放置在底座后臺，起到后部平衡配重作用。起升井架時，底座頂層與底層連接，起到加強底座整體剛性作用，減少底座在井架起升過程中的翹曲。絞車上的鉆井繩通過天車連接游車，游車下安裝起升平衡架，井架兩側的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過人字架兩側起升滑輪，另一端連接在井架兩側。絞車滾筒旋轉，通過鉆井繩給井架施加拉力，將井架起升至豎直狀態(tài)，如圖1所示。

1-絞車；2-人字架；3-井架起升大繩；4-底座；5-井架；6-游車；7-高支架；8-天車；9-底座起升大繩。圖1 兩套繩雙升式井架底座

起升底座時，將游車下放至低位，兩側底座起升大繩一端與起升平衡架連接，繞過井架內(nèi)部兩個導向滑輪后，繼續(xù)繞過底座頂層的起升滑輪，繩子另一端連接在兩側人字架上，通過人字架和游車的拉力將底座起升至高位。

采用兩套繩分別起升井架和底座的結構存在以下缺點：

1) 結構復雜，安裝時間長，起升過程繁瑣耗時耗力。

2) 井架和底座的滑輪位于井架的第2段，尤其是用于起升底座的兩組倒繩滑輪剛好位于臺面上方的井架內(nèi)側，在實際使用中，占用井架內(nèi)部空間。當水龍帶向下運動時，與右側的倒繩滑輪纏繩摩擦。用戶在摩擦位置增加保護橡膠，用來避免水龍帶損壞。

3) 參與起升的相關部件多，成本高。

對于以上問題，后期在該結構基礎上進行了部分改進，重新設計井架的第2段結構，將凸出該段井架內(nèi)側的底座起升倒繩滑輪組改至井架的第2段內(nèi)部，后期使用過程中用戶反映效果良好。

2 液壓絞車雙升式井架底座

液壓絞車雙升式井架底座的結構與其他雙升式井架底座結構的最大區(qū)別在于人字架在臺面上，單獨為起升井架而設計，井架同樣位于臺面上，起升到位后人字架與井架連接，起到支撐和固定作用[13-14]。絞車位于臺面后方，井架起升過程如下：游車下安裝起升平衡架，井架兩側的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過人字架兩側起升滑輪，另一端返回連接在井架上。絞車轉動，依靠人字架兩側的起升大繩的拉力將井架起升到位。此時，井架是直立狀態(tài)，但臺面位于低位，如圖2所示。

1-高支架；2-井架；3-游車；4-底座起升三角架；5-井架起升大繩；6-井架人字架；7-絞車；8-底座起升液壓絞車；9-底座起升繩系；10-底座。圖2 液壓絞車雙升式井架底座

起升底座時，底座底層安裝有液壓絞車和起升三角架，三腳架頂部和底座頂層裝有滑輪組，利用液壓絞車、滑輪組和底座起升繩系將井架和底座同時起升至高位，底座頂層和起升三角架固定，完成底座起升。在采用單獨液壓絞車起升之前，一直利用主絞車起升底座，實際使用中在臺面高度超過10 m的情況下，因三角架繩長過長，易造成左右兩側起升不同步，易發(fā)生臺面傾斜。后期改為利用底座底層兩側單獨的液壓絞車起升底座，明顯改善了底座起升過程中左右不同步的問題。該結構的井架和人字架位于臺面，優(yōu)點是相比前兩種結構更為輕巧，安裝拆卸都快速、便捷，但工作過程中井架受力未直接傳遞至底座底層，容易產(chǎn)生振動。同時由于絞車在臺面上，占據(jù)不少臺面空間。

國內(nèi)訂購該結構類型鉆機較少。國外鉆機廠家采用該結構類型較多，尤其是沙特用戶尤為偏愛訂購此結構鉆機[15]。在實際使用過程中，因為井架底座整體質量相對較輕，沙特的油田由于地廣人稀且地面平整，特別適合鉆機的整拖移運，因此，整個鉆機可以在以下幾種情況拖運：井架和底座高位拖運、井架高位和底座低位拖運、井架低位和底座低位拖運、井架和底座分開單獨拖運。

3 一套繩同升式井架底座

圖1～2的結構存在井架和底座分別利用各自結構單獨起升的問題，且各自的起升大繩存在安裝和拆卸過程部件多，耗時耗力的問題。為解決上述問題，各個鉆機制造廠家都相繼研發(fā)出一套繩同升式井架底座[16-18]，如圖3所示。該起升方式是在圖1所示起升方式的基礎上經(jīng)過改進而來，最大區(qū)別是：起升前，井架和底座在低位，通過位于臺面的連接銷連接底座和井架，取消全部和底座相關的起升滑輪、導繩輪和起升大繩。合理設計底座各個中層桿件位置，使得井架在起升的同時，能夠利用平行四邊形結構將底座整體帶至高位。井架和底座起升過程如下：游車下安裝起升平衡架，井架兩側的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過井架第2段的倒繩滑輪和人字架兩側起升滑輪，另一端返回連接在井架上。絞車轉動，依靠人字架兩側的起升大繩的拉力起升井架，并帶動底座同時起升到位。最后，將井架和人字架連接固定，完成整個起升過程。

1-絞車；2-人字架；3-起升大繩；4-底座；5-井架和底座連接銷；6-井架；7-游車；8-高支架；9-天車。圖3 一套繩同升式井架底座

這種結構在一定程度上解決了分別起升井架和底座、安裝拆卸部件多和耗時耗力問題。由于井架要同時將底座連帶起升，導致井架的起升力大幅增加，井架和人字架需額外加強，是在犧牲結構輕便的情況下?lián)Q取起升的簡單，其起升力、人字架選材和截面在同級別的鉆機中都最大。底座整體和井架的裝配制造精度要求高，在地坪條件不是很好的情況下，底座與井架第1段的連接位置容易出現(xiàn)安全隱患。

4 一套繩旋升式井架底座

為了解決圖3所示起升方式的諸多不便，發(fā)展出一套繩旋升式井架底座。該結構的井架仍位于前方，但底座位于后方，絞車位于底座的臺面上，而不在底座底層的后臺，其最大的優(yōu)點是先起升井架至高位，將井架與人字架連接固定后，繼續(xù)轉動絞車拉動游車，起升底座至高位，整個過程不需要再次安裝起升大繩等操作，連續(xù)性好，無穿繩操作[19]。一套繩旋升式井架底座的起升過程如下：底座在低位時必須與底座底層連接，在井架起升過程中起到后部的配重作用。游車下安裝起升平衡架，井架兩側的起升大繩一端連接平衡架，井架起升大繩繞過井架倒繩滑輪和人字架兩側起升滑輪，另一端直接連接在位于低位的底座頂層上，絞車轉動時，依靠繞過人字架上的單根起升大繩拉力將井架拉升至高位，如圖4所示。

1-絞車；2-底座；3-人字架；4-起升大繩；5-井架；6-游車；7-高支架；8-天車。圖4 一套繩旋升式井架底座

起升底座時，首先拆掉底座頂層與底層連接銷，絞車轉動拉動游車繼續(xù)上升，起升大繩將底座拉至高位，連接底座與人字架的連接銷，即完成整個起升過程。

一套繩旋升式井架底座的結構在實際使用過程中因安裝簡單，起升過程簡單、便捷，部件少，普遍應用在7 000 m及以下級別的鉆機中。對于絞車位于臺面上的鉆機，此種結構備受用戶歡迎。

缺點是：

1) 人字架需要足夠高，絞車上的鉆井繩才能保證在起升井架時具有足有的起升力。

2) 由于僅有1根起升大繩起升井架或底座，導致起升力大，并且人字架兩側滑輪高度過高，人字架中間須有大橫梁來穩(wěn)定人字架。

3) 絞車在臺面上，占用了大部分臺面空間，由于前重后輕，如果結構設計不合理，井架起升時會出現(xiàn)底座后臺翹起過高，易對鉆機產(chǎn)生不良影響。

5 結論

1) 7 000 m級別的超深井鉆機，以上幾種起升方式都適用，可根據(jù)用戶偏好選擇進行設計。其中，一套繩旋升式井架底座適用于7 000 m以下級別鉆機，主要原因是只有一根起升大繩拉升井架，起升力已經(jīng)達到2 400 kN。8 000 m級鉆機和9 000 m級鉆機若采用該起升方式，其井架底座的質量大、絞車的質量和體積大、起升力增加、結構需多處加強。綜合考慮以上幾點，一套繩旋升式井架底座在7 000 m及以下級別鉆機中采用，其性價比較高。但是，隨著電控和材料技術的不斷進步，絞車質量和體積在逐步減小，在8 000 m鉆機和9 000 m鉆機中采用一套繩旋升式井架底座結構是可能的。

2) 用戶在拖運、移運要求較高的情況下，建議使用液壓絞車雙升式井架底座，主要是質量輕。7 000 m鉆機及以上都可選用，當然其余方式也可加裝移運設備。首先，雖然井架和人字架位于臺面，存在正常鉆井可能會產(chǎn)生晃動的問題，但通過對井架和人字架結構的合理設計，可明顯改善這些缺點；其次，臺面高度超過10 m后，選用單獨的液壓絞車起升底座，可避免底座臺面在起升過程中產(chǎn)生左右不同步問題。

3) 兩套繩雙升式井架底座適用于任何級別鉆機，缺點是結構復雜，安裝拆卸耗時耗力。但結構本身最為輕便，建議采用底座起升滑輪位于井架第2段內(nèi)部結構。

4) 一套繩同升式井架底座明顯改善了8 000 m和9 000 m級別鉆機在安裝、拆卸和起升過程中的問題。但起升力大，設計過程中應主要考慮絞車后臺翹曲，整機低位時重心需要設計合理。參與起升的部件要進行特殊加強，尤其是井架和底座連接部位需要特別注意。該結構是以增加質量換取便捷、簡單的起升方式。

5) 絞車的位置同樣決定起升方式。如果絞車位于臺面上，7 000 m級別鉆機建議采用一套繩旋升式結構，8 000 m及以上級別鉆機采用液壓絞車雙升式井架底座。如果絞車位于臺面下，兩套繩雙升式和一套繩同升式各有優(yōu)缺點，設計過程中再進行選擇。相信隨著材料和技術的不斷進步，超深井鉆機的起升方式也在不斷發(fā)展，今后必將出現(xiàn)更為簡單、輕便的起升方式，將把我國鉆機設備提升至更高的水平。