超深井钻机K型井架底座4种起升原理和特点

常宝华，赵 珑，彭 飞，杨建平，曹常青，陶俊堃，董发生，李亚腾，赵积登，任宗亮

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，兰州730000)

我国的超深井钻机发展迅速，在满足国内需要的同时，各大钻机制造厂商在2000年以来开始陆续为国外用户生产和配套超深井钻机[1-3]。为了提高超深井钻机的安装、拆卸效率，持续进行井架、底座的起升方式的改进研究，使得钻机向着越来越便捷的方向发展，并具有较高的使用效率。石油钻机的结构形式发展经历了塔型井架、A型井架、桅型井架和前开口K型井架等阶段。目前，塔型井架和A型井架已不在陆地钻机的设计中采用，桅型井架应用也较少。在5 000～9 000 m级别的陆地钻机设计中，因K型井架的安装简单、运输方便，成为主要采用结构[4-6]。经过不断改进，K型井架在超深井钻机中有多种结构和起升方式，选取最经济和最简单的起升方式可减少非钻井时间，提高钻机的利用率，提高作业安全性，节省其安装、拆卸和搬家时间[7-8]。本文对近几年国内外常用的K型井架和底座的起升方式进行分析，为超深井钻机的发展提供参考。

1 两套绳双升式井架底座

兰州兰石石油装备工程股份有限公司在2004年制造了国内首台前开口K型9 000 m钻机，其井架和底座的结构为两套绳双升式。虽然国内超深井钻机的研制晚于国外，但发展很快。自国内首台超深井钻研制成功之后，国内其他厂家也陆续研制出类似的超深井钻机[9-12]。这些钻机的井架和底座均位于前方，绞车放置在底座后台，起到后部平衡配重作用。起升井架时，底座顶层与底层连接，起到加强底座整体刚性作用，减少底座在井架起升过程中的翘曲。绞车上的钻井绳通过天车连接游车，游车下安装起升平衡架，井架两侧的起升大绳一端连接平衡架，井架起升大绳绕过人字架两侧起升滑轮，另一端连接在井架两侧。绞车滚筒旋转，通过钻井绳给井架施加拉力，将井架起升至竖直状态，如图1所示。

1-绞车；2-人字架；3-井架起升大绳；4-底座；5-井架；6-游车；7-高支架；8-天车；9-底座起升大绳。图1 两套绳双升式井架底座

起升底座时，将游车下放至低位，两侧底座起升大绳一端与起升平衡架连接，绕过井架内部两个导向滑轮后，继续绕过底座顶层的起升滑轮，绳子另一端连接在两侧人字架上，通过人字架和游车的拉力将底座起升至高位。

采用两套绳分别起升井架和底座的结构存在以下缺点：

1) 结构复杂，安装时间长，起升过程繁琐耗时耗力。

2) 井架和底座的滑轮位于井架的第2段，尤其是用于起升底座的两组倒绳滑轮刚好位于台面上方的井架内侧，在实际使用中，占用井架内部空间。当水龙带向下运动时，与右侧的倒绳滑轮缠绳摩擦。用户在摩擦位置增加保护橡胶，用来避免水龙带损坏。

3) 参与起升的相关部件多，成本高。

对于以上问题，后期在该结构基础上进行了部分改进，重新设计井架的第2段结构，将凸出该段井架内侧的底座起升倒绳滑轮组改至井架的第2段内部，后期使用过程中用户反映效果良好。

2 液压绞车双升式井架底座

液压绞车双升式井架底座的结构与其他双升式井架底座结构的最大区别在于人字架在台面上，单独为起升井架而设计，井架同样位于台面上，起升到位后人字架与井架连接，起到支撑和固定作用[13-14]。绞车位于台面后方，井架起升过程如下：游车下安装起升平衡架，井架两侧的起升大绳一端连接平衡架，井架起升大绳绕过人字架两侧起升滑轮，另一端返回连接在井架上。绞车转动，依靠人字架两侧的起升大绳的拉力将井架起升到位。此时，井架是直立状态，但台面位于低位，如图2所示。

1-高支架；2-井架；3-游车；4-底座起升三角架；5-井架起升大绳；6-井架人字架；7-绞车；8-底座起升液压绞车；9-底座起升绳系；10-底座。图2 液压绞车双升式井架底座

起升底座时，底座底层安装有液压绞车和起升三角架，三脚架顶部和底座顶层装有滑轮组，利用液压绞车、滑轮组和底座起升绳系将井架和底座同时起升至高位，底座顶层和起升三角架固定，完成底座起升。在采用单独液压绞车起升之前，一直利用主绞车起升底座，实际使用中在台面高度超过10 m的情况下，因三角架绳长过长，易造成左右两侧起升不同步，易发生台面倾斜。后期改为利用底座底层两侧单独的液压绞车起升底座，明显改善了底座起升过程中左右不同步的问题。该结构的井架和人字架位于台面，优点是相比前两种结构更为轻巧，安装拆卸都快速、便捷，但工作过程中井架受力未直接传递至底座底层，容易产生振动。同时由于绞车在台面上，占据不少台面空间。

国内订购该结构类型钻机较少。国外钻机厂家采用该结构类型较多，尤其是沙特用户尤为偏爱订购此结构钻机[15]。在实际使用过程中，因为井架底座整体质量相对较轻，沙特的油田由于地广人稀且地面平整，特别适合钻机的整拖移运，因此，整个钻机可以在以下几种情况拖运：井架和底座高位拖运、井架高位和底座低位拖运、井架低位和底座低位拖运、井架和底座分开单独拖运。

3 一套绳同升式井架底座

图1～2的结构存在井架和底座分别利用各自结构单独起升的问题，且各自的起升大绳存在安装和拆卸过程部件多，耗时耗力的问题。为解决上述问题，各个钻机制造厂家都相继研发出一套绳同升式井架底座[16-18]，如图3所示。该起升方式是在图1所示起升方式的基础上经过改进而来，最大区别是：起升前，井架和底座在低位，通过位于台面的连接销连接底座和井架，取消全部和底座相关的起升滑轮、导绳轮和起升大绳。合理设计底座各个中层杆件位置，使得井架在起升的同时，能够利用平行四边形结构将底座整体带至高位。井架和底座起升过程如下：游车下安装起升平衡架，井架两侧的起升大绳一端连接平衡架，井架起升大绳绕过井架第2段的倒绳滑轮和人字架两侧起升滑轮，另一端返回连接在井架上。绞车转动，依靠人字架两侧的起升大绳的拉力起升井架，并带动底座同时起升到位。最后，将井架和人字架连接固定，完成整个起升过程。

1-绞车；2-人字架；3-起升大绳；4-底座；5-井架和底座连接销；6-井架；7-游车；8-高支架；9-天车。图3 一套绳同升式井架底座

这种结构在一定程度上解决了分别起升井架和底座、安装拆卸部件多和耗时耗力问题。由于井架要同时将底座连带起升，导致井架的起升力大幅增加，井架和人字架需额外加强，是在牺牲结构轻便的情况下换取起升的简单，其起升力、人字架选材和截面在同级别的钻机中都最大。底座整体和井架的装配制造精度要求高，在地坪条件不是很好的情况下，底座与井架第1段的连接位置容易出现安全隐患。

4 一套绳旋升式井架底座

为了解决图3所示起升方式的诸多不便，发展出一套绳旋升式井架底座。该结构的井架仍位于前方，但底座位于后方，绞车位于底座的台面上，而不在底座底层的后台，其最大的优点是先起升井架至高位，将井架与人字架连接固定后，继续转动绞车拉动游车，起升底座至高位，整个过程不需要再次安装起升大绳等操作，连续性好，无穿绳操作[19]。一套绳旋升式井架底座的起升过程如下：底座在低位时必须与底座底层连接，在井架起升过程中起到后部的配重作用。游车下安装起升平衡架，井架两侧的起升大绳一端连接平衡架，井架起升大绳绕过井架倒绳滑轮和人字架两侧起升滑轮，另一端直接连接在位于低位的底座顶层上，绞车转动时，依靠绕过人字架上的单根起升大绳拉力将井架拉升至高位，如图4所示。

1-绞车；2-底座；3-人字架；4-起升大绳；5-井架；6-游车；7-高支架；8-天车。图4 一套绳旋升式井架底座

起升底座时，首先拆掉底座顶层与底层连接销，绞车转动拉动游车继续上升，起升大绳将底座拉至高位，连接底座与人字架的连接销，即完成整个起升过程。

一套绳旋升式井架底座的结构在实际使用过程中因安装简单，起升过程简单、便捷，部件少，普遍应用在7 000 m及以下级别的钻机中。对于绞车位于台面上的钻机，此种结构备受用户欢迎。

缺点是：

1) 人字架需要足够高，绞车上的钻井绳才能保证在起升井架时具有足有的起升力。

2) 由于仅有1根起升大绳起升井架或底座，导致起升力大，并且人字架两侧滑轮高度过高，人字架中间须有大横梁来稳定人字架。

3) 绞车在台面上，占用了大部分台面空间，由于前重后轻，如果结构设计不合理，井架起升时会出现底座后台翘起过高，易对钻机产生不良影响。

5 结论

1) 7 000 m级别的超深井钻机，以上几种起升方式都适用，可根据用户偏好选择进行设计。其中，一套绳旋升式井架底座适用于7 000 m以下级别钻机，主要原因是只有一根起升大绳拉升井架，起升力已经达到2 400 kN。8 000 m级钻机和9 000 m级钻机若采用该起升方式，其井架底座的质量大、绞车的质量和体积大、起升力增加、结构需多处加强。综合考虑以上几点，一套绳旋升式井架底座在7 000 m及以下级别钻机中采用，其性价比较高。但是，随着电控和材料技术的不断进步，绞车质量和体积在逐步减小，在8 000 m钻机和9 000 m钻机中采用一套绳旋升式井架底座结构是可能的。

2) 用户在拖运、移运要求较高的情况下，建议使用液压绞车双升式井架底座，主要是质量轻。7 000 m钻机及以上都可选用，当然其余方式也可加装移运设备。首先，虽然井架和人字架位于台面，存在正常钻井可能会产生晃动的问题，但通过对井架和人字架结构的合理设计，可明显改善这些缺点；其次，台面高度超过10 m后，选用单独的液压绞车起升底座，可避免底座台面在起升过程中产生左右不同步问题。

3) 两套绳双升式井架底座适用于任何级别钻机，缺点是结构复杂，安装拆卸耗时耗力。但结构本身最为轻便，建议采用底座起升滑轮位于井架第2段内部结构。

4) 一套绳同升式井架底座明显改善了8 000 m和9 000 m级别钻机在安装、拆卸和起升过程中的问题。但起升力大，设计过程中应主要考虑绞车后台翘曲，整机低位时重心需要设计合理。参与起升的部件要进行特殊加强，尤其是井架和底座连接部位需要特别注意。该结构是以增加质量换取便捷、简单的起升方式。

5) 绞车的位置同样决定起升方式。如果绞车位于台面上，7 000 m级别钻机建议采用一套绳旋升式结构，8 000 m及以上级别钻机采用液压绞车双升式井架底座。如果绞车位于台面下，两套绳双升式和一套绳同升式各有优缺点，设计过程中再进行选择。相信随着材料和技术的不断进步，超深井钻机的起升方式也在不断发展，今后必将出现更为简单、轻便的起升方式，将把我国钻机设备提升至更高的水平。