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摘 要： 通过对车装钻机的各部件进行优化设计，将钻机的配套设备集成到车台面上，最大限度地较少钻机搬迁过程中的运输车次以及安装和拆卸工作量，大幅度提高钻机的搬迁效率，同时降低运输成本，增加钻机的可靠性。
关键词： 车装钻机；集成；效率；成本；可靠性
中图分类号：TP271.31 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220159－02
0 引言
车装钻机[1]是将动力系统、绞车、井架、游动系统及传动系统等集成到自走式底盘上，并依靠自身动力实现井架的起升、下放及回收，并且在钻井完成后，使用同一套动力系统实现底盘行驶。
在二十世纪三十年代，美国就开始使用车装钻机，与模块钻机相比，该种钻机具有高移运性[2]、拆装工作量小的特点，比模块钻机具有更大的作业灵活性和经济性。目前，车装钻机制造技术经过近80年的发展，4000米以下的钻机已经比较成熟，各型车装钻机在世界各国都得到了广泛的使用，其数量占世界钻机总数的10%以上。由于车装钻机的外形尺寸和载重量受道路运输条件的严格限制，在钻机搬迁时，许多配套设备都需要额外的车辆进行单独运输，并完成钻机与配套设备之间连接件的拆卸和安装工作。存在的缺点是钻机的搬迁效率低、运输成本高，同时降低了各设备的可靠性。
对于4000米以下的钻机，由于钻井的载荷较小、钻井周期短，搬家频繁，要求钻机具有良好的搬迁效率，因此，将配套设备集成到车装钻机上，实现钻机的一体化运输是钻井承包商的迫切需求。据美国贝克休斯公司公布的统计数据，2011年10月，美国正在勘探石油和天然气的在用钻机总数达到了2000部，中国在用钻机总数超过1200部，全世界在用钻机总数超过4500部，其中80%以上的钻机用于4000米以下井深的作业，因此，车装钻机具有广阔的市场应用前景。
配套设备的集成化设计：
由于道路运输条件对车装钻机的装备质量和外形尺寸具有严格的限制，因此给车装钻机的集成设计带来了极大的难度，需要对各部件进行优化设计，在保证结构强度的前提下，选用了高强度钢材制造，通过对井架、载车底盘、绞车等进行减重设计和优化布置，在已有车装钻机的基础上，将以下钻机配套设备集成到载车上：
1 绞车应急驱动系统
在石油钻井作业中，温暖气候条件下，井内管柱一般停止运动一至两小时，就会造成油井的报废，而在寒冷地区，井内管柱停止五分钟以上就会造成油井的报废，油井的报废将给钻井承包商造成巨大的经济和信誉损失，因此，国内外油田用户对钻机的可靠性要求越来越高。绞车系统作为钻机三大工作部件之一，也是最为重要和复杂的部件，因此在钻机的绞车系统上增加配备绞车应急驱动系统，提高钻机的可靠性，逐渐成为各油田用户的普遍要求。
1.1 结构
绞车应急驱动系统（图1中序6）主要由液压马达和液压动力源组成，液压马达通过离合器将动力传递至主滚筒，在钻机主驱动工作时，离合器处于断开状态，此时，应急系统处于备用状态，当主驱动出现故障时，将离合器推至挂合位置，绞车应急驱动系统立即实现对绞车的驱动功能，代替主驱动进行钻井作业。
1.2 主要技术参数
液压系统额定压力：16MPa
液压系统额定流量：120L/min
额定输出扭矩：26400Nm
绞车最大快绳拉力：160KN
1.3 技术特性
该绞车应急驱动系统主要有两个特点：1）增加钻机的可靠性：应急驱动与主驱动分别布置在绞车的两侧，应急驱动系统与主驱动的传动路径相互独立，在主驱动出现故障时，应急驱动可以立即投入工作，增加了钻机的可靠性，同时操作简便迅速，保证钻井作业的安全，避免钻井事故的发生；2）结构紧凑：绞车应急驱动系统采用液压驱动的方式，具有体积小、重量轻、驱动平稳、扭矩大的特点，适合车装钻机的安装要求。
2 辅助刹车水冷却系统
钻机除配备主刹车外，还必须配备辅助刹车系统，辅助刹车用来消耗钻井过程中管柱的重力势能，辅助刹车水冷却系统（图1中序8）用于冷却辅助刹车，将辅助刹车产生的热量通过循环水及时带走。目前，国内外车装钻机的辅助刹车水冷却系统采用4至8立方米的水箱，并配相应的散热器和管线等，由于体积和重量庞大，无法将其直接安装在载车上，目前，采用单独成撬，直接放置在地面上的布置方式，其缺点是：1）拆卸和安装的工作量大：在钻机搬家时，需要拆除相应的连接管线，并将辅助刹车内的水放干净，增加了安装和拆卸的工作量；2）增加运输成本：辅助刹车水冷却系统需使用卡车单独运输，增加运输和吊装的成本；
经对辅助刹车的散热功率进行计算，并结合现场的使用经验进行优化设计，采用减小水箱体积，加大散热器的功率，减少循环管线的液体流动阻力等措施，在满足使用要求的情况下，使水冷却系统的总体积减少至原来的1/2，重量和体积均能满足车装钻机的安装要求，将该系统安装在载车上的绞车旁。其优点是：1）水冷却系统与辅助刹车的位置相对固定，连接管线安装在载车内部，钻机搬家时，不需要拆除连接管线；2）水冷却系统与钻机一体化运输，节约运输车次。
3 盘刹液压站
盘刹液压站（图1中序7）是为液压盘刹提供液压动力源的设备，而液压盘刹是绞车的主要刹车，是保证钻井作业安全的重要设备，主要由液压站（图2中序1）、司钻控制台（图2中序2）、控制管线（图2中序3）和执行机构（图2中序4）组成，在以往的车装钻机上，由于车台面上没有设计液压站的安装位置，而是将液压站放置在地面，在钻机搬家时，需要拆除液压站与执行机构之间的控制管线，由于液压盘刹系统具有非常高的安全要求。在拆卸和安装管线时难免有管线接错的情况、杂质混入液压系统等现象，给钻井作业带来极大的安全隐患。
1、液压站 2、司钻控制台 3、控制管线 4、执行机构
图2 液压盘刹控制原理
通过对车台面进行优化布置，将液压站布置在载车上，液压站与盘刹执行机构的位置相对固定，而且距离较近，控制管线固定在载车上，处于受保护的管线槽内，在钻机搬家时，不需拆除任何控制管线，从根本上避免了人为安装失误，同时保证液压系统的清洁，极大地提高了系统的可靠性，同时避免了运输和吊装的工作量。
4 地面防喷器控制装置
1、液压源 2、氮气瓶 3、蓄能器 4、远程控制台 5、司钻操作台 6、控制管线 7、防喷器
图3 地面防喷器控制装置原理
地面防喷器控制装置（图1中序10）是控制液压防喷器、液动压井放喷阀开关动作的专用设备，是石油天然气钻井（或修井）过程中防止井喷失控的不可缺少的装备。
传统的地面防喷器控制装置设计为一个整体模块，其外形尺寸和重量都比较大，布置在离井口中心25米以外的地面上，地面防喷器控制装置与防喷器（图3中序7）之间的管线布置在地面，存在的缺点是：1）在钻机搬家时需要单独的运输车辆，增加运输成本；2）铺设在地面的控制管线影响井场内车辆的通行，并且管线长期处于具有较强腐蚀性能的钻井泥浆中，其寿命和可靠性都大大降低。
为了适应车装钻机的安装要求，从地面防喷器控制装置的外形尺寸和结构重量两个方面入手，对地面防喷器控制装置进行结构优化设计，将系统分为远程控制台（图3序4）和蓄能器（图3中序3）两部分，安装在载车的前部，并减少控制对象的数量，取消了传统控制装置上的气动泵，将传统的气路控制改为电控气的方式，液压油箱及控制元件的所占体积减小为原来的50%，总重量为原来的60%，司钻操作台（图3中序5）采用电磁阀控制，远程控制台和司钻操作台使用一根多芯控制电缆连接。控制管线（图3中序6）安装在受保护的车架大梁内侧。
地面防喷器控制装置与钻机载车一体化集成后，节约了一台运输车辆，避免了安装和拆卸的工作量，提高了钻机的搬迁效率，同时最大限度地避免了人为失误，增加了设备的可靠性。
5 钢丝绳卷筒
传统钻机的钢丝绳卷筒（图1中序11）放置在地面，在钻机搬家时，需将绞车、天车和游车上的所有钢丝绳抽出，缠在钢丝绳卷筒上单独运输，在钻机移运到作业井场时，又需要将钢丝绳穿入到绞车、天车、游车和死绳固定器中，抽绳和穿绳的工作量都非常巨大，而且所有工作均需人力来完成，机械设备难以进行配合，一般需要3人8小时才能完成。
通过将钢丝绳卷筒安装在载车上后，钻机搬家时，井架直接放下，游车大钩支架落在大钩船座上，无需进行任何拆卸工作，在车装钻机行驶到新的作业井位时，不需进行任何的穿绳工作，也无需动用额外的运输车辆和吊装设备。
6 电器控制系统
电器控制系统（图1中序5）包括钻机的所有照明控制和动力控制，在以往的车装钻机上，该系统布置在MCC房内或地面，在钻机搬迁时，需要连接大量的电缆，拆卸的电缆需要专用工具进行存放，并在拆卸时作安装标记，严重影响了钻机的安装速度。通过将电器控制系统安装在载车上后，将所有的电缆安装在受保护的电缆槽内，在钻机搬家时，不需对电缆进行拆卸和安装，随钻机一体化运输。
7 现场运用
在2009年8月，该型钻机已经出口到俄罗斯苏尔古特油田，现场使用效果良好，在连续作业的11口井中，单口井平均作业时间为12天，与普通车装钻机相比，钻机搬家时运输车次减少3个、拆装时间节约20%，钻机的停机故障率也有明显降低，给用户带来了可观的经济收益，钻机的各项性能得到了用户的肯定。
8 结束语
通过对车装钻机进行的集成化设计，将钻机的配套设备集成在主车上，实现车装钻机与配套设备的一体化运输，减少了钻机搬迁时的运输车次和吊装设备的使用时间，避免了设备之间的安装和拆卸工作，搬家效率提高20%以上，钻机的搬家成本降低15%以上，钻机的停机故障率由原6%～8%提高到4%～6%，接近国外钻机停机故障率2%～3%的水平，可靠性大幅度提高，且延长设备的使用寿命，因此，车装钻机集成化设计能为钻井承包商带来可观的经济效益，具有较高的推广应用价值。
参考文献：
[1]马家骥，我国石油钻机的发展与对策[J].石油机械，2001，29（5）：1-5.
[2]贾秉彦、马广蛇、侯文辉等，石油钻机发展中有关问题的探讨[J].石油机械，2006，34（3）：69-71.
作者简介：
张振勇（1978-），工程师，2001年毕业于昆明理工大学交通运输专业，现从事石油钻机的开发设计工作。
关键词： 车装钻机；集成；效率；成本；可靠性
中图分类号：TP271.31 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220159－02
0 引言
车装钻机[1]是将动力系统、绞车、井架、游动系统及传动系统等集成到自走式底盘上，并依靠自身动力实现井架的起升、下放及回收，并且在钻井完成后，使用同一套动力系统实现底盘行驶。
在二十世纪三十年代，美国就开始使用车装钻机，与模块钻机相比，该种钻机具有高移运性[2]、拆装工作量小的特点，比模块钻机具有更大的作业灵活性和经济性。目前，车装钻机制造技术经过近80年的发展，4000米以下的钻机已经比较成熟，各型车装钻机在世界各国都得到了广泛的使用，其数量占世界钻机总数的10%以上。由于车装钻机的外形尺寸和载重量受道路运输条件的严格限制，在钻机搬迁时，许多配套设备都需要额外的车辆进行单独运输，并完成钻机与配套设备之间连接件的拆卸和安装工作。存在的缺点是钻机的搬迁效率低、运输成本高，同时降低了各设备的可靠性。
对于4000米以下的钻机，由于钻井的载荷较小、钻井周期短，搬家频繁，要求钻机具有良好的搬迁效率，因此，将配套设备集成到车装钻机上，实现钻机的一体化运输是钻井承包商的迫切需求。据美国贝克休斯公司公布的统计数据，2011年10月，美国正在勘探石油和天然气的在用钻机总数达到了2000部，中国在用钻机总数超过1200部，全世界在用钻机总数超过4500部，其中80%以上的钻机用于4000米以下井深的作业，因此，车装钻机具有广阔的市场应用前景。
配套设备的集成化设计：
由于道路运输条件对车装钻机的装备质量和外形尺寸具有严格的限制，因此给车装钻机的集成设计带来了极大的难度，需要对各部件进行优化设计，在保证结构强度的前提下，选用了高强度钢材制造，通过对井架、载车底盘、绞车等进行减重设计和优化布置，在已有车装钻机的基础上，将以下钻机配套设备集成到载车上：
1 绞车应急驱动系统
在石油钻井作业中，温暖气候条件下，井内管柱一般停止运动一至两小时，就会造成油井的报废，而在寒冷地区，井内管柱停止五分钟以上就会造成油井的报废，油井的报废将给钻井承包商造成巨大的经济和信誉损失，因此，国内外油田用户对钻机的可靠性要求越来越高。绞车系统作为钻机三大工作部件之一，也是最为重要和复杂的部件，因此在钻机的绞车系统上增加配备绞车应急驱动系统，提高钻机的可靠性，逐渐成为各油田用户的普遍要求。
1.1 结构
绞车应急驱动系统（图1中序6）主要由液压马达和液压动力源组成，液压马达通过离合器将动力传递至主滚筒，在钻机主驱动工作时，离合器处于断开状态，此时，应急系统处于备用状态，当主驱动出现故障时，将离合器推至挂合位置，绞车应急驱动系统立即实现对绞车的驱动功能，代替主驱动进行钻井作业。
1.2 主要技术参数
液压系统额定压力：16MPa
液压系统额定流量：120L/min
额定输出扭矩：26400Nm
绞车最大快绳拉力：160KN
1.3 技术特性
该绞车应急驱动系统主要有两个特点：1）增加钻机的可靠性：应急驱动与主驱动分别布置在绞车的两侧，应急驱动系统与主驱动的传动路径相互独立，在主驱动出现故障时，应急驱动可以立即投入工作，增加了钻机的可靠性，同时操作简便迅速，保证钻井作业的安全，避免钻井事故的发生；2）结构紧凑：绞车应急驱动系统采用液压驱动的方式，具有体积小、重量轻、驱动平稳、扭矩大的特点，适合车装钻机的安装要求。
2 辅助刹车水冷却系统
钻机除配备主刹车外，还必须配备辅助刹车系统，辅助刹车用来消耗钻井过程中管柱的重力势能，辅助刹车水冷却系统（图1中序8）用于冷却辅助刹车，将辅助刹车产生的热量通过循环水及时带走。目前，国内外车装钻机的辅助刹车水冷却系统采用4至8立方米的水箱，并配相应的散热器和管线等，由于体积和重量庞大，无法将其直接安装在载车上，目前，采用单独成撬，直接放置在地面上的布置方式，其缺点是：1）拆卸和安装的工作量大：在钻机搬家时，需要拆除相应的连接管线，并将辅助刹车内的水放干净，增加了安装和拆卸的工作量；2）增加运输成本：辅助刹车水冷却系统需使用卡车单独运输，增加运输和吊装的成本；
经对辅助刹车的散热功率进行计算，并结合现场的使用经验进行优化设计，采用减小水箱体积，加大散热器的功率，减少循环管线的液体流动阻力等措施，在满足使用要求的情况下，使水冷却系统的总体积减少至原来的1/2，重量和体积均能满足车装钻机的安装要求，将该系统安装在载车上的绞车旁。其优点是：1）水冷却系统与辅助刹车的位置相对固定，连接管线安装在载车内部，钻机搬家时，不需要拆除连接管线；2）水冷却系统与钻机一体化运输，节约运输车次。
3 盘刹液压站
盘刹液压站（图1中序7）是为液压盘刹提供液压动力源的设备，而液压盘刹是绞车的主要刹车，是保证钻井作业安全的重要设备，主要由液压站（图2中序1）、司钻控制台（图2中序2）、控制管线（图2中序3）和执行机构（图2中序4）组成，在以往的车装钻机上，由于车台面上没有设计液压站的安装位置，而是将液压站放置在地面，在钻机搬家时，需要拆除液压站与执行机构之间的控制管线，由于液压盘刹系统具有非常高的安全要求。在拆卸和安装管线时难免有管线接错的情况、杂质混入液压系统等现象，给钻井作业带来极大的安全隐患。
1、液压站 2、司钻控制台 3、控制管线 4、执行机构
图2 液压盘刹控制原理
通过对车台面进行优化布置，将液压站布置在载车上，液压站与盘刹执行机构的位置相对固定，而且距离较近，控制管线固定在载车上，处于受保护的管线槽内，在钻机搬家时，不需拆除任何控制管线，从根本上避免了人为安装失误，同时保证液压系统的清洁，极大地提高了系统的可靠性，同时避免了运输和吊装的工作量。
4 地面防喷器控制装置
1、液压源 2、氮气瓶 3、蓄能器 4、远程控制台 5、司钻操作台 6、控制管线 7、防喷器
图3 地面防喷器控制装置原理
地面防喷器控制装置（图1中序10）是控制液压防喷器、液动压井放喷阀开关动作的专用设备，是石油天然气钻井（或修井）过程中防止井喷失控的不可缺少的装备。
传统的地面防喷器控制装置设计为一个整体模块，其外形尺寸和重量都比较大，布置在离井口中心25米以外的地面上，地面防喷器控制装置与防喷器（图3中序7）之间的管线布置在地面，存在的缺点是：1）在钻机搬家时需要单独的运输车辆，增加运输成本；2）铺设在地面的控制管线影响井场内车辆的通行，并且管线长期处于具有较强腐蚀性能的钻井泥浆中，其寿命和可靠性都大大降低。
为了适应车装钻机的安装要求，从地面防喷器控制装置的外形尺寸和结构重量两个方面入手，对地面防喷器控制装置进行结构优化设计，将系统分为远程控制台（图3序4）和蓄能器（图3中序3）两部分，安装在载车的前部，并减少控制对象的数量，取消了传统控制装置上的气动泵，将传统的气路控制改为电控气的方式，液压油箱及控制元件的所占体积减小为原来的50%，总重量为原来的60%，司钻操作台（图3中序5）采用电磁阀控制，远程控制台和司钻操作台使用一根多芯控制电缆连接。控制管线（图3中序6）安装在受保护的车架大梁内侧。
地面防喷器控制装置与钻机载车一体化集成后，节约了一台运输车辆，避免了安装和拆卸的工作量，提高了钻机的搬迁效率，同时最大限度地避免了人为失误，增加了设备的可靠性。
5 钢丝绳卷筒
传统钻机的钢丝绳卷筒（图1中序11）放置在地面，在钻机搬家时，需将绞车、天车和游车上的所有钢丝绳抽出，缠在钢丝绳卷筒上单独运输，在钻机移运到作业井场时，又需要将钢丝绳穿入到绞车、天车、游车和死绳固定器中，抽绳和穿绳的工作量都非常巨大，而且所有工作均需人力来完成，机械设备难以进行配合，一般需要3人8小时才能完成。
通过将钢丝绳卷筒安装在载车上后，钻机搬家时，井架直接放下，游车大钩支架落在大钩船座上，无需进行任何拆卸工作，在车装钻机行驶到新的作业井位时，不需进行任何的穿绳工作，也无需动用额外的运输车辆和吊装设备。
6 电器控制系统
电器控制系统（图1中序5）包括钻机的所有照明控制和动力控制，在以往的车装钻机上，该系统布置在MCC房内或地面，在钻机搬迁时，需要连接大量的电缆，拆卸的电缆需要专用工具进行存放，并在拆卸时作安装标记，严重影响了钻机的安装速度。通过将电器控制系统安装在载车上后，将所有的电缆安装在受保护的电缆槽内，在钻机搬家时，不需对电缆进行拆卸和安装，随钻机一体化运输。
7 现场运用
在2009年8月，该型钻机已经出口到俄罗斯苏尔古特油田，现场使用效果良好，在连续作业的11口井中，单口井平均作业时间为12天，与普通车装钻机相比，钻机搬家时运输车次减少3个、拆装时间节约20%，钻机的停机故障率也有明显降低，给用户带来了可观的经济收益，钻机的各项性能得到了用户的肯定。
8 结束语
通过对车装钻机进行的集成化设计，将钻机的配套设备集成在主车上，实现车装钻机与配套设备的一体化运输，减少了钻机搬迁时的运输车次和吊装设备的使用时间，避免了设备之间的安装和拆卸工作，搬家效率提高20%以上，钻机的搬家成本降低15%以上，钻机的停机故障率由原6%～8%提高到4%～6%，接近国外钻机停机故障率2%～3%的水平，可靠性大幅度提高，且延长设备的使用寿命，因此，车装钻机集成化设计能为钻井承包商带来可观的经济效益，具有较高的推广应用价值。
参考文献：
[1]马家骥，我国石油钻机的发展与对策[J].石油机械，2001，29（5）：1-5.
[2]贾秉彦、马广蛇、侯文辉等，石油钻机发展中有关问题的探讨[J].石油机械，2006，34（3）：69-71.
作者简介：
张振勇（1978-），工程师，2001年毕业于昆明理工大学交通运输专业，现从事石油钻机的开发设计工作。