根据目前石油钻井施工对钻井井架作业效率，适应性和安全性的要求，结合当今钻井井架技术领域的发展趋势，提出了一种递进式增加井架系统的设计方案，该系统由主架体，液压缸，内支撑柱，二层台，天车台， 副架体，辅助左右双支撑柱，底座，及辅助设备等组成。系统采用驱动精度高、驱动力大的液压驱动方式，具有整体轻便，结构紧凑，作业效率及设备利用率高，现场施工安装与拆卸方便快捷，整体搬运迅速，使用维护成本低，以及与现有钻机绞车系统，游动系统相互配合适应性好的特点。可满足当今及以后陆地钻机系统的发展需要。
     关键词    桅型主架体   液压缸    内支撑柱     副架体     辅助左右双支撑柱   底座   液压驱动      大尺寸螺纹丝扣连接
过盈配合   预紧力
                          
0   引言
石油和天然气埋藏在地下几百米，上千米甚至超过上万米的岩层中。为了寻找油气藏，开采石油和天然气，需要钻井，需要一套俗称钻机的钻井机械设备。而石油井架又是钻井机械的主要组成部分，用于安放绞车，天车，游车，大钩，转盘等起升设备和工具，承受起下钻，下套管及其他作业所产生的载荷，提供起下钻及摆放钻柱的操作高度和空间。是一种大型复杂的金属钢架结构，其杆件多，受力复杂。近年来随着更复杂的地貌和地质条件下的油气藏的开发，以及钻井深度的不断增加，国内外正不断地设计功能更强，自动化程度更高的新型钻机，这对于与之相配套井架的强度，刚度及稳定性的要求越来越高，同时提高井架的可靠性，降低成本，对井架进行优化设计变的越来越重要，因此本文针对这种现状进行设计研究，设计了本通用型井架，达到承载能力由轻到重，钻探深度由浅到深，满足了一架多用的目的。              
 

1. 技术分析

 1.1  系统技术要求
（1）整体尺寸；各单件架体尺寸采用最大标准集装箱的尺寸（13.58m   2.34m    2.71m），满足频繁搬迁的要求。结构尽量简化，降低体积和质量。
（2）提升载荷；单桅状态2000米通用钻机( 1800 KN  )单桅状态加辅助左右双支柱塔式状态4000米通用钻机（4500ＫＮ ），加副井架系统满足9000米通用钻机的提升能力（ 6750 kＮ ）
（3）适应性；井架本体满足2000—9000米绞车，天车，游车系统的提升要求，井架底座满足2000—9000米转盘尺寸，副架体内部尺寸符合最大9000米游动系统外形尺寸。底座高度12米适应各型防喷器的安装要求。封闭的单桅主架体适合内部加热系统，可在低温环境下工作。
（4）系统动态特性；其塔式架体的特性在强风，地震等极端环境中，具有较好的稳定性和动态响应特性。
（5）安全性；塔式架体和丝扣连接底座有效合成一体，具有完善的安全性能。并左右双支柱内部可设计为快速下滑逃生通道，以利于二层平台操作人员紧急情况下快速逃生。
 
 

1. 主要技术参数

 
系统质量； 100000kg ，主架体  40000kg,  副井架  30000kg    底座  30000kg
最大静载荷；6750KN
最大钻柱重量；3250KN
井架顶部跨距（正面   侧面）；3m  3m
井架底部跨距  ； 10m
主架体（长度  宽度  高度）；13m   5m   5m
主架体伸展高度；60m
主架体节数；6节
主架体内液压缸（长度   根数）；12米   4根
副架体高度；48m  
副架体节数；4节
天车台（长度  宽度  高度）；6m   3m   2.5m
二层台容量(5’钻杆)；9000m
二层台高度；26.5m
底座(长度   高度)；13m   12m
作业环境下，满钩载，无转盘载荷，满立根载荷组合工况。符合API  Spec 4F标准（2008 第3版），结构设计计算符合美国钢结构协会AISC 规范，焊接符合美国焊接学会 ANSI/AWS规范。
 
2  系统方案设计
 
2.1 主要结构与功能
本型井架系统由主架体，液压缸，内支撑柱，二层台，天车台，副架体，辅助左右双支撑柱，底座等组成，结构如图1所示。

                           图1     通用型井架系统
1-绞车  2-主架体  3-天车台   4-副架体   5-二层台
6-左右支撑柱   7-底座
 
图2     无左右支撑柱状态
1-底座支撑柱   2-主架体   3-副架体   4-天车台    5-主架体支撑柱入口
 
  
 主架体采用新式设计的桅型井架作为基础，必须先吊装并固定桅型主架体于底座上，然后利用主架体内部的液压缸液压起升各分段主架体并吊装内部支撑柱。当主架体起竖完成后，用钻机游动系统吊装上下底座，副架体及二层台，最后形成整个井架系统。把整体吨位重的架体与底座分解为小吨位小体积单件，分开组装，减小整体提升力。副架体为前开口型，并与二层台及左右支撑柱共同形成塔式结构。
本型目的在于提供一种适用于通用型的石油钻井井架及安装方法，其结构紧凑，占用场地小，更换副架体和与之相适应的绞车，天车，游车大钩，转盘等后，适用于从小到大的各种井深及悬重。除井架本体需重新设计外，其绞车，天车，游车大钩，转盘等配套系统可采用现有厂家产品。井架系统为其摆放平台并与之匹配。
其各种井架状态图3-6如下。
 

图3  2000米井架状态
 
     图4    4000米井架状态
 
 
         图5  6000米井架状态
 
 
。
              图6    9000米井架状态
 
                     图7    主架体内部简图
1-底座   2-主架体第1节  3-主架体第2节  4-主架体第3节
5-主架体第4节  6-主架体第5节     7-架体上部固定
8-与天车台连接   9-液压缸   10-底板固定   11-底板 
12-主架体第1节与第2节固定    13-人员进出口
 
 

2. 工作原理

主架体采用液压缸起升，液压缸套装在架体内部，其动力来源使用钻机配置通用的液压大钳和液压猫头动力工作站。人员进入架体内部操作，每液压起升一节架体后，使用钻机配置的气动或液动小绞车辅助悬吊系统吊装主支撑柱并固定牢靠。
当主架体全部升起后，需人工穿游动系统的钢丝绳，然后利用游动系统组装起吊底座，副架体，二层台及左右支撑柱，二层台与左右支撑柱安装完成后和架体融合为一体，形成塔式结构。
底座分为上下底座和支撑柱，其与现有井架底座不同之处在于，上下底座是通过支撑柱的大尺寸螺纹丝扣连接的。支撑柱的螺纹丝扣在大力上紧连接后，所形成的配合为过盈配合，并有预紧力封闭在螺纹丝扣内部。可抗拒井架大力提升时的动载，使得底座以较小的质量就可承受较大的负荷。随着副架体的安装，相应地增加支撑柱数量就能满足总体承载力。
 
2.3     技术特点 
 
      (1) 系统结构紧凑，机械结构简化，体积和质量较现有同吨位井架系统大大减小，在设备频繁搬迁和安装过程中速度更快。
     （2）适应性好，作业效率高，可配置不同井深的绞车，转盘及游动系统。充分利用和搭配设备，一架多用。
     （3）安全性好，主架体与二层体，左右支撑柱安装好后形成塔式结构，具有较强的稳定性，可抗强风，地震等恶劣条件。主架体为封闭桅型利于蒸汽或电加热系统放置，可在低温环境下工作。左右支撑柱内部使二层台作业人员在紧急情况下十几秒内可快速下滑逃生。
     （4）系统动态特性好，由于底座采用螺纹丝扣连接，主架体居于中间位置，对整个系统稳定性和响应特性有充分保证。
（5）综合了桅型井架，前开口式，塔式的各个优点。井架整体高，相应的底座较高，下部空间大，适合多组合防喷器的布放安装。
（6）利用液压驱动系统，一级级的将各主井架体向上逐级安装；采用驱动精度高、驱动力大的液压驱动，使主井架能快速的进行安装，提高了安装效率；由于采用纵向逐级向上安装的方式，其安装时占地面积小，降低了对场地面的安装要求，提高了其安装的便捷性。
 

3. 结束语

 
从这种钻井井架的设计思路，总体技术方案，技术性能和结构特点分析可知，总和了塔式，前开口式，桅型的各个优点，适用范围广，摒弃了传统井架单一使用，不能升级的缺点。如果各钻井公司统一采购多部就可混搭使用，互相更换方便，经济效果好。能够满足常规钻井工艺的需要，适应性强，市场潜力大。与目前各钻井队单一使用的井架相比有无法比拟的优点，大大提高我国石油钻井的整体性能水平，在对外钻井承包时可降低整体费用，为我国石油钻井走向国际市场，提供了强有力的技术支持和物质保障。
 
 
 
附；
   安装方法
 
主架体为长方形单桅结构，多层套装在一起，可单独拆卸，方便运输。 1至6节井架体按尺寸大小顺序套装，最外为第1层，依次为2，3，4，5，6节，第6节内部有液压缸，上部承托天车台。   
将1到6节井架体吊装于底座上，固定牢固。
人员进入天车台上，启动钻机液压站工作，为液压缸提供动力。液压站为钻机必备设备，平时为液压大钳和液压猫头提供动力。
松开1节与2至6节井架固定，操作液压缸工作伸出，将2至6节井架体及天车台一起顶升（2至6井架体节螺栓固定为一体），到位后，将1节井架体顶部与2及6节井架体螺栓固定，使2及6节井架体处于1节井架体上部。
操作液压缸工作收回，将1至5号底板及液压缸收回到第2节井架体底部，空出1节井架体下部空间，为安装主承力柱预留空间。
通过天车台滑轮系统使用钻机必备的气动或液动马达由第一节井架体承力柱入口门吊装入4根主承力柱并固定。
操作液压缸工作伸出，将1号底板坐于4根主承力柱上，卸开1节井架体顶部与2至6节井架体的螺栓固定，操作液压缸工作，2至6节井架体下行，坐于1号底板座上，螺栓固定1节井架体与2节井架体，使之连接为一个整体。
松开1号底板座与2号底板座连接螺栓。
操作液压缸工作伸出，将3至6节井架体及天车台一起顶升（3至6井架体节螺栓固定为一体），到位后，将2节井架体与3及6节井架体螺栓固定。
操作液压缸工作收回，将2至5号底板收回到第3节井架体底部
通过天车台滑轮系统由第一节井架体入口吊装入4根主承力柱，经第2节下部入口插到第2节井架体内，固定。
操作液压缸工作伸出，2号底板坐于4根主承力柱上，卸开2节井架体与3及6节井架体螺栓固定，操作液压缸工作，3及6节井架体下行，坐于2号底板座上，螺栓固定2节井架体与3节井架体。
松开2号底板座与3号底板座连接螺栓。
同理将3至6节井架体安装到位。第6节井架体下部最后直接插入第5节井架体4根主承力柱上。
安装好主架体后，其主受力为每层内部的4根主承力柱。每层内部的4根主承力柱从下到上相互插接形成塔型结构。
拆卸工作原理相反。
 
 
桅型主井架体安装到位，吊装绞车，穿大绳，吊装游车系统，用游车系统吊装钻台面，吊装副井架体，最后形成整个井架系统。
也可在安装好第1节井架体后，吊装绞车，穿大绳，吊装游车系统，并将游车系统固定后继续将2至6节井架体安装好，要同时操作绞车松大绳，使之与井架体一起起升。
 
绞车上下底座组成及安装方法；
上下底座组成；下底座，支撑柱，上底座
 
安装方法；
绞车与钻台安装使用上下底座螺纹丝扣连接原理。
先安装下底座到位。
用吊车将绞车吊装到井架体后边上底座上。
通过上底座四角孔洞将四立柱依次与下底座丝扣连接并上紧。
用吊车吊绞车到四立柱上部，也可绞车通过自己动力爬升到四立柱上部，穿上固定销，使绞车与四立柱连为一整体。
通过绞车主支承柱上的孔洞吊装主支承柱并与底座丝扣连接固定。
再次抬起绞车松开固定销下放到位与主支承柱连接并固定。
 
钻台上下底座组成及安装方法；
上下底座组成；左右下底座，支撑柱，上底座
安装使用上下底座螺纹丝扣连接原理
安装方法；
下底座在井架体安装之前安装，下底座为多块长方体，上部有丝扣孔，用于与支承柱丝扣连接，其多块长方体互相由销子连接，吊车吊装到位。
上底座即钻台面，其为承载钻盘，人员活动及摆放仪器的工作平台。其钻台面为多块长方体由销子连接。
将钻台面吊装到底坐位置，将4根辅支柱由钻台面上4孔与底座丝扣连接。
用游车系统将将钻台面吊装于4根辅支柱上，销子连接。
将4根主支柱由钻台面下部吊装到位，下部丝扣连接并拉紧，松开辅支柱与钻台面销子，下放钻台面坐于4根主支柱上，上部丝扣拉紧，组装到位。 
               
 
副架体组成及安装方法；
以8000米架体为例
副架体组成；1，2，3，4，节架体，2层平台，支撑柱。
 
安装方法；
 
  副架体为前开口形4节结构，从上到下利用销子连接为一整体。
  绞车与上下底座安装好后，并将游车系统安装就位。
  先液压起升第6节井架上升，升高主架体高度，为提升副架体让出空间。
  用天车辅助起升系统吊起副架体第1节到钻台面，换用游车系统提起副架体第1节。
用游车系统提起副架体第1节到一定高度，用天车辅助起升系统吊起副架体第2节到钻台面，并座于钻台面上，下放副架体第1节与第2节销子连接。
再用游车系统提起副架体第1节与第2节上升到一定高度，用天车辅助起升系统吊起副架体第3节到钻台面，并座于钻台面上，下放副架体第1节第2节与第3节销子连接。
用游车系统提起已装好的副架体上升，让出下部空间，为吊装2层台让出空间。
用钻台上的气动或液动小绞车起升系统吊起2层台到钻台面，下放已装好的副架体对接好固定后再次提起，为下部架体安装让出空间。
依次组装好副架体1,2,3,4,节座于钻台面上并固定，液压下放主架体，使天车台座于副架体上，并固定。
利用游车系统组装支撑柱，并提升倒入2层台，利用销子固定，与主副架体形成塔式结构。
组装好后的副架体为主受力体，主架体为辅助受力支撑体。