适用于钻井和修井作业的新型钻机理论.pdf

新 I 石 泊 科 技 信 息 第 2 l 卷第 3 期2 0 0 0年 9月 ／ ‘ 1 ＼ ／ 6 f6适用于钻井和修井作业的新型钻机理论 r e g y 。 9 H y d r a U fl钻机采用动力液缸提升管柱 轻7钻机的重量 翻 译 苎 墨 西 南 石 油 学 院 机 械 工 程 系 校对程晓年 新疆石油局钻井工艺研究院 擅 要 f 甲 哆 采用钢丝绳作起升补偿，与常规钻机相比不但降低 了重心的位置，而且减 主 题 词 竺兰 苎 竺 垫 理 诌 0引言 钟 ． 铀 原油价格下降以及世界各地 区的经济滑坡 现象促使了钻机的更新和换代。在不远的将来使 用者将面临竞争更加激烈的钻机市场．尽管无法 预测未来国际市场情况，但业已存在的市场压力 将使原油产量与需求量之问的差距减小 ，因此前 景还是比较乐观的。随着钻井承包商的减少，与 过去相比．效率就成为越来越重要的因素 为适应钻机市场的需求， H y d r a l i f t 公司一直 致力于新设备的研究， 从而研制出的新 Hy d r a l i f t 钻机 ，该类钻机适用于开发、完井、修井及各种 采油修理等作业。 新钻机的设计采用液压油缸来完成起下钻 操作， 取代了常规钻机的绞车， 与常规钻机相比， 降低 了重心，减轻了重量。用连接于液缸的 6 根 钢丝绳来完成补偿作业。钻柱以立根方式排放于 钻台上的指梁上，同时套管 每 2 根也排放在 指板上 。为优化效率和充分利用新设计的功髓， 采用 了一个塔式钻柱排放结构。钻柱和套管的操 作与在钻台上的操作无关，钻柱排放于可调节的 指板上，随时都可以移置井眼中心 。 第一套装置是在 1 9 9 7 1 9 9 8年，经过 n个 月的时间，在挪威完成设计和制造的。该装置现 安装在 S t e n aT a y 半潜式平台上， S t e n a“F a y 半潜 式平台在新加坡制造，并于 1 9 9 9年 1月投入使 用 。 在 1 9 9 8 年， 同挪威的 S t e n a 钻井有限公司签 定 H y d r a l i f t 钻机 7 5 0 ／ 3 6型的第 2份制造合 同。该钻机将安装在 S t e n a D o n半潜式平台上， 目前正在德国的 K v a e r n e r Wa r n o w造船厂制造。 该钻机打算用于频繁的连续油管修井作业 ，因此 同常规钻机相比，管柱操作系统、防喷系统以及 送进装置都有所改变，最突出的特点之一是有一 个连续油管朴偿台。同常规井架相比该井架属于 更加封闭的类型．并具有足够的能力排放深井作 业时的钻杆和套管 Hy d r a l i fl钻机的目标是研制简单、 安全、高 效地完成常规钻井作业的 同时 ．要具 有其它 特殊的操作功能 ，如连续油管作业时的朴偿功 能。此外，也扩展了钻井船本身的功能，如该装 置可通过降低滑轮组的高度切换到移动状态搬 迁到另一井位，无需象大部分钻井平台所要求的 那样，放下钻杆或钻杆盒。 H y d r a l i f t 钻机主要有以下部件组成 ， 1 起升液缸和传动设备； 2 起重补偿液缸； 3 井架、钻台和底座； 4 管子操作系统； 5 钢丝绳起升张紧系统； 6 防喷器和采油树系统； 7 液压动力系统。 1 起升液缸传动设备 7 5 0 ／ 3 5 型H y d r a l i f t 钻机系统由带有支承的 3 个液缸、具有导向滚柱的滑轮组、滑轮及钢丝绳 组成 如图 1 所示 。 1 ． 1 主起升液缸 3个主起升液缸垂直安装在井架太腿之间， 固定在滑轮组中心。当某个液缸发生失效时，可 维普资讯 第2 1 卷 第3 期 范强适用于钻井和修井作业的新型钻机理论 ‘ ‘ 以减少液缸的数量，但相应地降低了起升能力。 圈 1 7 5 0 t 3 6型 Hy d r a l i f t 钻机 侧视 图 活塞杆表面采用金属氧化镀层，与活塞杆的材料 镍， 铬镀相匹配 抛光加工的活塞杆表面上豪 4 有刻 度系统，能够准确指示冲程的大小。其最大行程 为 3 6 m。 1 ． 2 滑轮组 用于提升的滑轮组由6 个滑轮和钢结构支架 组成 。另外 5 个滑轮用于辅助设备的提升，如液 压设备、电机、气动及泥浆等设备 滑轮组由 4 个滚柱支撑 每边 2 个沿井架 大腿上下垂直运动 3个主起升液缸固定在滑轮 组的最低端并施加一平衡推力。每个滑轮槽内都 装有尼龙制成筋状填料，而且更换十分方便 。 滑轮组的维修保养可以在钻台上进行，也可 以将滑轮组降低到甲板上进行。在井架内设置了 滑轮组提升和下放的专用工具 1 ． 3 平衡器和钢丝绳总成 最大起升载荷 7 5 0 t ， 均匀分配在 6 根钢丝绳 上，与钢丝绳的极限安全系数 3 ．5相比，钢丝绳 安全系数足够 。起升钢丝绳固定在平衡器系统． 这样即使钢丝绳的长度有所差异．也能保证每根 钢丝绳的拉力相等 平衡器固定在一个机械式的 轭架上，而轭架与主动提升补偿系统连接一起固 定在钻台上。 起升钢丝绳 的另一端固定在支撑顶驱的托 管台架上 死绳端从滑轮前端穿人到平衡器系 统，不存在乱绳和打结。 滑轮组 中使用大直径滑轮保证 了足够的使 用寿命，这是因为钢丝绳的直径与滑轮直径之比 较大 ， 以及相对较小的移动速度、 大的安全系数。 对于常规的钻井作业，滑轮运转频率相对较低， 预计钢丝绳的使用寿命可达 1 0 0 万狄，即可连续 钻井 1 a而无需更换钢丝绳。更换钢丝绳所需的 时间相对较短．并可采用钻台上的绞盘来更换钢 丝绳 2 起升补偿装置 如图 2 所示， 起升补偿装置是一个独立单元 - 垂直安装在起升钢丝绳死绳一侧。在井架顶部无 需支撑结构．与常规的天车游车系统相比，重量 大大减轻，所需费用显著降低 补偿器系统通过 广泛的实验验证，具有良好的运动轨迹。另外一 个优点是减小了液缸 的磨损 ．因为在补偿过程 中．液缸无需上下运动 同时由于无需使用 3个 液缸提升滑轮组 ．因此补偿系统所需的功率也有 所减小。当补偿能力为 2 7 0 t 时，由于补偿液缸的 直径较小，所需的压力油的流量也相应减小。当 起升载荷小于补偿器的额定最大载荷时，就可以 采用提升补偿器来完成起升作业。控制系统划分 为 2 个单元，一个用于起升，另一个用于补偿， 系统相对 比较简单 。 图 2提升 补偿 器 注 正常工忭范 围为 4 - 2 ． 6 舸 f 对行程 5 ． 2 m 最大工作范 陌-3m 柑对行程 6m 最太提升速度 l _2 2 m／ s 3 井架、钻 台和底座 井架 的主要功用是用于滑轮组和托管台架 的导向和承受顶驱的反扭矩 井架的设计保证了 较轻的重量．并具有足够的刚度。由于在井架的 一 侧需安装套管支架 ，因此井架的设计保证了从 3个不同的方向都可以向钻台上运送设备 尽管 维普资讯 新 ■ 袖 Ht信 息 2 I ， o 0 年 9 套管支架安装在井架上，仍能保证钻工和他的助 手在钻进操作过程 中具有较宽的视野 。 4 管子操作 系统 管子操作系统包括 2个单元。第 1 个单元包 括管子操作升降机构 、指梁和一个独立的与钻工 紧密结合的管柱竖起系统．用于钻进过程 中竖立 钻柱 立根或 2 根套管 。 管子操作升降机构，使用一个旋转机械式的 夹具，即使在升降机构处于摆动的情况下 ，也能 够实现所需 的操作功能 同时具有 自动矫正功 能，能够使管子保持在所要求的水平方位角。 指梁能够容纳大部分常规尺寸的管柱， 并且 可以根据管柱的不同尺寸进行调节 1 1 3 9 7 J l l l I I 钻 杆 1 9 8柱 ； 2 1 6 8 ． 3 n l n l 钻杆 1 9 2 柱； 3 2 4 1 ． 3 n l n l 钻铤 1 0柱 ； 4 5 0 8 n l n l 套管 6 0柱 ； 5 4 0 6 ． 4 n l n l 套管 6 0 柱； 6 3 3 9 ． 7 n l n l 套管 1 2 3 柱； 7 2 9 8 ． 4 n l n l 套管 1 2 3 柱； 8 2 4 4 ． 5 n l n l 套 管 1 8 3柱 。 立柱的操作采用带有特殊摇杆 1 3 2 ． 0 8 c n l 带 有浮筒的多功能起重机和一根 7 6 2 n l n l的套 管，该套管放置在钻柱水平摆放区域与天车台之 间。可以采用常规的提升工具或起重机将立柱竖 起到垂直位置。 5 钻井立柱张紧系统 近期，在深海钻井、输送和采油的作业中使 用了立柱张紧系统，已获专利的钻井立柱张紧系 统得到了广泛的发展。该系统与传统的钢丝绳系 统相比具有很多优越性 1 成本低 、重量轻； 2 直接控制立柱； 3 维护简单； 4 系统功能多； 5 系统运移方便； 6 安全性好 。 由于系统的设计适应性好， 操作者可以按不 同的方式配置液缸 以满足底座和管柱或防喷系 统的特殊布置要求。当液缸安装在与钻台相连的 起下钻省时装置 已获专利的横梁上时，该张 紧系统得到了进一步的发展。能够实现在井 口以 下拆卸管柱 ，保证 了采油装置的起下操作。当起 下管柱时，尤其在深井作业时，有效地节约了起 下管柱的时间。 当拆卸管柱出现紧急状况时，该系统具有另 外一个明显的优点 。即在提升或管子拆卸过程 中，系统能够保证对管柱的直接控制 。系统能够 控制瞬时的最大载荷，同时当关闭管柱回流系统 时，能够将管柱快速向上提升。 系统具有极高的可靠性 即使 2个张紧元件 发生失效时，其设计也能够保证系统在最大的提 升能力下工作。当不存在附加载荷时，系统和部 件的设计保证了系统可长期可靠地工作。 张紧系统的典型能力为 1 液缸数量为 6 个； 2 采用 4 个液缸时，当压力为 2 0 ．7 MP a t 其最大张紧力为 1 4 ． 6 2 1 0 k N； 3 当压力为 1 7 ． 4 MP a ， 其平均张紧力为 l L l 2 1 0 k N 4 一般最大行程为 l 5 ．2 4 m， 也可达到 1 9 ．8 l m。 张紧系统的配置和能力大小可进行调节。比 如，可提高张紧力和加大冲程长度 6 防喷器和采油系统 防喷器和采油系统在 月形开 口区域有一个 悬臂梁系统，可同时移动。 若防喷器经过严格 的实验验证同时连接安 装了 L MP R系统时， 可采用以下步骤来移动防喷 器和采油树。 1 把采油树放在滑橇上，并移动到井眼中 心 位置 ； 2 采用钻井锕丝绳系统将采油树提起，移 开滑橇 ； 3 下放采油树置悬臂梁上 ，该悬臂梁固定 在船体导向系统的主甲板上 保证采油树的上部 刚好置于主甲板上部； 4 把防喷器组从存放位置移动到井 口； 5 提起防喷器，移开滑橇； 6 下放防喷器组 ，与采油树连接在一起； 7 提升整个总成，缩回悬臂梁，通过船体 的导向和飞溅区域来移动整个总成； 8 拆卸时．采用与之相反的步骤进行。 7 液压系统 维普资讯 第2 1 卷 第3 崩 范强适用于钻井和修井作业的新型钻机理论 6 5 液压系统包含 3 个不同的子系统 1 用于主起升液缸和顶驱的液压系统 ； 2 用于主动提升补偿器的液压系统； 具 3 用于环形管线的液压系统。 液压系统属于带有电控制的液力传动系统 。 该型液力传动广泛应用于重工业，不但适用于海 上而且适用于陆地。 无论在主动模式 提升 还是在被动模式 下 放情况下，都具有多种功能。例如，自动钻压 控制功能，自动钻速控制功能和提升补偿功能。 所有这些功能的实现都是从 司钻控制室进 行控制，逻辑编程控制器实现系统的控制。该系 统被认为是 目 前市场上可靠性高，使用性能好的 设备，多年来的现场实验也证明了这一点 。 由于电动液压系统的适用性能好 ，因此可减 少 1 个或 2 个液缸，当载荷减小时，可提高提升 速度 当负载较小时，也可采用动力储能器来加 大提升速度。当提升时，应释放储能器的能量。 若发生卡钻 ， 液压系统就可保持恒定的张紧 力，起升系统就可随钻机提升，其张紧力大小可 以通过控制室进行调节 。 8 连续油管操作 连续油管操作的设计基于以下参数 1 j带支架总重为 4 0 t 2 用升降机竖起时支架总高度为 1 6 m； 3 在支架内注入头的提升高度为 2 m； 4 支架和设备应作为一个整体进行操作。 注入头 绞车和防喷器将固定安装在连续油 管支架内， 即安装在钻台上， 靠近连续油管滚筒。 对于不受限制的操作 ，操作 区域具有足够的高 度。采用动力滑橇将连续油管支架从存储区移动 到井 口。也可采用滑橇来移动重型工具或设备 ， 比如井口自喷装置、卡盘及水下组件等 。 连续油管防喷器可以在安装位置进行测试， 台架上配有梯子，以便对重要部件进行检测。 为了在操作过程中移动整个总成 ， 连续油管 支架内安装有导向悬臂梁。 典型的操作步骤如下 1 使用滑橇将海下设备移动到钻台下井眼 中心部位，如防喷器、接头、采油树等； 2 将高压双立管与海下设备连接起来 3 移出滑橇的同时，将水下组件下人海中； 4 提升立管使其露出井 口，并用短节将其 隔开 5 将防喷器， 采油树滑橇移到井 口； 6 将立管总成悬挂在滑橇上，拆开移动工 7 取出移动工具至钻台上，并将滑橇向后 移动 4 m左右。 8 提起耐磨短节，悬挂在转盘上； 9 将连续油管组件移动到井 口，将导向悬 臂梁与横梁相连，并使用升降机将其提升起来； 1 0 移开滑橇 ； 1 1 将连续油管支架与耐磨短节相连接，然 后提起 ； 1 2 将防喷器， 采油树滑橇移至下部甲板井眼 中心部位； 1 3 将立管与耐磨短节相连，移出滑橇。 1 4 安装立管张紧器，使用钢丝绳下放整个 总成，接着就可进行有关作业。 9 连续油管起升补偿平 台 补偿系统的设计基于以下参数 1 总载荷 设备重量为 1 0 0 t 2 补偿冲程为 4 I l l 。 采用补偿系统是为了减小连续油管的疲 劳 破坏，对于连续油管滚筒固定在钻台上的平台进 行提升补偿，可消除连续油管和滚筒间的相对运 动 放绳或缠绳时 。在操作或补偿状态下 ，相 对运动是 由连续油管和注入头之间存在着角度 差 引起 的。 可使用 2 种不同的补偿系统．全液压作用系 统和辅助高压气动与半液压系统的组合。与市场 上应用的其它系统相比，由于主液力系统需要较 高的动力，一般选择半液压系统作为补偿系统 。 在提升工况下 ，全液压系统所需功率预计为 2 ,2 Mw ，而半液压系统 所需 的功 率仅为 5 0 0 ～ 6 0 0 k W。2 种系统所需功率的计算是根据补偿速 度为 1 ．2 2 m ／ s 得出的。应该指出的是 ，半液压系 统的工作原理与使用在北 海的起升补偿器 的工 作原理相同。 起升补偿平台的最初设计是基于众所周知 的液压起升补偿原理，即由 2 个从动液缸和 1 个 与其平行安装的主动液缸组成。 起升补偿平 台和安装在钻台上 的运动补偿 器均由连接在运动参照单元 MR U 上的可编程 逻辑计算机 P L C进行控制。 在进入提升补偿模式之前， 钻柱补偿和钻台 必须处于活塞冲程的中心部位 。通过控制气体的 维普资讯 新 油 科 扭 1 t息 2 O O O年 9 月 压力使平台处于活塞冲程的中部，接着就可以启 动主动液缸 ，这时钻台和钻柱补偿器就可以同步 运动。通过测定钻柱补偿器的位置，来确定每一 个液缸的参照点，并把液缸的测量位置作为反馈 信号。钻台补偿器和钻柱补偿器与使用 K a l ma n 滤波器的 “ 送进系统 相连，其控制是根据运动 参照单元提供的测量信号进行的 1 O 系统成 本 常规钻机与液压钻机成本的差异决定于负 载大小，对于轻型载荷，液压钻机的初始投资要 高于常规钻机，而对于重型载荷液压钻机要优越 于常规钻机。这是因为液压钻机仅把井架作为导 向系统，而常规钻机要使用井架提升负载，很 自 然要消耗更多的钢材。液压钻机把补偿装置从井 架顶部移至钻台上死绳一倜，靠近起升装置，也 相应地降低了井架的重量 1 1 未来发展 降低作业成本是未来急待解决的问题，同时 采用单船体来完成复杂的海上作业也是未来的 发展趋势。与海上钻井船相比，制造常规的船舶 成本要低。轻型的修井作业 ，如连续油管作业、 测井 、修井和安装电缆都将使用有关设备 比如 H y d r a t i f t 公司的通用井架系统 H V D S 在小型船 舶上进行 语 自 P e t r o l e u m E n g i n e e r I n t e r n a t i o n a l 1 9 9 9 4 3 9～4 3 收稿 日期 1 9 9 9 ． 1 2 3 0 { 上接 第 6 l页 按传统方法生产的所有齿轮减速涡轮钻具 ， 在井底适应的最高温度为 1 5 0℃，其耐热性最高 为 3 0 0℃ 新一代齿轮减速涡轮钻具在俄罗斯 、德国、 埃及和沙特阿拉伯进行了现场试验，测试结果的 初步分析表 明这使得开发适应新钻头要求 的涡 轮钻具和改进钻井效果成为可能。在操作中能量 参数保存期间，齿轮减速涡轮钻具的一个最重要 的优点已得到证实，就是液压涡轮钻具的参数在 操作中不用改变和涡轮钻具的轴 向轴承和主轴 浸在油中。涡轮钻具齿轮减速器部分和主轴之间 的联结接头由于径 向轴承而不承载并在油中工 作 齿轮减速涡轮钻具具有高耐热性 的特点 。 4 总结 1 广泛应用于俄罗斯的油充填式齿轮减速 涡轮钻具满足了油、气井钻井的需要 。 2 耐热 型具 有高 耐热 性指 标 3 0 0 ～ 3 5 0℃ ，世界最深井 S G r --3 1 2 2 6 0m是 由这 种涡轮钻具钻成的。 3 新一代齿轮减速涡轮钻具在钻定向井和 水平井中能达到高性能。 译 自 s P E 4 9 2 5 8 收稿 日期 2 0 0 0 - 0 3 - 1 5 维普资讯