旋轉提升短節(jié)鉆井工具開發(fā)與應用

王小紅，廖志勇，李占柱

（川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

在鉆井作業(yè)現(xiàn)場，安裝、拆卸鉆鋌是一件很費時、費力且需要多人配合有一定安全風險的工作，不管是否配備頂驅，都存在上述問題，為便于了解現(xiàn)場實際，將鉆井作業(yè)接頂驅的方法分成兩部分詳解。

1 無頂驅鉆機接鉆鋌的方法

由于鉆鋌在整個鉆具的下部分，目前氣井施工所需鉆鋌大部分為7英寸，8英寸，少部分為英寸及其他規(guī)格。一般鉆鋌的配備數(shù)量為（120～200）m，單根鉆鋌重量一般為（1.5～2）t。沒有配備頂驅的鉆機，接鉆鋌（單根，立柱）的方法就是通過人工推鏈鉗的方式先實現(xiàn)引扣，最后用B型吊鉗緊扣。拆卸方法基本相同。

（1）接鉆鋌單根的方法。不需要卸掉方鉆桿，用提絲提鉆鋌單根入小鼠洞，然后直接在小鼠洞方面接鉆鋌單根。

（2）接鉆鋌立柱的方法。接兩根及以上鉆鋌首先需要將水龍頭及方鉆桿入大鼠洞；再用提升短節(jié)將單根鉆鋌入小鼠洞，上卡瓦，再提1根鉆鋌入鼠洞用大鉤接鉆鋌，大鉤鎖銷必須打開，接第三根時需要司鉆配合好，上提合適的力量。為了方便接鉆鋌單根或立柱，大鉤必須能自由旋轉。

（3）存在的問題。接鉆鋌立柱盡管工作多年，但是工人推鏈鉗仍然很費力，有時甚至需要（3～5）人推鏈鉗，上2個鏈鉗，這當然與司鉆技術有很大關系。

2 配備頂驅鉆機接鉆鋌的方法

接鉆鋌單根的方法。如果沒打開井口，先用提絲吊鉆鋌入小鼠洞，然后用提升短節(jié)替代提絲（必須緊扣），再繼續(xù)在小鼠洞用頂驅接接第二根鉆鋌最后是第三根鉆鋌。如果井口已經(jīng)打開，且有鉆具在井下，則需在井口接單根鉆鋌。

接鉆鋌立柱的方法。在小鼠洞用頂驅接成立柱，將立柱提到立根臺上面，鉆頭已經(jīng)入境井則直接在井口接鉆鋌立柱。

（1）存在的問題。由于鉆鋌比較重，推單根鉆鋌引扣時，用雙鏈鉗（3～4）人基本可以推動；但是如果接兩根及以上鉆鋌時，現(xiàn)場有兩種方法：一種是上面頂驅牛頭吊卡防松或略微上提一些力量，人工用雙鏈鉗強行推，有時需要（4～6）人，鏈鉗經(jīng)常推斷，一口井有時損壞鏈鉗（3～4）把。另一種方法：對于鉆鋌規(guī)格更大的鉆機，由于鉆鋌太重（僅7英寸鉆鋌立柱3根重量達到5.7 t，9英寸及以上的更重），井隊人員根本無法推動鉆鋌立柱，鉆井隊用轉盤反轉的方法接鉆鋌，這種方法實際井下風險很大（井下鉆具落井，鉆臺鉆具甩飛風險），用轉盤正反轉上卸扣屬于違章操作，但是無法解決此類問題屬無奈之舉。

（2）風險。主要有3個方面的風險，淤多人在井口或小鼠洞周邊費力推鉆鋌，因鉆臺空間受限及井口工具多，再考慮環(huán)境因素，有一定的安全風險；于費力、費時、費工具，勞動強度大，工效低，一般一口井扳斷多根鏈鉗；盂上扣的鉆具（包括接頭等）存在倒扣的可能。

（3）小結。沒有配備頂驅的井隊，通過大鉤的配合，接鉆鋌立柱盡管費力工效慢但問題不太大。配頂驅的井隊，因鉆鋌立柱太慢需要多人推，安全風險大甚至推不動，只能采取違章辦法接鉆鋌立柱。因此，現(xiàn)場存在急需解決的問題。

3 頂驅旋轉頭不能負重旋轉的原因分析

（1）問題的提出。配備有頂驅的鉆井隊，假設旋轉頭可以負重旋轉（負重旋轉能力逸50 t），從理論上講，則可以通過旋轉頭正反轉負重轉動，來實現(xiàn)對鉆鋌的引扣，但是目前市場上還沒有這種頂驅，通過一下分析可以了解旋轉頭不能負重旋轉的原因。

（2）頂驅旋轉頭負重旋轉會導致設備損壞。頂驅對鉆具的正反轉旋轉是通過主軸驅動，旋轉頭可以360°正反轉，在傾斜液缸的配合下，主要作用是實現(xiàn)吊卡伸到一定位置取放鉆具。目前市場上所有頂驅旋轉頭，均無法實現(xiàn)負重鉆具旋轉，這是由頂驅的結構特點決定的。

（3）小結。從理論上說，可以改進頂驅的結構來實現(xiàn)旋轉頭負重旋轉，但這需要對頂驅的整體結構進行大改動，由于自1982年第一部頂驅產(chǎn)出以來，還沒有旋轉頭可以負重旋轉的頂驅，且頂驅產(chǎn)品已成熟，因此對成熟產(chǎn)品進行系統(tǒng)改進設計需要時間和實踐驗證，周期長、費用無法預測。所以，解決該類問題需要換個思路，可以考慮設計配備一種工具來解決問題。

4 旋轉提升短節(jié)鉆井工具設計方案簡介

既然頂驅的結構特點決定了旋轉頭無法實現(xiàn)負重旋轉，否則會很容易導致設備損壞?，F(xiàn)場接鉆鋌又存在費時費力、安全風險大且鉆具存在倒扣的可能。因此，可以考慮設計一個工具既實現(xiàn)鉆具自由旋轉，又不損壞頂驅設備來解決此類問題?；舅悸肥窃O計越簡單越好，本著安全實用且簡單的原則設計一個工具。經(jīng)過溝通，旋轉提升短節(jié)的結構初具雛形，由于北京石油機械廠（長慶戰(zhàn)略合作單位），設計、加工產(chǎn)品，費用由北石承擔。

（1）旋轉提升短節(jié)的技術特征。要求旋轉提升短節(jié)的基本功能是提升一根短節(jié)，在吊卡提升最大懸重工況下可自由旋轉，具有轉動靈活、安全可靠的特點。應用旋轉提升短節(jié)，可極大地降低勞動強度和提高作業(yè)效率，可有效減少或避免人身傷害的發(fā)生。

（2）旋轉提升短節(jié)所用軸承的選擇。徑向球軸承、軸向圓柱推力軸承為德國SKF公司生產(chǎn)自潤滑產(chǎn)品，軸承可以承受93 t靜載荷，承受40 t動載荷不失效。在工廠內(nèi)試驗，實際達到100 t靜載荷不失效，提升短節(jié)下部實現(xiàn)無阻礙旋轉。

5 旋轉提升短節(jié)在現(xiàn)場的試驗

（1）現(xiàn)場試驗的人員。機械工程師、安全管理人員、鉆井技術工程師，井隊技術人員及大班人員，HSE（Health Safety Environ-ment，健康、安全和環(huán)境管理）駐井監(jiān)督員。

（2）試驗工況。某鉆井隊搬家就位后第一次接鉆頭、接鉆鋌下鉆準備打表層。

（3）試驗的HSE工作。準備試驗前召開了HSE會議，參加人員主要是參加試驗人員及井隊操作人員。試驗前做了JSA（Job Safety Analysis，工作安全分析），因是用旋轉提升短節(jié)取代原來固定式提升短節(jié)，屬于一般設備變更，對設備做了變更。分析了風險并制定了消減風險的措施，試驗中HSE需旁站監(jiān)督。

6 現(xiàn)場試驗效果評價

（1）省時。同比利用常規(guī)提升短節(jié)（不可旋轉）提升鉆鋌連接的工藝，作業(yè)效率可以提高100%～200%。由于采用常規(guī)提升短節(jié)不能旋轉，當提升兩根及以上的鉆鋌時，人工很難轉動，只能采用雙鏈鉗大力多人推著轉，或用雙B型鉗間隔性的引扣，受B型鉗鋼絲繩行程限制，每次引扣不到半圈，完成一次上扣特別耗時。采用旋轉提升短節(jié)后，僅需要一人即可利用鏈鉗帶動鉆鋌實現(xiàn)完整圓周轉動，鉆鋌轉動阻力力矩約300 N·m，一個人很容易轉動單根鉆鋌或立柱，大大節(jié)省了上扣時間。

（2）省力。過去利用常規(guī)提升短節(jié)，如果人工引扣，需要（4～6）人用2個鏈鉗才能勉強扳動鉆鋌立柱，甚至時常把鏈鉗扳斷，過去1口井正常損壞鏈鉗（2～4）把?，F(xiàn)在利用旋轉提升短節(jié)，1個人可以很輕松地利用鏈鉗盤動鉆鋌實現(xiàn)引扣。

7 改進與提高

（1）基本情況。前期設計資料查詢、從在現(xiàn)場試驗等來看，旋轉提升短節(jié)是一種新型的提升工具，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，國外的該類產(chǎn)品目前還沒有在市場上見過。該產(chǎn)品可以有效地解決常規(guī)鉆鋌連接時不能或者難以旋轉的瓶頸，規(guī)避了作業(yè)時的風險，帶來了安全、高效、便捷、經(jīng)濟的益處。此外，還可以對于其他類似鉆具的連接提供了一種成功的解決方案。在“以人為本、安全生產(chǎn)“為永恒主題的人類社會，新技術、新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)和應用應服務于、服務好這個主題。這是工程技術創(chuàng)新的出發(fā)點和落腳點。

（2）制造設計手段。該旋轉提升短節(jié)采用CAD/CAE技術設計，采用ANSYS及API RP 7G模擬分析及計算驗證，主體采用進口優(yōu)質合金鋼經(jīng)過特殊熱處理工藝加工而成，軸承、密封等重要元器件采用德國、美國原產(chǎn)國際知名品牌，系統(tǒng)設計安全系數(shù)>5，試驗載荷達到額定載荷的2.5倍，產(chǎn)品通過了API Spec.7-1認證，產(chǎn)品具有質量可靠、性能穩(wěn)定，操作簡易，易于維護的特點。

（3）改進思路。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，需要做2個方面的改進：其一，由于試驗的旋轉提升短節(jié)長度為1150 mm，現(xiàn)場絕大部分提升短節(jié)長度為2 m，這樣吊卡在短節(jié)本體活動空間大，便于扣合吊卡，鉆具組合也便于在二層臺指梁附件固定。其二，短節(jié)上面的提環(huán)需要取消，短節(jié)的上部分可以加工成母扣。

（4）工具的配備。配備旋轉提升短節(jié)的數(shù)量與規(guī)格要根據(jù)鉆機配備的鉆鋌數(shù)量與規(guī)格來確定。

8 總結

根據(jù)鉆井作業(yè)現(xiàn)場存在的問題來設計的鉆井工具，從設計方案的提出、設計思路的梳理到現(xiàn)場試驗，基本符合新產(chǎn)品開發(fā)流程，從試驗效果來看，解決了現(xiàn)場存在的問題，后續(xù)需要再改進、再試驗以實現(xiàn)產(chǎn)品成熟。