石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)分析與應(yīng)用

宋 超，崔曉偉，鄭曉東，魏雙會(huì)，張 建

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

0 引 言

石油鉆機(jī)是指用來進(jìn)行油氣勘探、開發(fā)的成套鉆井設(shè)備，提升系統(tǒng)作為石油鉆機(jī)的核心，其主要作用是在鉆井過程中提升和下放鉆柱、控制鉆頭施加在井底的鉆壓、下放加固井壁的套管及其他輔助作業(yè)[1]。對(duì)鉆機(jī)提升系統(tǒng)進(jìn)行了分析和調(diào)研，以期為我國石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)性幫助。

1 提升系統(tǒng)分析

鉆機(jī)提升系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，出現(xiàn)了不同形式的類型，按照提升方式的不同，主要出現(xiàn)了兩大類：絞車式提升系統(tǒng)和液壓式提升系統(tǒng)。這兩種提升系統(tǒng)有著不同的提升原理和結(jié)構(gòu)組成。

1.1 絞車式提升系統(tǒng)

絞車式提升系統(tǒng)較為傳統(tǒng)，技術(shù)成熟，使用率較高，該系統(tǒng)主要由井架、游動(dòng)系統(tǒng)、絞車等組成[2]，并且出現(xiàn)了單絞車和雙絞車提升之分。其中，單絞車提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式見圖1(a)。雙絞車提升系統(tǒng)是將單絞車提升系統(tǒng)的死繩端也變?yōu)橐慌_(tái)絞車，兩臺(tái)絞車同時(shí)提升，結(jié)構(gòu)形式見圖1(b)，根據(jù)API 8C標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)有關(guān)效率計(jì)算的要求，通過對(duì)繩系效率的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，雙絞車提升系統(tǒng)在繩系效率上比單絞車提升系統(tǒng)有一定的提高，并且可以進(jìn)一步增大鉆機(jī)的提升能力，在一定程度上促進(jìn)了石油鉆機(jī)的發(fā)展。

圖1 絞車式提升系統(tǒng)

1.2 液壓式提升系統(tǒng)

圖2 液壓式提升系統(tǒng)

液壓式提升系統(tǒng)較為先進(jìn)，在陸地及海洋鉆井設(shè)備上實(shí)際使用率較低，該系統(tǒng)主要由液壓缸、井架、游動(dòng)滑車等組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2，這種提升系統(tǒng)沒有動(dòng)定滑輪之間的鋼絲繩纏繞，系統(tǒng)的繩系效率很高，并且，頂驅(qū)的提升速度是液壓缸運(yùn)動(dòng)速度的2倍。

2 提升系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 絞車式提升系統(tǒng)應(yīng)用

目前大部分陸地和海洋平臺(tái)上的鉆井包都采用了這種提升方式，并且提升能力越來越高，主要介紹幾種有代表性的平臺(tái)。

(1) 海洋石油981半潛式鉆井平臺(tái)，采用一個(gè)半井架、天車補(bǔ)償系統(tǒng)和單絞車提升方式，提升能力907 t，平臺(tái)可在不超過3 000 m水深的海域進(jìn)行鉆探工作，鉆井深度可達(dá)10 000 m[3]，如圖3所示。

(2) 馬士基雙井架作業(yè)平臺(tái)，采用雙井口井架，配備天車補(bǔ)償系統(tǒng)，雙井口分別采用單絞車提升方式。兩臺(tái)絞車左右兩側(cè)對(duì)稱布置[4]，雙井口有主輔之分，提升能力存在差別，馬士基建造了數(shù)臺(tái)該類型的鉆井平臺(tái)，如圖4所示。

(3) HUISMAN公司的多功能鉆井塔，鉆井塔取代了傳統(tǒng)井架結(jié)構(gòu)，采用雙滾筒絞車提升方式，雙滾筒絞車具備主動(dòng)補(bǔ)償功能，并且配備了快速換繩滑輪組，可根據(jù)不同工況變換繩系，以提高提升系統(tǒng)冗余性和效率[5]。該產(chǎn)品技術(shù)較為先進(jìn)，創(chuàng)新點(diǎn)較多，如圖5所示。

2.2 液壓式提升系統(tǒng)應(yīng)用

目前，有少數(shù)陸地鉆機(jī)及海洋平臺(tái)使用液壓式提升系統(tǒng)這種方式，由于其較為先進(jìn)的技術(shù)，產(chǎn)品多為國外廠家制造。

(1) 意大利Drillmec公司的液壓鉆機(jī)AHEAD375，伸縮式井架依靠油缸上下運(yùn)動(dòng)，天車隨井架升降，通過兩單根為一立根的方式起下鉆，大鉤載荷340 t，鉆井深度6 000 m，自動(dòng)化程度高。該鉆機(jī)采用垂直鉆桿架取代傳統(tǒng)二層臺(tái)存放鉆桿[6]，如圖6。

圖5 HUISMAN公司 圖6 液壓提升式鉆機(jī) 多功能鉆井塔 AHEAD375

(2) 遼寧陸海石油裝備研究院有限公司的液壓鉆機(jī)提升能力315 t，鉆深5 000 m。提升行程16 m，通過單根的方式起下鉆，鉆機(jī)整體可進(jìn)行移運(yùn)，安裝轉(zhuǎn)場(chǎng)方便[7]。其產(chǎn)品與DRILLMEC公司產(chǎn)品類似，如圖7所示。

(3) HERRENKNECHT VERTICAL公司生產(chǎn)的海洋平臺(tái)鉆井包DEEP DRILLING RIG TERRA INVADER 250 CL，最大鉤載250 t，井架高度30m，采用液缸提升方式，行程17.5 m。采用單根的方式進(jìn)行起下鉆[8]。主要應(yīng)用在自升式鉆井平臺(tái)上，如圖8所示。

圖7 陸海研究院自動(dòng) 圖8 TERRA INVADER 250CL 化液壓鉆機(jī)

(4) Frigstad公司設(shè)計(jì)的全球最先進(jìn)的第七代半潛式鉆井平臺(tái)D90，采用雙井口作業(yè)方式，配備AKER MH或NOV的液壓提升系統(tǒng)。通過液壓缸頂升游動(dòng)滑車來控制頂驅(qū)上下運(yùn)動(dòng)，井架作為游動(dòng)滑車的軌道支撐，不承擔(dān)主載荷[9]，如圖9所示。

圖9 Frigstad D90平臺(tái)

3 提升系統(tǒng)比較

表1對(duì)絞車式和液壓式提升系統(tǒng)進(jìn)行以下四個(gè)方面的比較。

表1 絞車式和液壓式提升系統(tǒng)比較

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，絞車式提升系統(tǒng)因其較為成熟的技術(shù)，在陸地和海洋鉆機(jī)中占有很大的比重，但由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較大的重量，使其重心較高，穩(wěn)定性較差。當(dāng)今鉆機(jī)的提升能力越來越強(qiáng)，這就需要結(jié)構(gòu)更大的井架和功率更高的絞車與之匹配，在海洋平臺(tái)上，井架和底座重量的上升會(huì)降低平臺(tái)可變載荷，不利于平臺(tái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展；雙絞車的出現(xiàn)對(duì)提升鉆井絞車的能力起到了重要作用，在一定程度上有利于絞車式提升系統(tǒng)的發(fā)展，但雙絞車較大的重量、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制等缺點(diǎn)也制約了其進(jìn)一步發(fā)展。因此，隨著石油鉆機(jī)鉆井能力的不斷提升，絞車式提升系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸會(huì)越來越突出。

液壓式提升系統(tǒng)作為一種新型的提升方式，在這方面具有很好的優(yōu)勢(shì)，該提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，井架只是作為游動(dòng)滑車的軌道支撐，不承擔(dān)主載荷，重量會(huì)降低很多，穩(wěn)定性也有很大提升，優(yōu)勢(shì)比較明顯，但液壓式提升系統(tǒng)的重難點(diǎn)在于液壓系統(tǒng)的研發(fā)和制造，現(xiàn)今海工領(lǐng)域的液壓元器件基本采用國外產(chǎn)品，成本較高，國內(nèi)對(duì)這種大載荷、大流量的液壓元器件研發(fā)較少，較為依賴國外產(chǎn)品，研發(fā)難度較大。但可以確信的是，液壓式提升系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，會(huì)在石油鉆機(jī)領(lǐng)域占據(jù)更多的市場(chǎng)和地位。國內(nèi)廠家應(yīng)盡早對(duì)該類提升系統(tǒng)布局研發(fā)，力爭(zhēng)占據(jù)一席之地。

4 結(jié) 語

根據(jù)鉆機(jī)提升系統(tǒng)提升方式的不同，將鉆機(jī)提升系統(tǒng)分為了絞車式和液壓式提升系統(tǒng)，通過分析兩類提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)研了國內(nèi)外兩種類型提升系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)并比較了兩類提升系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，液壓式提升系統(tǒng)作為先進(jìn)性的代表，在今后的石油鉆機(jī)中會(huì)占據(jù)越來越重要的地位。