頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的技術(shù)應(yīng)用研究

冷士華

摘要:在21世紀(jì)鉆井自動(dòng)化的大潮下,頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)成為鉆井行業(yè)的寵兒。文章對(duì)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞:頂驅(qū)裝置;頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);鉆井自動(dòng)化

中圖分類號(hào):TV435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)29-0189-02

自1981年12月美國Varco公司研制的頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(簡稱TDS、頂驅(qū))投入使用以來,頂驅(qū)逐漸被世界各國石油鉆井界所采用,現(xiàn)在已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。它適用性極廣,從2000米到9000米的井深都可以使用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng);從世界鉆井機(jī)械的發(fā)展趨勢上看,它符合21世紀(jì)鉆井自動(dòng)化的歷史潮流。目前,淺海上鉆井船或平臺(tái),幾乎全部裝備了頂驅(qū),陸地石油鉆機(jī)也越來越多地裝備了頂驅(qū),繼美國Varco公司之后,挪威的Maritime Hydraulics公司、法國的ACB-Bretbr公司和TRITEN公司、美國的National-Oilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用頂驅(qū)。現(xiàn)在,我國赴國外打井的隊(duì)伍,如果沒有安裝該系統(tǒng)將不允許在投標(biāo)競爭中中標(biāo),由此可見,頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)已經(jīng)到了非用不可的地步。

一、頂驅(qū)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前,頂驅(qū)的種類很多,但在結(jié)構(gòu)上不外乎由以下幾部分組成。

(一)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置有電動(dòng)和液壓兩種。通常采用一臺(tái)或兩臺(tái)交流(或直流或液壓)馬達(dá),經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速,提供鉆井動(dòng)力。美國的Varco 公司和National-Oilwell 公司以及我國生產(chǎn)的頂驅(qū),采用的是交流或直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,加拿大的Tesco 公司生產(chǎn)的500HS、500HC頂驅(qū),采用的是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式。

(二)傾斜裝置

傾斜裝置由機(jī)械臂、吊環(huán)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)又分氣動(dòng)、液動(dòng)兩種。氣囊或液缸使機(jī)械臂帶動(dòng)吊環(huán)前擺、后擺,在接單根及從指梁取放立柱時(shí)使吊卡可自動(dòng)擺到位。

(三)管子處理裝置

該裝置體現(xiàn)了頂驅(qū)的最大優(yōu)點(diǎn)。它由扭矩鉗、內(nèi)防噴控制閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。扭矩鉗在液壓作用下,可在任何時(shí)候、任何位置完成上卸扣作業(yè)。內(nèi)防噴器控制閥在停泵情況下,可操作機(jī)械臂任意開關(guān),這既可節(jié)約鉆井液又可實(shí)施井控。

(四)扭矩管、平衡系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)

扭矩管也稱導(dǎo)軌,為頂驅(qū)提供了上下滑動(dòng)的導(dǎo)軌,起扶正作用,便于接立柱時(shí)對(duì)扣和下套管時(shí)對(duì)套管扶正,同時(shí)用來抵消鉆井過程中鉆具旋轉(zhuǎn)的反扭矩,即將反扭矩傳到井架底座上,而不傳給井架。平衡系統(tǒng)采用雙液壓平衡液缸,其作用類似于大鉤彈簧。冷卻系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)管組成,向鉆井電動(dòng)機(jī)提供冷卻空氣。

(五)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)提供給操作者一個(gè)操作頂驅(qū)所有動(dòng)作的控制臺(tái),包括司鉆控制及儀表控制臺(tái)、電纜、液壓管線、氣管線等。

(六)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)

美國Varco公司生產(chǎn)的IDS-1型頂驅(qū)及國產(chǎn)DQ-60D型頂驅(qū)的鉆井液可由電動(dòng)機(jī)軸上部相連的沖管總成經(jīng)空心電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)襯管流入鉆柱進(jìn)行循環(huán)。而加拿大TESCO 公司的頂驅(qū)安裝在普通鉆井水龍頭下面。前者將馬達(dá)、水龍頭、齒輪減速機(jī)構(gòu)集于一體,設(shè)計(jì)緊湊。

二、現(xiàn)行頂驅(qū)裝置系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

(一)頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)相比,頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)。

1.起下鉆過程簡單。常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)接單根的鉆井過程如下:(1)打完單根后停止旋轉(zhuǎn)和循環(huán),提升系統(tǒng)上提方鉆桿,卡瓦卡住鉆具,用液壓大鉗松開鉆桿與方鉆桿的接頭連接;(2)將方鉆根與鼠洞中的單根連接,液壓大鉗上緊,提升方鉆桿;(3)將與方鉆桿連接的單根與下部鉆具對(duì)扣,液壓大鉗上緊;(4)提起卡瓦,開泵循環(huán)鉆進(jìn),放入方瓦旋轉(zhuǎn)。

使用頂驅(qū)接立柱的鉆井過程如下:(1)打完立柱后停止旋轉(zhuǎn)和循環(huán),卡瓦卡住鉆具,用管子處理器的扭矩鉗松開鉆桿接頭與保護(hù)接頭的連接,動(dòng)力馬達(dá)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)卸開連接螺紋;(2)打開吊卡,提升頂驅(qū);(3)自二層臺(tái)接立柱,與下部鉆具對(duì)扣;(4)降低頂驅(qū),使中心管與立柱上部接頭對(duì)扣,馬達(dá)順時(shí)針旋扣并達(dá)到規(guī)定扭矩;(5)提起卡瓦,開泵循環(huán)鉆進(jìn)。

2.操作安全。由于頂驅(qū)采用立柱鉆進(jìn),接單根總次數(shù)僅為通常的1/3,傾斜裝置可以使吊環(huán)、吊卡擺至小鼠洞或二層臺(tái)指梁,大大減少了作業(yè)者工作的危險(xiǎn)程度。

在起下鉆遇阻、遇卡時(shí),管子處理裝置可以使中心軸與鉆桿在任何位置相接,開泵循環(huán),進(jìn)行立柱劃眼作業(yè)。

與轉(zhuǎn)盤鉆起下鉆遇阻、遇卡時(shí)的操作對(duì)比:采用方鉆桿與轉(zhuǎn)盤時(shí),就得卸掉一到兩個(gè)單根,接方鉆桿劃眼,每次只能劃一個(gè)單根。在大位移井接單根劃眼,卡鉆、鱉泵的危險(xiǎn)性較大,特別在上提遇卡和下放遇阻時(shí),很難接方鉆桿循環(huán)。如果使用頂驅(qū),很容易在任何時(shí)間、任何位置立即用在鉆柱上的動(dòng)力水龍頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆具循環(huán)鉆井液,大大減少了卡鉆等復(fù)雜情況。在下套管遇阻時(shí),可迅速接上大小頭,邊循環(huán)邊旋轉(zhuǎn)下放,通過遇阻井段。扭矩管及托架總成起扶正作用,保證下套管作業(yè)中套管居中。頂驅(qū)內(nèi)防噴閥及其執(zhí)行機(jī)構(gòu),在發(fā)現(xiàn)井涌時(shí)可立即執(zhí)行井控動(dòng)作,其作用類似于方鉆桿旋塞。

3.節(jié)約輔助鉆進(jìn)時(shí)間,提高鉆井效率。由于頂驅(qū)采用立柱鉆進(jìn),鉆完一立柱后可直接加一立柱鉆井,因此每鉆完一立柱比常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)鉆完一立柱要節(jié)約2/3以上的輔助時(shí)間,僅此一項(xiàng),可提高鉆井效率15%～20%。在取心鉆進(jìn)中,用立柱鉆進(jìn)省去了許多復(fù)雜的操作,提高了取心收獲率。國內(nèi)外大量實(shí)踐說明,采用頂驅(qū)可減少鉆井時(shí)間10%～30%。

4.特別適用于鉆定向井、水平井。常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆在提鉆時(shí)不能實(shí)現(xiàn)倒劃眼,提鉆時(shí)(尤其是鉆大斜度井或水平井時(shí))阻力特別大,因此鉆井的有效井深受到了限制。而頂驅(qū)鉆井可以在邊提鉆時(shí)邊旋轉(zhuǎn)鉆柱(即倒劃眼),變靜摩擦力為動(dòng)摩擦力,其摩擦系數(shù)大大降低,從而鉆井能力可以比相同鉆探能力的常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆有明顯提高,從而可大大降低鉆井費(fèi)用。

5.安裝維護(hù)簡單,操作方便靈活。頂驅(qū)由動(dòng)力裝置、傾斜裝置、管子處理裝置、扭矩管等幾部分組合在一起,拆裝方便。在使用中按照操作要領(lǐng)進(jìn)行操作,定時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)、檢查,整個(gè)系統(tǒng)由安裝在司鉆面前的控制臺(tái)控制,操作簡單、方便、靈活、可靠。

(二)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的缺點(diǎn)

1.管理不善停機(jī)。如果不能很好地加以管理,頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置將會(huì)造成鉆機(jī)停機(jī)。據(jù)美國Varco公司調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在1995年前的相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi),頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置電路故障占其停機(jī)修理的42%,而機(jī)械故障占其停機(jī)修理的58%。

2.切斷鉆井鋼絲繩。以TDS—3型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)為例,用它鉆三口井總重量為21216 kg,其中包括游動(dòng)滑車和水龍頭,些附加的重量相對(duì)于傳統(tǒng)的方鉆桿——轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)來說增加了切斷鉆井鋼絲繩的頻率。

3.海上作業(yè)颶風(fēng)疏散。一個(gè)不利的維護(hù)方面就是井架上的鉆桿必須在颶中疏散。如果那些鉆桿在下套管時(shí)不能事先坐定,則須將其放下去。用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)下放作業(yè)與方鉆桿一轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)大體上相同,兩者之間唯一的差別就是用方鉆桿一轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)時(shí)在裸眼井中其進(jìn)尺數(shù)決不會(huì)超過2m鉆桿,而頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)在裸眼井中隨時(shí)都可保持預(yù)期的進(jìn)尺數(shù)。舉例來說,井架上包括1219 m套管5486 m鉆桿需要12～14個(gè)小時(shí)才能全部被放下來。

因此,頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置在實(shí)踐中仍有繼續(xù)改進(jìn)。

三、新技術(shù)下頂驅(qū)裝置的改進(jìn)方向

1.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置目前還不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆進(jìn)。它只實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的局部自動(dòng)化,還沒有將司鉆從剎把前解放出來。如能將頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置與盤式剎車自動(dòng)控制鉆壓、控制動(dòng)力水龍頭轉(zhuǎn)速等參數(shù)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)司鉆盼望的自動(dòng)送鉆等,必將使鉆機(jī)自動(dòng)化躍上一個(gè)新的臺(tái)階。

2.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置自身重量大,減小了游動(dòng)系統(tǒng)的有效起重量,增大了鋼繩、軸承等機(jī)件的磨損甚至破壞率,因此必然引起其他機(jī)件設(shè)計(jì)、制造、材料等方面的改進(jìn)。

3.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置要向結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕、尺寸減小的方向再加以改進(jìn),才能滿足修井機(jī)、輕型鉆機(jī)改裝的要求,才能尋求到更廣闊的市場。