輕型頂驅(qū)在40L鉆機(jī)上的應(yīng)用實(shí)踐

楊 志

中海石油國(guó)際有限公司，北京 100010

1 頂驅(qū)裝置的優(yōu)點(diǎn)[1]

頂部驅(qū)動(dòng)裝置首先是從海洋鉆井設(shè)備中開(kāi)始應(yīng)用，它的使用可使鉆井速度提高5%～20%，減少鉆井事故，它的倒劃眼功能還能為鉆水平井和定向井提供了有力條件，并增加了井下復(fù)雜情況處理手段。和轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井相比，頂驅(qū)裝置的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）節(jié)省接立柱時(shí)間

用頂驅(qū)取代方鉆桿、轉(zhuǎn)盤(pán)，可以以立柱為單元鉆進(jìn)，而不是單根作業(yè)，減少了2/3的上卸扣工作量。

2）預(yù)防卡鉆事故

在起下鉆過(guò)程中，動(dòng)力始終與鉆具連接在一起，遇阻卡時(shí)可迅速旋轉(zhuǎn)鉆具，建立循環(huán)進(jìn)行劃眼或倒劃眼作業(yè)，預(yù)防卡鉆事故發(fā)生。

3）改善下套管作業(yè)

在下套管過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)灌漿；遇阻卡時(shí)可通過(guò)連接循環(huán)頭實(shí)現(xiàn)邊旋轉(zhuǎn)邊下放；遇砂橋情況可開(kāi)泵解決。

4）降低其他作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

在起下鉆過(guò)程中，可在井架內(nèi)的任何位置迅速實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)與鉆具的對(duì)接、上扣和循環(huán)，這種內(nèi)在的防噴能力降低了井控風(fēng)險(xiǎn)。鉆進(jìn)過(guò)程中也降低了方鉆桿補(bǔ)心脫出的風(fēng)險(xiǎn)。

頂驅(qū)裝置的巨大優(yōu)勢(shì)使得其應(yīng)用范圍日趨廣泛，不僅僅在深井、超深井的鉆進(jìn)中成為必選設(shè)備，而且在海洋鉆修機(jī)、陸地車(chē)載鉆機(jī)、輕型鉆機(jī)中也開(kāi)始配置。

2 待鉆井的基本情況

A1井是中海石油在緬甸C2區(qū)塊的第一口預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深2780m，預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)1.3，地層巖性為砂泥巖剖面，上部泥巖性軟，易吸水膨脹造成縮徑，下部地層由于擠壓應(yīng)力作業(yè)易失穩(wěn)造成井壁垮塌。鄰井M1井在鉆井作業(yè)過(guò)程中多次發(fā)生起下鉆阻卡等復(fù)雜情況，并發(fā)生一起卡鉆事故，造成未鉆至設(shè)計(jì)井深，最終事故完鉆。

2.1 鉆機(jī)的選擇

緬甸鉆井作業(yè)最大的難點(diǎn)是鉆井資源缺乏，鉆井設(shè)備、器材等均需要從國(guó)內(nèi)進(jìn)口，造成動(dòng)復(fù)員成本高、壓力大。中石油渤鉆在緬甸境內(nèi)的ZJ40L鉆機(jī)有作業(yè)時(shí)間窗口，該鉆機(jī)2001年由蘭州蘭石國(guó)民油井石油工程有限公司于完成配套。為降低鉆機(jī)從國(guó)內(nèi)動(dòng)復(fù)員的高額成本，并實(shí)現(xiàn)盡快開(kāi)鉆的目標(biāo)，作業(yè)者通過(guò)評(píng)價(jià)，決定選擇該鉆機(jī)來(lái)進(jìn)行本井的鉆井作業(yè)。

2.2 加裝頂驅(qū)的必要性

1）本井為預(yù)探井，本區(qū)塊內(nèi)僅有一口已鉆井，地質(zhì)情況和工程風(fēng)險(xiǎn)不清楚，從僅有的一口井井史分析，本區(qū)塊的鉆井作業(yè)有較大的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；

2）海外日費(fèi)鉆井作業(yè)模式，綜合日成本高，必須要提高作業(yè)效率，縮短作業(yè)周期，降低作業(yè)成本；

3）海外作業(yè)特別是單鉆機(jī)作業(yè)情況下，必須考慮充足的設(shè)備和材料的儲(chǔ)備，加裝頂驅(qū)后水龍頭、方鉆桿可以作為有效的備用手段。

3 可行性分析

3.1 井架頂驅(qū)安裝型式及承載能力校核

3.1.1 抗壓抗扭特性分析

在傳統(tǒng)的鉆井工藝中，井架主要承受垂直載荷和橫向載荷，頂驅(qū)安裝后，改變了井架的受力狀態(tài)，使井架還受到扭矩作用。

該40L鉆機(jī)為K型井架，凈空高42.5m，滿(mǎn)足28m立柱的起下鉆作業(yè)。通過(guò)對(duì)該鉆機(jī)井架JJ225/42K受應(yīng)力較大的桿件在受壓、受扭、壓扭聯(lián)合作用時(shí)的載荷分析，非弦桿應(yīng)力最大，在改造井架時(shí)，要注意井架上部非弦桿的配置以保證這些桿件的強(qiáng)度要求[2]。但整體上看，該井架能承受加裝頂驅(qū)后正常鉆進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)扭矩。

3.1.2 反扭矩梁選擇及承載能力校核

圖1 井架背扇鋼架下橫梁

反扭矩梁為井架上承擔(dān)鉆井過(guò)程中頂驅(qū)扭矩的部件。通過(guò)廠家對(duì)井架背扇鋼架下橫梁（見(jiàn)圖1）的承載能力校核，結(jié)論如下：

1）H型鋼沒(méi)有焊縫引起的強(qiáng)韌性以及應(yīng)力集中的影響；

2）本身力學(xué)性能好，型鋼軋制時(shí)截面上各點(diǎn)延伸較均勻、內(nèi)應(yīng)力小，承載能力大，截面穩(wěn)定性好；

3）此橫梁為腹板緊湊型梁，在橫梁受到頂驅(qū)最大扭矩時(shí)，橫梁最外層纖維受壓或者受拉時(shí)的許用彎曲應(yīng)力減小后強(qiáng)度也符合要求，強(qiáng)度校核是安全的。

因此，選擇背扇鋼架下橫梁作為反扭矩梁用于頂驅(qū)安裝需要。

3.2 頂驅(qū)導(dǎo)軌安裝型式

1）增加頂驅(qū)導(dǎo)軌的強(qiáng)度和剛度，以便使頂驅(qū)工作時(shí)產(chǎn)生的反扭矩最大限度地傳遞到返扭矩梁上（見(jiàn)圖2），這要求頂驅(qū)導(dǎo)軌既有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度，還要滿(mǎn)足頂驅(qū)裝置上下滑行的需要，因此，頂驅(qū)導(dǎo)軌需采用單片對(duì)接式結(jié)構(gòu)，每個(gè)單片的兩邊為滑道，每片之間端部采用錐銷(xiāo)連接[3]；

圖2 扭矩導(dǎo)軌圖

2）頂驅(qū)軌道下部采用一個(gè)2.5m的支架，通過(guò)這個(gè)剛性支架，將導(dǎo)軌與背扇鋼架連接在一起；

3）頂驅(qū)導(dǎo)軌的上部采用柔性聯(lián)結(jié)，吊耳位于天車(chē)底座處。

圖3 吊耳安裝示意圖

4）依靠導(dǎo)軌及剛性支架的剛度，將頂驅(qū)在鉆井過(guò)程中的返扭矩傳遞到底座上。

3.3 頂驅(qū)的選擇

DQ350頂驅(qū)系統(tǒng)由頂驅(qū)主體、液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)三大部分組成。

1）頂驅(qū)主體：包含動(dòng)力水龍頭、剎車(chē)機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傾臂機(jī)構(gòu)、內(nèi)防噴器機(jī)構(gòu)、背鉗等部分。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。頂驅(qū)輸出扭矩－轉(zhuǎn)速曲線見(jiàn)圖4；

圖4 輸出扭矩曲線

2）液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)：頂驅(qū)的液壓系統(tǒng)只要用于控制頂驅(qū)剎車(chē)裝置、回轉(zhuǎn)頭馬達(dá)、IBOP、背鉗及傾斜臂，工作壓力為14MPa，動(dòng)力源位于頂驅(qū)本體上，可省去動(dòng)力源到筏組的長(zhǎng)液壓管線，減少壓力損失和功率消耗；

3）電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要包括傳動(dòng)部分、控制部分和監(jiān)控部分。傳動(dòng)部分主要為變頻傳動(dòng)和低壓電氣的直接運(yùn)行兩種方式；控制部分為網(wǎng)絡(luò)控制方式；監(jiān)控部分采用SIMENS OP 27圖形顯示屏進(jìn)行監(jiān)控。該系統(tǒng)用于操縱電磁閥換向，報(bào)警和顯示，主電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 DQ350頂驅(qū)電氣系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)頂驅(qū)性能參數(shù)和鉆機(jī)設(shè)備及井架承載能力的校核，DQ350頂驅(qū)在40L鉆機(jī)上安裝是完全可行的。

4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

4.1 作業(yè)效率對(duì)比

根據(jù)方鉆桿鉆進(jìn)及頂驅(qū)鉆進(jìn)方式效率對(duì)比，采用頂驅(qū)方式鉆進(jìn)至少節(jié)約1/5的鉆進(jìn)時(shí)間。參照作業(yè)方案和設(shè)計(jì)，配置頂驅(qū)作業(yè)周期為63天，不配置頂驅(qū)作業(yè)周期為68天。

4.2 處理復(fù)雜情況對(duì)比

頂驅(qū)的最大優(yōu)勢(shì)在于方便及時(shí)的倒劃眼，預(yù)防卡鉆事故，提高處理復(fù)雜情況的能力。從這方面考慮，在預(yù)算編制時(shí)，采用頂驅(qū)作業(yè)不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)考慮10%，采用方鉆桿不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)考慮20%。

4.3 綜合成本預(yù)算對(duì)比

海外作業(yè)綜合日成本較高，以不配置頂驅(qū)綜合日費(fèi)系數(shù)為1估算，配置頂驅(qū)的綜合日費(fèi)系數(shù)為1.06。兩種方案的綜合成本對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 兩種方案的工期和成本對(duì)比

配置頂驅(qū)后，綜合成本預(yù)算可降低至90%。

5 應(yīng)用成果

1）DQ350頂驅(qū)配置在ZJ40L鉆機(jī)上后，使用獨(dú)立的供電系統(tǒng)，作業(yè)過(guò)程中保證了有效、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，由于更換頂驅(qū)沖管、保養(yǎng)等共計(jì)9小時(shí)；頂驅(qū)的安裝僅用8小時(shí)；

2）配置頂驅(qū)后，有效的提高了作業(yè)效率，本井鉆井周期比設(shè)計(jì)鉆井周期提前了3天；

3）增強(qiáng)了處理井下復(fù)雜情況的能力，由于軟泥巖縮徑等復(fù)雜情況，劃眼和倒劃眼共計(jì)用時(shí)21.5小時(shí)；若沒(méi)有配置頂驅(qū)，采取方鉆桿作業(yè)，處理上述復(fù)雜情況，耗時(shí)將達(dá)130小時(shí)以上，即增加4天時(shí)間；

4）應(yīng)用頂驅(qū)后，本井沒(méi)有發(fā)生卡鉆事故，有效的控制了作業(yè)過(guò)程中的井下風(fēng)險(xiǎn)；

5）本井的預(yù)算執(zhí)行情況好，實(shí)際預(yù)算完成率為94.96%，頂驅(qū)的應(yīng)用很好的控制了鉆井綜合成本。

6 結(jié)論

1）實(shí)踐證明，DQ350頂驅(qū)在ZJ40L鉆機(jī)上的配置是完全可行的，應(yīng)用效果十分明顯：有效的提高作業(yè)效率，增強(qiáng)處理井下復(fù)雜情況的能力，增加風(fēng)險(xiǎn)控制手段，減少事故發(fā)生率，最終實(shí)現(xiàn)了降低綜合作業(yè)成本；

2）目前多數(shù)的小型陸地鉆機(jī)和海洋修井機(jī)在配套時(shí)均沒(méi)有配置頂驅(qū)，針對(duì)作業(yè)難度較大、風(fēng)險(xiǎn)較高，或者是要求特殊鉆井工藝的井，頂驅(qū)的增配是行之有效的選擇手段，而且將大大拓寬上述設(shè)備的使用范圍；

3）輕型頂驅(qū)的安裝方便快捷，對(duì)井架的改造要求較低，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，輕型頂驅(qū)的增配易于實(shí)現(xiàn)；

4）隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)頂驅(qū)的體積將會(huì)越來(lái)越小，適用范圍也將越來(lái)越廣；另外，液壓頂驅(qū)的開(kāi)發(fā)使用目前在國(guó)內(nèi)外也較為普遍，這也是輕型頂驅(qū)發(fā)展的方向之一。

[1]趙望云.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)[J].石油機(jī)械，1988，16(2)：39-46，38.

[2]齊明俠.三種類(lèi)型的3200m鉆機(jī)井架抗扭特性分析[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，22(6)：71-73.

[3]趙志麗，張?zhí)旄?，王正?海洋鉆修機(jī)采用頂驅(qū)裝置的可行性研究[J].石油機(jī)械，2002，30(9)：34-36.