石油鉆井設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用分析

關(guān)震

摘要：鉆井設(shè)備由于設(shè)備部件多，技術(shù)含量高，一直是國內(nèi)外企業(yè)持續(xù)深入研究的鉆井裝備重要內(nèi)容，也是裝備制造和維護(hù)服務(wù)工作中的核心內(nèi)容。本文主要就設(shè)備的構(gòu)成、天車防碰裝置、頂驅(qū)技術(shù)等進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：石油 鉆井 設(shè)備 原理 應(yīng)用

1 、鉆井設(shè)備主要構(gòu)成分析

鉆井設(shè)備（簡稱鉆機(jī)）是指石油天然氣鉆井過程中所需各種機(jī)械設(shè)備的總稱。鉆機(jī)主要部件必須相互配合才能完成鉆機(jī)起升、循環(huán)和旋轉(zhuǎn)的3項(xiàng)主要工作。按按動(dòng)力設(shè)備的不同通?？煞譃闄C(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)、電動(dòng)鉆機(jī)和復(fù)合鉆機(jī)三種。主要包括以下系統(tǒng)：

（1）提升系統(tǒng)：主要作用是用來起、下鉆柱（或下套管），以實(shí)現(xiàn)鉆頭的鉆進(jìn)送鉆等工作。

（2）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)：主要作用是由動(dòng)力機(jī)組驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，通過轉(zhuǎn)盤方補(bǔ)心帶動(dòng)方鉆桿（鉆桿和鉆鋌）、方鉆桿再帶著鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆井。

（3）循環(huán)系統(tǒng)：主要作用是鉆井過程中，通過動(dòng)力機(jī)組帶動(dòng)泥漿泵來循環(huán)鉆井流體，經(jīng)過立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿和鉆鋌，將泥漿池的泥漿送到鉆頭處，以實(shí)現(xiàn)鉆井流體將井底的鉆屑帶到地面。

（4）動(dòng)力設(shè)備：主要作用是為驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵等工作機(jī)工作提供動(dòng)力。

（5）傳動(dòng)系統(tǒng)：主要作用是把發(fā)動(dòng)機(jī)的能量傳遞或分配給各工作機(jī)。

（6）控制系統(tǒng)：為了指揮各系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作，在整套鉆機(jī)中安裝有各種控制設(shè)備。

（7）底座：包括鉆臺(tái)底座、機(jī)房底座和泥漿底座等。

（8）輔助設(shè)備：主要功能是為了正常鉆井作業(yè)提供配套支撐。

鉆機(jī)所必須具有的主要設(shè)備共7大部件：絞車、井架、天車、游車、水龍頭、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵。

2 、頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的構(gòu)成與分析

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)是20世紀(jì)末期出現(xiàn)的一種新型鉆井系統(tǒng)，目前遼河天意制造的頂驅(qū)也已經(jīng)成為鉆井行業(yè)的重要力量，現(xiàn)在已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。頂驅(qū)可以直接從井架空間上部直接旋轉(zhuǎn)鉆柱，并沿井架內(nèi)專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液、接單根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作的鉆井機(jī)械設(shè)備。它主要有三個(gè)部分組成：導(dǎo)向滑車總成、水龍頭-鉆井馬達(dá)總成和鉆桿上卸扣裝置總成。該系統(tǒng)是當(dāng)前鉆井設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展更新的突出階段成果之一。

2.1 頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的部件組成

（1）水龍頭--鉆井馬達(dá)總成（關(guān)鍵部件）；

（2）馬達(dá)支架/導(dǎo)向滑車總成（關(guān)鍵部件）；

（3）鉆桿上卸扣總成（體現(xiàn)最大優(yōu)點(diǎn)的部件）；

（4）平衡系統(tǒng)；

（5）冷卻系統(tǒng)；

（6）頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置控制系統(tǒng)；

（7）可選用的附屬設(shè)備。

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的主體部件，主要包括：

1、鉆井馬達(dá)；

2、齒輪箱；

3、整體水龍頭；

4、平衡器。

2.2 導(dǎo)向滑車總成

整個(gè)導(dǎo)向滑車總成沿著導(dǎo)軌與游車導(dǎo)向滑車一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鉆井馬達(dá)處于排放立根的位置上時(shí)，導(dǎo)向滑車則可作為馬達(dá)的支撐梁。導(dǎo)軌有單軌和雙軌兩種。

2.3 鉆桿上卸扣裝置

主要組成部件：

1、扭矩扳手

2、內(nèi)防噴器和啟動(dòng)器

3、吊環(huán)連接器和限扭器

4、吊環(huán)傾斜裝置

5、旋轉(zhuǎn)頭

扭矩扳手總成提供鉆桿的上卸扣的手段。他位于內(nèi)防噴器下部的保護(hù)接頭一側(cè)，他有兩個(gè)液缸在扭矩管和下鉗頭之間。

鉗頭有一直徑為10in的夾緊活塞，用以夾持與保護(hù)接頭相連接的鉆桿母扣。范圍：3?；in--7?in。

鉆桿上卸扣裝置另有兩個(gè)緩沖液缸，類似大鉤彈簧，可提供絲扣補(bǔ)償行程125mm。

內(nèi)防噴器是全尺寸、內(nèi)開口、球型安全閥式的。帶花鍵的遠(yuǎn)控上部內(nèi)防噴器和手動(dòng)的下部內(nèi)防噴器形成井控防噴系統(tǒng)，內(nèi)防噴器采用6?in正規(guī)扣，工作壓力為105MPa。

2.4 頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的優(yōu)越性

1、節(jié)省接單根時(shí)間。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置不使用方鉆桿，不受方鉆桿長度的限制也就避免了鉆進(jìn)9米左右接一個(gè)單根的麻煩。取而帶之的是利用立根鉆進(jìn)，這樣就大大減少了接單的時(shí)間。按常規(guī)鉆井接一個(gè)單根用3—4min計(jì)算，鉆進(jìn)1000米就可以節(jié)省4-5h。

2、倒劃眼防止卡鉆。由于不用接方鉆桿就可以循環(huán)和旋轉(zhuǎn)，所以在不增加起下 鉆時(shí)間的前提下，頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置就能夠非常順利的將鉆具起出井眼，在定向鉆井中，這種功能可以節(jié)約大量的時(shí)間和降低事故發(fā)生的機(jī)率。

3、下鉆劃眼。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置具有不接方鉆桿鉆過砂橋和縮徑點(diǎn)的能力。

4、節(jié)省定向鉆進(jìn)時(shí)間。該裝置可以通過28米立根鉆進(jìn)、循環(huán)，這樣就相應(yīng)的減少了井下馬達(dá)定向的時(shí)間。

5、人員安全。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，是鉆井機(jī)械操作自動(dòng)化的標(biāo)志性產(chǎn)品，終于將鉆井工人從繁重的體力勞動(dòng)中解救出來。接單根的次數(shù)減少了2/3，并且由于其自動(dòng)化的程度高，從而大大減少了作業(yè)者工作的危險(xiǎn)程度，進(jìn)而大大降低了事故的發(fā)生率。

6、井下安全。在起下鉆遇阻、遇卡時(shí)，管子處理裝置可以在任何位置相連，開泵循環(huán)，進(jìn)行立根劃眼作業(yè)。

7、設(shè)備安全。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置采用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)上扣，操作動(dòng)作平穩(wěn)、可以從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣過贏或不足。最大扭矩的設(shè)定，使鉆井中出現(xiàn)憋鉆扭矩超過設(shè)定范圍時(shí)馬達(dá)就會(huì)自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)，待調(diào)整鉆井參數(shù)后再進(jìn)行鉆進(jìn)。這樣就避免了設(shè)備長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了使用壽命。

8、井控安全。該裝置可以在井架的任何位置鉆具的對接，數(shù)秒鐘內(nèi)恢復(fù)循環(huán)，雙內(nèi)防噴器可安全控制鉆柱內(nèi)壓力。

9、便于維修。鉆井馬達(dá)清晰可見。熟練的現(xiàn)場人員約12小時(shí)就能將其組裝和拆卸。

10、使用常規(guī)的水龍頭部件。頂部驅(qū)動(dòng)裝置可使用650噸常規(guī)水龍頭的一些部件，特殊設(shè)計(jì)后維修難度沒有增加。

11、下套管。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的提升能力很大（650噸），在套管和主軸之間加一個(gè)轉(zhuǎn)換頭（大小頭）就可以在套管中進(jìn)行壓力循環(huán)。套管可以旋轉(zhuǎn)和循環(huán)入井，從而減少縮徑井段的摩阻力。

12、取心。能夠連續(xù)鉆進(jìn)28米，取心中間不需接單根。這樣可以提高取心收獲率，減少起鉆的次數(shù)與傳統(tǒng)的取心作業(yè)相比它的優(yōu)點(diǎn)明顯。污染小、質(zhì)量高。

13、使用靈活?？梢韵氯敫鞣N井下作業(yè)工具、完井工具和其他設(shè)備，即可以正轉(zhuǎn)又可以反轉(zhuǎn)。

14、節(jié)約泥漿。在上部內(nèi)防噴器內(nèi)接有泥漿截流閥，在接單根時(shí)保證泥漿不會(huì)外溢。

15、拆卸方便。工作需要時(shí)不必將它從導(dǎo)軌上移下就可以拆下其他設(shè)備。

16、內(nèi)防噴器功能。起鉆時(shí)如果有井噴的跡象即可由司鉆遙控鉆桿上卸扣裝置，迅速實(shí)現(xiàn)水龍頭與鉆桿的連接，循環(huán)鉆井液，避免事故的發(fā)生。

17、其他優(yōu)點(diǎn)：采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減低維修保養(yǎng)費(fèi)用；特別適用于定向井和水平井，因?yàn)榱⒏@進(jìn)能使鉆桿盡快的通過水平井段的一些橫向截面。

3 、天車防碰裝置

在石油鉆井中，頂碰天車與、卡鉆、硫化氫毒氣是安全生產(chǎn)中的三大隱患，一直未

得到徹底解決。四十多年來井隊(duì)使用的機(jī)械、氣壓法、電磁法、液壓法等方法的防碰天車裝置，通過使用其成效均不好，主要是靈敏度不高、剎車所用時(shí)間長、可靠性差，不能徹底解決頂天車的問題。一旦發(fā)生頂碰天車與卡鉆事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

3.1工作原理

該裝置結(jié)構(gòu)上加工制造容易，安裝使用方便。其工作原理是：當(dāng)游動(dòng)滑車上行接觸到引繩并繼續(xù)上行5——10厘米時(shí)，引繩即拉動(dòng)“快速泄壓器”的氣閥開關(guān)，可在0.3秒瞬時(shí)切斷氣源，同時(shí)將離合器氣囊的高壓氣放掉。這樣滾筒失去動(dòng)力，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，游動(dòng)滑車也就停止上行，達(dá)到防止碰撞天車的目的。因?yàn)榭焖傩箟浩髟?.3秒種瞬時(shí)使1200-6000匹馬力停止轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠起到防頂天車、防卡鉆的雙重作用。

3.2 井隊(duì)使用評價(jià)

本裝置已在多個(gè)鉆井隊(duì)已經(jīng)連續(xù)使用超過8年，從未發(fā)生過頂碰天車事故。在這期間，曾由井隊(duì)做過多次試驗(yàn)，游動(dòng)滑車在距天車4米時(shí)，“快速泄壓器”可在0.3秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)切斷氣源和快速放氣，使?jié)L筒停止旋轉(zhuǎn)，使游動(dòng)滑車停止上行運(yùn)動(dòng)。井隊(duì)對此裝置的評價(jià)是“確實(shí)安全、簡便、實(shí)用”，防止頂碰天車的惡性事故發(fā)生，可以預(yù)防卡鉆事故的發(fā)生，現(xiàn)已成為鉆井安全必不可少的重要設(shè)施。

3.3 該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：（1）安全、簡便、實(shí)用，可以實(shí)現(xiàn)快速切斷鉆機(jī)滾筒氣源，使天車停止運(yùn)行。（2）該裝置不需要使用電源和氣壓。鉆機(jī)搬家時(shí)不需要拆卸該裝置，使用安裝方便。（3）可長期使用冬天氣路無凍結(jié)，并適用于野外惡劣天氣環(huán)境下應(yīng)用?？焖傩箟浩骶哂袃纱笞饔茫海?）杜絕頂碰天車 （2）杜絕卡鉆。