石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)分析與應(yīng)用

劉德智，蔣洪波，李前佑

（中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

油氣勘探與開發(fā)的過程中應(yīng)用到的成套鉆井設(shè)備被稱為石油鉆機(jī)，提升系統(tǒng)作為其中的核心結(jié)構(gòu)在鉆井過程中起到不可或缺的重要作用，提升系統(tǒng)需要在提升與下放鉆頭的過程中對(duì)鉆頭所實(shí)施的鉆壓進(jìn)行控制，同時(shí)還要對(duì)井壁的套管進(jìn)行下放并加固，為促進(jìn)石油鉆機(jī)系統(tǒng)的未來發(fā)展，將根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)展開分析。

1 提升系統(tǒng)分析

1.1 絞車式提升系統(tǒng)

絞車式提升系統(tǒng)主要被應(yīng)用于傳統(tǒng)的石油鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式當(dāng)中，就目前而言，其所具備的較為成熟的技術(shù)基礎(chǔ)使得絞車式提升系統(tǒng)依然廣泛地活躍在各大石油開采基地[1]。絞車式提升系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)被分為井架、游動(dòng)系統(tǒng)及絞車等，同時(shí)絞車式提升系統(tǒng)還可以細(xì)分為單絞車式提升系統(tǒng)與雙絞車式提升系統(tǒng)兩種。

其中雙絞車式提升系統(tǒng)就是將單絞車式提升系統(tǒng)的死繩端改成為1 臺(tái)絞車，在運(yùn)作過程中這兩臺(tái)絞車都會(huì)同時(shí)進(jìn)行提升，絞車結(jié)構(gòu)主要由天車、絞車、游車組成，而死繩端只有雙絞車才有。從效率層面來進(jìn)行考量則需要根據(jù)API 8C 標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行計(jì)算，在研究計(jì)算的過程中可以發(fā)現(xiàn)，雙絞車提升系統(tǒng)相對(duì)于單絞車提升系統(tǒng)具備更高的效率，也對(duì)石油鉆機(jī)的能力有一定的提升[2]。

1.2 液壓式提升系統(tǒng)

雖然液壓式提升系統(tǒng)尚未完全普及，其也是目前較為先進(jìn)的石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)，但是在陸地以及海洋鉆井設(shè)備上的利用率還較低，其主要結(jié)構(gòu)由液壓缸、井架以及游動(dòng)滑車、構(gòu)載和死繩端組成。液壓式提升系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上并沒有在動(dòng)滑輪和定滑輪之間設(shè)置鋼絲繩纏繞，所以該系統(tǒng)的繩系效率較高，在結(jié)構(gòu)內(nèi)的頂驅(qū)提升速度基本上是液壓缸運(yùn)動(dòng)速度的兩倍左右。

2 提升系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 絞車式提升系統(tǒng)

絞車式提升系統(tǒng)在陸地與海洋平臺(tái)上的鉆井設(shè)備中的使用率較高，并且在提升能力上也有著較為優(yōu)秀的表現(xiàn)，接下來將針對(duì)其中應(yīng)用頻次較高的幾大平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）石油981 半潛式海洋鉆井平臺(tái)在作業(yè)過程中主要采取單絞車提升方式、天車補(bǔ)償系統(tǒng)以及一個(gè)半的井架結(jié)構(gòu)相互配合的方式進(jìn)行石油鉆井，其提升能力為907 t 左右，且石油981半潛式海洋鉆井平臺(tái)是不能夠在水深3000 m 以下的海域進(jìn)行鉆探操作的，實(shí)際鉆井深度可以達(dá)到10 000 m 左右。

（2）馬士基雙井架作業(yè)平臺(tái)則在雙井口井架當(dāng)中配合采用天車補(bǔ)償系統(tǒng)，這兩個(gè)井口井架也分別采用了單絞車提升系統(tǒng)，并且這兩個(gè)單絞車提升系統(tǒng)在運(yùn)行過程中都保持在左右對(duì)稱安置的狀態(tài)。但是雙井口井架二者之間存在主次之分，其在提升能力上存在一定的差別，目前在馬士基已經(jīng)建立多臺(tái)雙井架作業(yè)平臺(tái)用于石油鉆探。

（3）HUISMAN 公司所研發(fā)的多功能鉆井塔，該鉆井塔所采用并不是傳統(tǒng)的井架結(jié)構(gòu)，而是采取鉆井塔與雙滾筒絞車提升系統(tǒng)相互配合的方式來完成石油開采的，雙滾筒絞車其本身在運(yùn)行過程中具備主動(dòng)補(bǔ)償功能，并且為提升整體的運(yùn)行性能，還專門配備快速換繩滑輪組，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采過程中的不同工況來進(jìn)行繩系的變化，綜合提升多功能鉆井塔的運(yùn)行效率和減小系統(tǒng)冗余性，相對(duì)而言由HUISMAN 公司所研發(fā)的多功能鉆井塔是比較先進(jìn)的一項(xiàng)石油鉆井技術(shù)，并且有著較多的創(chuàng)新點(diǎn)，在費(fèi)用允許的情況下是非常值得推薦的一套設(shè)備[3]。

2.2 液壓式提升系統(tǒng)

由于液壓式提升系統(tǒng)還沒有進(jìn)入全面推廣的階段，只有少數(shù)的陸地鉆井與海洋平臺(tái)使用的是液壓式提升系統(tǒng)，并且基本上設(shè)備與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)大部分來自發(fā)達(dá)國(guó)家。將針對(duì)其中四個(gè)液壓式提升系統(tǒng)進(jìn)行分別闡述。

（1）意大利Drillmec 公司所研發(fā)的液壓鉆機(jī)A-HEAD375，該類型液壓式提升系統(tǒng)主要采取伸縮式井架與油缸進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，鉆探過程中天車與井架一同升降并且運(yùn)用兩個(gè)單根與一個(gè)立根相互配合的方式進(jìn)行起下鉆，整體大鉤載荷可以達(dá)到340 t，而鉆井深度可以達(dá)到6000 m，具備較高的機(jī)械自動(dòng)化程度，在鉆機(jī)內(nèi)部運(yùn)用垂直鉆桿架代替原本的二層臺(tái)存放鉆桿，大大提升了鉆井效率和安全性。

（2）遼寧陸海石油裝備研究院有限公司所研發(fā)的液壓鉆機(jī)，其提升能力可以達(dá)到315 t，并且鉆井深度可達(dá)5000 m，該液壓式提升系統(tǒng)提升行程約為16m，并且主要運(yùn)用單根的方式進(jìn)行起下鉆，鉆機(jī)的整體也可以進(jìn)行移動(dòng)安裝，可以將一套器械運(yùn)用于多個(gè)石油鉆探場(chǎng)次，在總體結(jié)構(gòu)上還借鑒了意大利Drillmec公司的液壓鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式，向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。

（3）Herrenknecht Vertical 公司所研發(fā)的海洋平臺(tái)鉆井包Deep Drilling Rig Terra In-vnder 250 CL，該海洋平臺(tái)鉆井包最大鉤載荷可以達(dá)到250 t，整體井架高度大約在30 m，所采用的是液壓式提升系統(tǒng)，總行程為17.5 m，并且采用的是單根的方式進(jìn)行起下鉆開采，目前這種海洋平臺(tái)主要被運(yùn)用在自升式鉆井平臺(tái)當(dāng)中。

（4）Frigstad 公司研發(fā)出當(dāng)今世界上最先進(jìn)的第七代半潛式鉆井平臺(tái)D90，其所采用的作業(yè)方式主要是雙井口井架配合AK-ER MH 液壓提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行開采，或者是運(yùn)用雙井口井架配合NOV 液壓提升系統(tǒng)相互配合的方式來進(jìn)行鉆探開采。過程中采用液壓缸將游動(dòng)滑車進(jìn)行頂升從而對(duì)頂驅(qū)的上下運(yùn)動(dòng)起到控制作用，而兩個(gè)井口井架則作為游動(dòng)滑車的軌道支撐，在運(yùn)行過程中雙井口井架并不負(fù)責(zé)承擔(dān)主載荷。

3 系統(tǒng)比較

（1）在海洋與陸地鉆井當(dāng)中針對(duì)絞車式提升系統(tǒng)的應(yīng)用水平明顯高于液壓式提升系統(tǒng)，其在陸地和海洋鉆井設(shè)備當(dāng)中的運(yùn)用比重較大，但是在長(zhǎng)期實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，由于絞車式提升系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與整體重量較大的原因，使得絞車式提升系統(tǒng)存在穩(wěn)定性較差且重心較高的缺點(diǎn)[4]。而隨著技術(shù)的逐步改進(jìn)，鉆機(jī)的提升能力也有一定提高，但與此同時(shí)也就需要結(jié)構(gòu)更大的井架和功率更高的絞車來進(jìn)行匹配，例如在海洋平臺(tái)上，由于井架和底座重量的緣故，往往會(huì)導(dǎo)致海洋平臺(tái)可變載荷的降低，在穩(wěn)定使用與長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展上存在一定的劣勢(shì)。直至雙絞車的出現(xiàn)，將石油鉆井絞車的能力提升一個(gè)檔次，一定程度上提升石油鉆井開采的效率，但是其所占用的場(chǎng)地面積較大且重量較重，這也在限制這絞車式提升系統(tǒng)的發(fā)展，隨著開采需求的不斷加大，或許絞車式提升系統(tǒng)在未來的發(fā)展過程中所產(chǎn)生的瓶頸也會(huì)越來越顯著[5]。

（2）液壓式提升系統(tǒng)雖然在使用率上相比絞車式系統(tǒng)存在較大差異，但是其作為一種新型的提升方式已經(jīng)在應(yīng)用過程中展示了良好的性能。液壓式提升系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，方便開采單位對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)和裝卸，而井口井架在液壓式提升系統(tǒng)當(dāng)中所起到的作用也僅僅是作為游動(dòng)滑車的軌道支撐，是不需要對(duì)整個(gè)液壓式系統(tǒng)進(jìn)行主載荷的制成的，所以在重量與結(jié)構(gòu)上明顯相對(duì)于絞車式提升系統(tǒng)是存在較大優(yōu)勢(shì)[6]。但由于液壓式提升系統(tǒng)在目前尚處于新技術(shù)的研發(fā)探索階段，所以國(guó)內(nèi)在研發(fā)與制造上經(jīng)驗(yàn)明顯與國(guó)際水平不相符，國(guó)內(nèi)比較優(yōu)秀的石油機(jī)械設(shè)備制造公司針對(duì)液壓式系統(tǒng)的研究也大體上停留在借鑒與學(xué)習(xí)的階段。而液壓式提升系統(tǒng)目前的發(fā)展瓶頸不僅僅停留在技術(shù)層面之上，還有就是目前國(guó)內(nèi)海洋工業(yè)領(lǐng)域所采用的液壓元器件也大體來源于國(guó)外，在原材料上也不存在良好的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)成本難以得到有效的控制，所以國(guó)內(nèi)海洋工業(yè)的崛起與發(fā)展對(duì)于液壓式提升系統(tǒng)的實(shí)際研發(fā)也有著關(guān)鍵性的作用。

要想真正地扭轉(zhuǎn)現(xiàn)有的局面，行業(yè)內(nèi)部的大體方向至少要從大載荷以及大流量的液壓元器件開始發(fā)展，逐漸地開始不依靠國(guó)外產(chǎn)品來進(jìn)行生產(chǎn)研發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)為國(guó)內(nèi)石油開采行業(yè)提供更為經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)備基礎(chǔ)的目的。所以國(guó)內(nèi)廠家應(yīng)當(dāng)盡快著手統(tǒng)籌布局液壓式提升系統(tǒng)的研究開發(fā)，爭(zhēng)取在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)提前站穩(wěn)腳跟，并有效促進(jìn)石油開采行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

（3）在絞車式與液壓式提升系統(tǒng)的繩系效率上的比較來看，絞車式是低于液壓式的，而從結(jié)構(gòu)組成上來看，液壓式提升系統(tǒng)也具有更多的優(yōu)勢(shì)，并且液壓式提升系統(tǒng)具有相較于絞車式提升系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性。但是絞車式提升系統(tǒng)的應(yīng)用范圍較廣且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是比起液壓式提升系統(tǒng)更強(qiáng)的，所以液壓式提升系統(tǒng)在未來的發(fā)展中需要在保證設(shè)備精密性的基礎(chǔ)上著重發(fā)展更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。而從目前的研發(fā)環(huán)境與成本上來看，絞車式提升系統(tǒng)相對(duì)而言技術(shù)發(fā)展更為成熟，且成本上具備一定的優(yōu)勢(shì)，而液壓式提升系統(tǒng)雖然在技術(shù)上更為先進(jìn)但也存在著高昂的研發(fā)成本。

4 結(jié)束語

由于石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)在市面上目前具備絞車式與液壓式兩種提升方式類型，在針對(duì)這兩種類型的應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)形式以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行具體分析后，發(fā)現(xiàn)液壓式石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)的性能表現(xiàn)更為突出，相信會(huì)在今后的實(shí)踐與探索過程中發(fā)揮出越來越顯著的作用。