適用于海上鉆修機標準的液壓舉升裝置適用性分析

王莉，袁則名，和鵬飛，吳事難，張勝寶，倪益民

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司邊際油田開發(fā)項目組 （天津 300452）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司 （天津 300452）

根據(jù)統(tǒng)計可知，目前中海油國內(nèi)油田有相當一部分平臺配置的修井機作業(yè)能力較低（提升能力90 t及以下），由于作業(yè)能力有限，滿足不了海上油田的側(cè)鉆要求，當需要進行側(cè)鉆作業(yè)時只能動用鉆井平臺或者搬遷作業(yè)能力更強的修井機，而使用鉆井平臺或搬遷修井機則會導致鉆完井費用高昂。為解決上述問題筆者及研究團隊開展了大量的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)使用液壓舉升設備可有效解決上述問題。

1 液壓舉升裝置簡介

液壓舉升裝置（包括舉升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)）具有重量輕、結(jié)構簡單、占用場地小、安裝方便等優(yōu)點，是一種通過液壓缸活塞往復運動提升、下放油管或井下工具的作業(yè)設備，如圖1所示。

圖1 液壓舉升裝置關鍵設備

區(qū)別于常規(guī)鉆井裝置，液壓舉升裝置通過上下工作籃之間的4個液壓缸配合游動卡瓦和固定卡瓦交替抱緊管柱，實現(xiàn)常規(guī)鉆井中的提升和下放作業(yè)，作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 液壓舉升裝置下放管串運行原理

作業(yè)步驟如下：①固定卡瓦解封，游動卡瓦抱緊，準備提升鉆具；②游動卡瓦解封，固定卡瓦抱緊，鉆具固定于鉆臺；③重復步驟（1）和步驟（2），實現(xiàn)起出管串。

液壓舉升裝置不具備常規(guī)鉆井、修井作業(yè)裝置的A 型或塔型井架，但該裝置配備有液壓可升降桅桿（高度約16.76 m），以方便工具串的吊運和連接標準長度的鉆修采工具（最長工具標準長度13.72 m）。該裝置配備兩部絞車和用來上卸扣的液壓大鉗輔助鉆井作業(yè)，表1列出了典型340 K液壓舉升裝置的關鍵參數(shù)。

表1 典型340 K液壓舉升裝置參數(shù)

2 液壓舉升裝置側(cè)鉆作業(yè)功能性分析

鉆井作業(yè)是一項系統(tǒng)性工程，從鉆開表層到打開側(cè)鉆油氣通道，中間涉及舉升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)固控系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)，期間需要錄井系統(tǒng)、控制系統(tǒng)為現(xiàn)場作業(yè)決策提供支持，井控系統(tǒng)更是必不可少。液壓舉升裝置與常規(guī)絞車動力的A型或塔型井架的鉆井機械結(jié)構的差別主要在于舉升系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在這里對液壓舉升裝置側(cè)鉆作業(yè)的功能性舉升能力及旋轉(zhuǎn)能力與行業(yè)標準規(guī)范進行對比分析。

2.1 舉升系統(tǒng)

液壓舉升裝置的舉升系統(tǒng)由4 個液壓缸、游動卡瓦和固定卡瓦組成。液壓缸代替常規(guī)作業(yè)裝置中的動力輸出部分（鉆井絞車）；游動卡瓦作為上提和下放作業(yè)抱緊管串的天車、游車和吊卡；固定卡瓦相當于鉆井作業(yè)時防止管串下滑的安全卡瓦。起下作業(yè)過程原理如圖2 所示，滿足在鉆完井作業(yè)過程中的起、下鉆功能。鉆機的基本參數(shù)見表2[1]。

表2 鉆機基本參數(shù)

4 個液壓缸能夠提供約154 t 的上提力，根據(jù)鉆機參數(shù)來看數(shù)值介于ZJ20/1350和ZJ30/1800鉆機之間，使用127 mm 鉆桿作業(yè)井深在1 100～2 500 m。從渤海油田近年來使用修井機作業(yè)的側(cè)鉆井的數(shù)據(jù)看（表3），154 t的上提能力能夠覆蓋所有的案例。

選取渤海油田使用修井機側(cè)鉆作業(yè)最深的井為例，參考行業(yè)標準對鉆井完成作業(yè)中的最大鉤載（舉開力）進行計算[2-3]。以渤海油田某井為例，該井管柱垂直投影長度1 170 m、水平投影長度2 560 m、摩擦系數(shù)0.25，經(jīng)過計算得到：鉆機的最大鉤載≥136.713 t，液壓舉升裝置能夠滿足該井側(cè)鉆作業(yè)需求。

表3 修井機單一尺寸井眼參數(shù)

2.2 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

液壓舉升裝置可以在上工作籃配備獨立的轉(zhuǎn)盤，工作時類似于鉆井平臺上的轉(zhuǎn)盤，該裝置能夠直接抱緊工具串進行旋轉(zhuǎn)，因此不需要方鉆桿。作業(yè)時能夠在100 r/min 轉(zhuǎn)速下，提供達到31 kN·m 扭矩，滿足在鉆井作業(yè)過程中的旋轉(zhuǎn)需求，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，能夠覆蓋渤海灣修井機作業(yè)的側(cè)鉆井。

為使旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)，該裝置使用彎頭連接考克的方式代替常規(guī)鉆井作業(yè)中的水龍頭，缺點是不具備上卸扣功能，需要配合液壓大鉗對考克和鉆桿之間的連接進行上卸扣。

在標準中對40/2250（229 t）鉆機有統(tǒng)一的最低要求[1-3]，見表4。目前該裝置配備轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩能夠滿足40/2250（229 t）鉆機的要求。根據(jù)渤海灣修井機作業(yè)側(cè)鉆井數(shù)據(jù)，215.9 mm 井眼和152.4 mm井眼在正常鉆進時，轉(zhuǎn)速一般維持在60 r/min 左右，典型340 K 液壓舉升裝置配備的轉(zhuǎn)盤能夠滿足作業(yè)需求。

表4 40/2250（229 t）鉆機轉(zhuǎn)盤標準要求

2.3 循環(huán)固控系統(tǒng)

典型340 K 液壓舉升裝置配有簡單的循環(huán)系統(tǒng)，包括一臺ZB400 泥漿泵、低功率振動篩，不包括三級固控設備。由于泥漿池可以選配，這里不做分析。

渤海灣修井機作業(yè)的側(cè)鉆井最大排量約為2 400 L/min，最大泵壓約為20 MPa，按標準[2-3]要求配備的設備功率

式中：ηy為鉆井泵的容積效率，0.95；ηj為鉆井泵的機械效率，0.90；Q 為各井段的排量，L/s；p 為各井段與排量相對應的泵壓，MPa；J為經(jīng)驗系數(shù)，0.80。

根據(jù)以上計算，該裝置應配備工作功率在644HP以上的泥漿泵。

根據(jù)渤海油田修井機側(cè)鉆井統(tǒng)計結(jié)果，滿足2 400 L/min 排量要求即可覆蓋目標市場，即處理能力為144 m3/h，低于標準要求的181.5 m3/h，除此之外包括振動篩在內(nèi)的固控設備也是鉆井作業(yè)過程中不可或缺的關鍵設備[4]，在實際使用過程中按照固控系統(tǒng)標準配置即可滿足使用需求。

2.4 鉆井支持系統(tǒng)

鉆井支持系統(tǒng)一般放置在海上石油固定平臺甲板上，主要由柴油發(fā)電機組、燃油罐、空氣壓縮機及儲氣罐、電氣傳動控制系統(tǒng)、鉆井液池、鉆井泵及輔助設備、管子堆場、管線及電纜橋架等組成[5-7]，為鉆機提供作業(yè)支持的設備和結(jié)構。上述鉆井支持系統(tǒng)均可以根據(jù)標準進行選配。

3 結(jié)論

液壓舉升裝置及其關鍵設備進行完修井作業(yè)已經(jīng)在國內(nèi)外得到應用，通過本文的分析研究可以得出以下結(jié)論。

1）典型340 K 液壓舉升裝置可應用到海上平臺進行側(cè)鉆作業(yè)，但需對目前配置的循環(huán)系統(tǒng)進行改進，并按照作業(yè)要求配備固井系統(tǒng)、測井系統(tǒng)、錄井系統(tǒng)。

2）液壓舉升裝置的關鍵設備能力（舉升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)）能夠覆蓋渤海灣修井機已鉆側(cè)鉆井對設備的需求。