頂部驅(qū)動鉆井裝置標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及建議

雷宇，謝宏峰，張紅軍，王博，齊建雄，王洋紳，陜小平，張軍巧

北京石油機械有限公司（北京102206）

0 引言

頂部驅(qū)動鉆井裝置（以下簡稱頂驅(qū)裝置）是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型鉆井裝置，其出現(xiàn)標(biāo)志鉆井技術(shù)由傳統(tǒng)的方鉆桿直井作業(yè)逐漸向利用頂驅(qū)裝置進(jìn)行大斜度、大位移井作業(yè)的轉(zhuǎn)變，被譽為近代鉆井裝備的三大革命性技術(shù)成果之一。

1981年，Sedco公司首次提出無方鉆桿的概念，并和美國VARCO公司合作研發(fā)了第一臺直流頂驅(qū)原型機。直至1998年加拿大Tesco公司和Canrig公司陸續(xù)推出了覆蓋不同扭矩和懸重的全系列交流變頻電驅(qū)頂驅(qū)裝置[1]。我國于1995年研制出了首臺直流電驅(qū)頂驅(qū)裝置；2003年中國石油天然氣集團(tuán)公司組織中國石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院與北京石油機械有限公司（以下簡稱北石）合作，在北石實施國產(chǎn)頂驅(qū)裝置產(chǎn)業(yè)化項目；2004年，中國石油天然氣集團(tuán)公司推出了國內(nèi)首臺具備自主知識產(chǎn)權(quán)的交流變頻頂驅(qū)裝置，填補了我國石油裝備領(lǐng)域的一塊空白。我國頂驅(qū)裝置的發(fā)展與頂驅(qū)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展息息相關(guān)，頂驅(qū)標(biāo)準(zhǔn)對所涉及的技術(shù)進(jìn)行了全面細(xì)致的闡述，滿足油田生產(chǎn)對頂驅(qū)裝置規(guī)范使用的急需，在延長設(shè)備使用壽命，提升作業(yè)安全，提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本等方面都具有積極意義[2]。

1 頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)的概述

縱觀我國頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展史，主要分為3個階段：第一階段是從1990年到2008年，在第一臺樣機和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化這兩個標(biāo)志性事件下，嚴(yán)格按照API Spec 8A—1997和API Spec 8C—2003[3]規(guī)定，由北石牽頭制定了我國第一個頂驅(qū)裝置的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6726—2008，該標(biāo)準(zhǔn)的制定對于控制和提高頂驅(qū)裝置的質(zhì)量、降低風(fēng)險起到重要的作用[4-5]；第二個階段是從2008年到2012年，我國頂驅(qū)裝置在國內(nèi)外得到了蓬勃發(fā)展，為了更好地發(fā)揮頂驅(qū)裝置安全高效的優(yōu)點，我國制定了首個關(guān)于頂驅(qū)裝置安裝、調(diào)試與維護(hù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6870—2012；第三個階段從2012年至今，該階段依據(jù)API Spec 8C—2012和GB/T 19190—2013的要求，制定了我國第一個國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31049—2014，對頂驅(qū)裝置產(chǎn)品規(guī)格、功能要求、制造要求、試驗檢驗要求等提出更為嚴(yán)格的規(guī)范，旨在推動技術(shù)的進(jìn)步，其具有的技術(shù)指導(dǎo)作用將對規(guī)范頂驅(qū)產(chǎn)品市場起到積極作用。

2 頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

目前，我國頂驅(qū)裝置的標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB/T 31049—2014《石油鉆機頂部驅(qū)動鉆井裝置》和SY/T 6870—2012《石油鉆機頂部驅(qū)動裝置安裝、調(diào)試與維護(hù)》兩個標(biāo)準(zhǔn)，其中GB/T 31049—2014又是由SY/T 6726—2008發(fā)展而來。

2.1 SY/T 6726—2008與GB/T 31049—2014的變化

2.1.1 術(shù)語

1）增加頂驅(qū)動力單元類型。根據(jù)不同動力單元頂驅(qū)實際使用效果GB/T 31049—2014增加了“電驅(qū)動頂驅(qū)”和“液壓驅(qū)動頂驅(qū)”兩個術(shù)語，并建議一般情況下，“液壓驅(qū)動頂驅(qū)”適合負(fù)載較低的作業(yè)工況；反之，建議采用“電驅(qū)動頂驅(qū)”，明確頂驅(qū)動力單元類型有助于指導(dǎo)頂驅(qū)裝置制造商的研發(fā)方向。

2）擴充頂驅(qū)裝置功能結(jié)構(gòu)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31049—2014增加了“頂驅(qū)下套管”相關(guān)術(shù)語，此次增補是頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的一次重大改進(jìn)。頂驅(qū)下套管作業(yè)是以頂驅(qū)為動力源，代替常規(guī)的套管鉗進(jìn)行下套管作業(yè)的工藝方法[6-8]。增加頂驅(qū)下套管裝置，進(jìn)一步強化了頂驅(qū)實時灌注、循環(huán)泥漿，提升下放的高效作業(yè)特點。同時將頂驅(qū)裝置的作業(yè)范圍延伸到套管作業(yè)領(lǐng)域，有效規(guī)避了套管作業(yè)過程中的安全隱患，使頂驅(qū)裝置滿足新的鉆井工藝技術(shù)需求。

2.1.2 接口尺寸

1）頂驅(qū)裝置與鉆機接口。在GB/T 31049—2014中，依據(jù)不同鉆機名義鉆深和額定載荷，增加頂驅(qū)提環(huán)與鉆機游車連接接觸尺寸規(guī)定，使得頂驅(qū)既可以與鉆機大鉤相連[9]，也可以與鉆機游車相連，增加了頂驅(qū)與鉆機的接口，保證頂驅(qū)裝置能適配鉆機的發(fā)展趨勢。

2）頂驅(qū)裝置與鉆具接口。GB/T 31049—2014修改了頂驅(qū)與鉆具連接關(guān)鍵尺寸要求。隨著鉆井液技術(shù)的發(fā)展，其組成變得更加復(fù)雜，鉆井液通道直徑的重要性凸顯。由表1可以看出，頂驅(qū)裝置的內(nèi)防噴器外徑尺寸和鉆井液通道直徑尺寸直接決定了鉆井液循環(huán)通道的壁厚，鉆井液通道壁厚值是影響其強度的最重要參數(shù)之一[10-11]，考慮鉆井液通道直徑尺寸，有利于保證鉆井液通道腐蝕余量，更加嚴(yán)格地控制頂驅(qū)裝置質(zhì)量，提升鉆井、測井作業(yè)效率。

2.1.3 增加滑車的設(shè)計要求

規(guī)定滑車安全系數(shù)。在GB/T 31049—2014標(biāo)準(zhǔn)中引入了新版GB/T 19190—2013的規(guī)定，該規(guī)定指出滑車的作用是使頂驅(qū)沿導(dǎo)軌在鉆機井架上下移動，并保持相對于井架的正確位置，同時承受反扭矩?；诨嚿鲜龆x功能，需根據(jù)滑車受主載荷條件（PLC）給出相應(yīng)的設(shè)計安全系數(shù)，見表2。

表1 主軸、內(nèi)防噴器、保護(hù)接頭的尺寸

1）在PLCⅠ中，考慮組合載荷：鉆井載荷，包括游動設(shè)備和滑車產(chǎn)生的載荷；剎車載荷，包括游動設(shè)備和滑車重量乘以不小于2的系數(shù)后的效應(yīng)；伸縮載荷，適用于伸縮式滑車，包含伸出位置和收縮位置的加速度、重量和可能的垂直加速度影響；水平載荷，正常作業(yè)時可能牽涉到作用在游動設(shè)備上的水平分量。

表2 滑車設(shè)計安全系數(shù)

2）PLCⅡ中，考慮組合載荷時應(yīng)與其相應(yīng)的“操作環(huán)境條件”一起考慮。

3）PLCⅢ中，應(yīng)考慮如下異常載荷：異常垂直加速度，如震擊或鉆桿斷裂，載荷應(yīng)為游動設(shè)備的重量乘以不小于4的系數(shù)后的效應(yīng)；異常環(huán)境條件，除了重量之外，還應(yīng)包括重現(xiàn)期為100年的環(huán)境載荷；意外橫搖，這種僅適用浮動平臺，考慮至少35°的靜態(tài)橫搖；制動狀態(tài)，在安裝或維修游動設(shè)備期間，游動設(shè)備全部重量由滑車支承。

根據(jù)滑車受主載荷條件（PLC）量化規(guī)定滑車設(shè)計安全系數(shù)進(jìn)一步明確了頂驅(qū)滑車設(shè)計方向，符合頂驅(qū)滑車裝置實際使用情況。

2.1.4 增加主通道出廠壓力試驗

增加主通道出廠壓力試驗是GB/T 31049—2014的另一項重大變動。由于規(guī)定了當(dāng)主通道工作壓力小于等于34.5 MPa，其試驗壓力應(yīng)為工作壓力2倍；工作壓力大于34.5 MPa，其試驗壓力大于工作壓力1.5倍，但不小于69 MPa，相當(dāng)于增加了頂驅(qū)裝置主通道的設(shè)計安全系數(shù)，提高了主通道密封要求。由于試驗判定規(guī)則十分明確，使得頂驅(qū)裝置出廠檢驗更具操作性。

2.2 SY/T 6870—2012標(biāo)準(zhǔn)的制定

SY/T 6870—2012《石油鉆機頂部驅(qū)動裝置安裝、調(diào)試與維護(hù)》是石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布是頂驅(qū)設(shè)備國產(chǎn)化、量產(chǎn)化的一個階段性里程碑，標(biāo)志著我國同時具備頂驅(qū)設(shè)備生產(chǎn)制造和維護(hù)服務(wù)的能力。

該標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)完善了我國頂驅(qū)裝置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列，結(jié)合以往頂驅(qū)標(biāo)準(zhǔn)共同規(guī)定了頂驅(qū)裝置從設(shè)計生產(chǎn)到維護(hù)服務(wù)的全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)化要求，能夠全面的指導(dǎo)頂驅(qū)裝置的生產(chǎn)者和消費者對頂驅(qū)裝置的理解。

3 頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)的建議

不同階段出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)在各自的時期內(nèi)發(fā)揮著積極的作用，為高效推動我國頂驅(qū)裝置國產(chǎn)化、量產(chǎn)化發(fā)展提供最為堅實的保障。但在標(biāo)準(zhǔn)實施過程中，也反映了一些實際的問題和需要，這些問題需要可為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)修訂提供一些參考。

1）完善頂驅(qū)裝置系列產(chǎn)品。隨著我國深井、超深井開采的不斷深入，為了順應(yīng)市場的需求，細(xì)化控制生產(chǎn)制造成本，提高制造效率，建議在產(chǎn)品規(guī)格里增加8 000 m、15 000 m頂驅(qū)裝置相關(guān)參數(shù)。

2）提出量化評價指標(biāo)。建議增加頂驅(qū)裝置焊接工藝量化評定指標(biāo)，明確執(zhí)行的焊接標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，根據(jù)實際作業(yè)細(xì)化設(shè)計安全系數(shù)，減低復(fù)雜作業(yè)事故發(fā)生的風(fēng)險。

3）吸收新的技術(shù)成果。建議增加直驅(qū)式頂驅(qū)[12]、軟扭矩技術(shù)[13]、扭擺減阻技術(shù)[14-15]相關(guān)要求，吸納包容頂驅(qū)裝置最新技術(shù)成果，有助于新技術(shù)的探索和研究，提升我國頂驅(qū)裝置的整體技術(shù)水平，增強頂驅(qū)系列化標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

我國頂驅(qū)裝置產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)主要經(jīng)歷了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級國家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)系列化兩個重要階段。

1）標(biāo)準(zhǔn)升級過程提出了增加相應(yīng)術(shù)語、規(guī)范連接尺寸、增加設(shè)計安全系數(shù)、增加產(chǎn)品試驗內(nèi)容，標(biāo)準(zhǔn)的升級順應(yīng)我國勘探開發(fā)縱向不斷加深、對鉆井裝備需求不斷提高的趨勢，標(biāo)志我國頂驅(qū)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的不斷優(yōu)化成熟。

2）標(biāo)準(zhǔn)系列化是從設(shè)計生產(chǎn)到維護(hù)服務(wù)的全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)化要求，標(biāo)志著我國頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)與國際先進(jìn)水平實現(xiàn)對接，有助于更加廣泛的在石油領(lǐng)域推廣頂驅(qū)裝置。

同時，在標(biāo)準(zhǔn)具體實施過程中，結(jié)合實際出現(xiàn)的問題和使用需求，建議進(jìn)一步完善頂驅(qū)系列；增加頂驅(qū)標(biāo)準(zhǔn)中量化評定部分；吸收新的技術(shù)成果。這些可為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)修訂提供一些參考，提升我國頂驅(qū)裝置標(biāo)準(zhǔn)的整體水平。