石油鉆機雙絞車鉆井鋼絲繩關(guān)鍵技術(shù)研究*

朱本溫，劉雅靜，魏雙會，李勝忠

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.中原石油工程公司 裝備管理部，河南 濮陽 457000)

0 引 言

雙絞車鉆機是近年在石油工業(yè)中開發(fā)的新型鉆機，該鉆機配置兩個主提升絞車，分別驅(qū)動鉆井鋼絲繩的兩端，用于實現(xiàn)大鉤載荷的提升和下放。 目前雙絞車鉆機已在多個深水鉆井平臺或者鉆井船上得到了實際的應(yīng)用，如Noble Bully Ⅰ＆Ⅱ鉆井船、Noble GlobetrotterⅠ＆Ⅱ鉆井船、Odjfell Deepsea Atlantic 半潛鉆井平臺、Stena Midmix 半潛鉆井平臺等。 國內(nèi)的一些研究機構(gòu)也作了相關(guān)的研究，并發(fā)表了專利[1-2]。

單絞車鉆機鉆井鋼絲繩達(dá)到規(guī)定使用的噸英里時，可以從死繩固定器和倒繩機端放出一段新鋼絲繩，從絞車滾筒端切除相同長度的一段舊鋼絲繩，實現(xiàn)鉆井鋼絲繩定期的切繩作業(yè)。 雙絞車鉆機無死繩固定器，無法進(jìn)行切繩作業(yè)，當(dāng)鋼絲繩達(dá)到報廢要求時，需要將雙絞車之間的整段鋼絲繩全部更換掉。 由于雙絞車鉆機每段鋼絲繩的利用率均不相同，無法直接運用現(xiàn)有單絞車鉆機的方法評估鋼絲繩壽命。 另外，當(dāng)更換鋼絲繩時，鋼絲繩實際達(dá)到使用極限的長度很短，其余部分并未達(dá)到使用極限，鋼絲繩的綜合利用率并不高，造成鋼絲繩的極大浪費，從而導(dǎo)致鉆井作業(yè)成本的提高。

筆者通過研究單絞車與雙絞車鉆機鉆井鋼絲繩的損傷分布規(guī)律，提出一種提高雙絞車鉆機鉆井鋼絲繩綜合使用效率的滑繩解決方案，為雙絞車鉆機鉆井鋼絲繩的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 雙絞車鉆機系統(tǒng)

文中以某超深水半潛式鉆井平臺的布置為例，該平臺設(shè)計采用雙井口作業(yè)系統(tǒng)，每個井口均配套雙絞車提升系統(tǒng)，雙絞車鉆機系統(tǒng)原理如圖1 所示[3]。 雙絞車鉆機系統(tǒng)設(shè)計的主要參數(shù)如表1 所列。

圖1 雙絞車鉆機系統(tǒng)原理示意圖

表1 深水平臺雙絞車鉆機設(shè)計參數(shù)

雙絞車布置及鋼絲繩走向如圖2 所示，同一井口的兩臺絞車位于同一側(cè)，分別連接鋼絲繩的兩端，兩端均為快繩端，無死繩端，鋼絲繩為一整根。 當(dāng)更換鋼絲繩時需將鋼絲繩整體更換。

圖2 深水平臺雙絞車鉆機布置

取其中一個井口，雙絞車滾筒與天車、游車滑輪組之間16 繩系提升，系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 雙絞車16 繩系原理

相對于單絞車鉆機，雙絞車鉆機具有以下優(yōu)點。

(1) 冗余性高，綜合可靠性好 雙絞車鉆機具有兩種工作模式，一種是只有1 臺絞車工作，另一種是2 臺絞車同時工作。 當(dāng)其中1 臺絞車發(fā)生故障時，系統(tǒng)可切換到單絞車工作模式，在該模式下得到與雙絞車同時工作模式下相同的提升能力，能夠及時開展應(yīng)急作業(yè)或常規(guī)單絞車下的鉆井作業(yè)，可對故障絞車進(jìn)行在線維修，降低事故風(fēng)險，減少停機維修時間。

(2) 提高繩系效率，降低能耗 提升系統(tǒng)的繩系數(shù)量越多，繩系效率越低。 雙絞車同時工作時，其繩系數(shù)量相當(dāng)于單絞車系統(tǒng)的一半，繩系效率大幅提高，進(jìn)而提高提升與主動補償系統(tǒng)的效率。 以16 繩提升系統(tǒng)為例，經(jīng)計算，雙絞車系統(tǒng)與單絞車系統(tǒng)相比，繩系效率提高8.3%。

(3) 無需切繩操作，節(jié)省時間 雙絞車系統(tǒng)的快繩速度僅為同樣鉤速情況下單絞車系統(tǒng)的一半，鋼絲繩的磨損速度更慢，通過優(yōu)化纏繩和滑繩方案，能夠提高單位長度鋼絲繩的利用率，無傳統(tǒng)單絞車鉆機下的切繩操作，節(jié)省時間。

2 鋼絲繩工作壽命評估

在游車滑輪組升降載荷過程中，鋼絲繩的損傷原因包括鋼絲繩的張力、磨損和彎曲疲勞，主要發(fā)生在鋼絲繩纏繞絞車滾筒、天車滑輪、游車滑輪的過程中，國內(nèi)外諸多學(xué)者也對鋼絲繩具體的損傷原因及檢測方法進(jìn)行了大量的研究工作[4-10]。 在API RP 9B 標(biāo)準(zhǔn)中，鉆井鋼絲繩總工作量評價采用各種工況下鋼絲繩的總做功量進(jìn)行衡量，如:起下鉆作業(yè)、鉆井作業(yè)、取巖心作業(yè)、下套管作業(yè)、起下鉆作業(yè)等[11]，這種方法較為精確，但是評價過程復(fù)雜，工作量較大。 目前，高端的鉆機操控系統(tǒng)，可自動累計游動滑輪組完成的工作量(噸英里數(shù))，并以此作為滑繩和切繩的依據(jù)。

在游車滑輪組升降過程中，所有鋼絲繩的張力相同(不考慮滑輪效率)，所以鋼絲繩各段的彎曲疲勞損傷差別主要是鋼絲繩不同位置通過絞車滾筒、天車滑輪、游車滑輪次數(shù)不同造成的。 所以，可通過統(tǒng)計鋼絲繩纏繞滑輪和絞車滾筒的次數(shù)，統(tǒng)計鋼絲繩的損傷程度。

2.1 單絞車鉆機鉆井鋼絲繩壽命評估

絞車在進(jìn)行收繩和放繩時，鋼絲繩每通過一次天車滑輪、游車滑輪和絞車滾筒時即會產(chǎn)生1 次彎折，造成1 次彎折損傷。 在鉆井作業(yè)工況以及起下鉆作業(yè)工況下，游車正常運動的上下行程為圖4 中滑輪最高位置和最低位置之間的距離，該行程是鉆機最主要的、最通常的作業(yè)路徑，采用該行程來統(tǒng)計鋼絲繩經(jīng)過天車滑輪、游車滑輪、絞車滾筒的次數(shù)能夠代表鉆機最普遍的作業(yè)工況，反映鉆機的實際情況。

圖4 單絞車鋼絲繩通過滑輪彎折次數(shù)示意圖

取天車滑輪和游車滑輪之間最大距離時的中間離散點為代表對象進(jìn)行統(tǒng)計，這些離散的中間點每通過1 個滑輪或者絞車滾筒，便計入1 次彎折損傷，統(tǒng)計各個離散點的總彎折損傷次數(shù)。 同時考慮鋼絲繩經(jīng)過不同的滑輪時速度不同，快繩側(cè)滑輪速度比死繩端滑輪速度高數(shù)倍[12]，滑輪與鋼絲繩接觸造成鋼絲繩的磨損也較大，而死繩端的滑輪速度最慢，對鋼絲繩的損傷也最小。 因此，對每個滑輪按照速度的大小分配其對鋼絲繩的影響程度值，從絞車端導(dǎo)繩輪，中間經(jīng)過游車滑輪，最后到死繩端滑輪的影響程度值分別為“16”、“15”、……、“1”、“0”。

以深水鉆井平臺鉆機倒繩機容繩量為3 000 m為例，統(tǒng)計不同切繩次數(shù)時各鋼絲繩段離散點通過的滑輪彎折次數(shù)。 圖5 所示為在固定的切繩長度下，分別切繩0(不切繩)、5、10、16、32 次，游車組向上移動一個單程時，鋼絲繩彎折次數(shù)的統(tǒng)計圖。

圖5 單絞車鉆機不同切繩次數(shù)的鋼絲繩彎折次數(shù)對比圖

從圖5 中可以看出，在鋼絲繩使用前期，鋼絲繩還沒有進(jìn)行切繩/滑繩操作，或者只進(jìn)行了少量的切繩/滑繩操作，絞車快繩端的鋼絲繩還未得到充分的使用，沒有達(dá)到最大的使用效能時便進(jìn)行了切斷。 隨著切繩次數(shù)的增加，鋼絲繩的使用效能逐漸得到了發(fā)揮，鋼絲繩各段的受力點也逐漸分布均勻，此時切斷的鋼絲繩使用更充分。 圖5 中鋼絲繩經(jīng)過滑輪的彎折次數(shù)為定值的橫段部分，代表鋼絲繩的極限使用性能，由此可見，鋼絲繩的長度越長，達(dá)到中間橫段部分的鋼絲繩長度也越長，整個鋼絲繩單位長度的工作量越大，鋼絲繩使用效率越高。 但受倒繩機的能力、平臺布置和安裝等各方面因素的影響，鋼絲繩的長度不能無限長，保持在合理的范圍之內(nèi)即可。

根據(jù)中海油在營某深水鉆井平臺的現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗，該平臺采用Aker MH 鉆井包系統(tǒng)，采用的游車和天車滑輪直徑為72 in，鋼絲繩直徑為2 in，與文中參照的超深水鉆井平臺參數(shù)相同。 當(dāng)鉆機鋼絲繩累計工作量達(dá)到5 000 t·mile 時便進(jìn)行一次切繩操作，每次切繩長度為125 ft(38.1 m)，到達(dá)鋼絲繩使用壽命時，單位長度鋼絲繩最大的累計工作量為131.2 t·mile/m。 參照HYSY981 鉆井平臺鋼絲繩的單位長度工作量，本項目中為便于不同離散點通過滑輪的彎折次數(shù)統(tǒng)計，經(jīng)計算假設(shè)每次切繩60.1 m，則每次切繩鋼絲繩累計做功為7 887 t·mile。 當(dāng)?shù)估K機容繩量為3 000 m 時可實現(xiàn)總的切繩次數(shù)為30 次。

按照API 9B 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于鉆井鋼絲繩，采用單位長度鋼絲繩工作量進(jìn)行評價，則整個倒繩機內(nèi)鉆井鋼絲繩單位長度的工作量為:

2.2 雙絞車鉆機鉆井鋼絲繩壽命評估

類比單絞車鉆機對鋼絲繩損傷的評價方法，對每個滑輪按照速度的大小分配其對鋼絲繩的影響程度值，天車中間滑輪的理論速度值為0，從兩側(cè)絞車端導(dǎo)繩輪，中間經(jīng)過游車滑輪，最后到天車中間滑輪的影響程度值分別為“8”、“7”、 “6”、 “5”、 “4”、“3”、“2”、“1”、“0”，如圖6 所示。

圖6 雙絞車鋼絲繩通過滑輪彎折次數(shù)示意圖

在不進(jìn)行滑繩操作時，游車上升1 個最大行程時，統(tǒng)計各離散點通過滑輪次數(shù)的彎折情況，折算如圖7 所示。

圖7 雙絞車鉆機游車上升最大行程時鋼絲繩彎折次數(shù)分布

可以看出，游動系統(tǒng)在進(jìn)行一次單程升降時，在兩個絞車端和天車中間滑輪位置的點出現(xiàn)的彎折次數(shù)較少，磨損小，而在絞車和天車中間滑輪之間的鋼絲繩出現(xiàn)較多的彎折次數(shù)，鋼絲繩經(jīng)歷的磨損較大，若不進(jìn)行滑繩，這部分鋼絲繩會因重復(fù)磨損而出現(xiàn)過早的損傷，而絞車端和中間滑輪端鋼絲繩還未得到充分使用，造成鋼絲繩需要過早進(jìn)行更換，提高了鋼絲繩的消耗成本，并且換繩時間間隔較小，也造成了時間的浪費，引起鉆機作業(yè)成本的提高。

3 提高雙絞車鉆機鋼絲繩壽命措施

為了提高鋼絲繩的使用壽命，避免鋼絲繩出現(xiàn)應(yīng)力集中而過早進(jìn)行報廢，采用雙絞車滑繩方案，在滿足雙絞車鉆機正常工作的基礎(chǔ)上將雙絞車之間的單根鋼絲繩進(jìn)行額外加長，纏繞在其中一個絞車滾筒上，當(dāng)使用一段時間后放出新繩，使鋼絲繩各段的應(yīng)力集中點分布更為均勻，從而降低鋼絲繩的彎曲疲勞，提高使用壽命。 分別對鋼絲繩的滑繩進(jìn)行統(tǒng)計，并進(jìn)行統(tǒng)一折算，滑繩次數(shù)為2、4、6、8 次的統(tǒng)計分別如圖8 所示。

從圖8 可看出，隨著滑繩次數(shù)的增加，鋼絲繩經(jīng)過滑輪和絞車滾筒的彎折點分布逐漸趨于均勻，當(dāng)滑繩6 次時，鋼絲繩彎折點分布最為均勻，圖形下方的有效面積最大，鋼絲繩使用最充分，滑繩6 次后將整根鋼絲繩進(jìn)行整體更換，滑繩方案累計增加的繩長為360 m，絞車滾筒的設(shè)計容繩量需要滿足額外纏繩的要求。

圖8 不同滑繩次數(shù)下鋼絲繩彎折統(tǒng)計

按照單絞車鉆機和雙絞車鉆機彎折點統(tǒng)計，采用雙絞車鉆機每米鋼絲繩的工作量約為118.7 t·mile。采用雙絞車鉆機游車每運動一個最大單程時，對鋼絲繩的工作量比單絞車鉆機要小約3.6 倍。

采用雙絞車鉆機，對雙絞車之間進(jìn)行滑繩，降低應(yīng)力集中點，相對于單絞車方案鋼絲繩單位長度工作量提高45.6%，鋼絲繩使用更充分。

4 雙絞車典型鋼絲繩操作方案

4.1 換繩操作方案

雙絞車鉆機采用一整根鋼絲繩，當(dāng)鋼絲繩達(dá)到使用壽命時需要整體進(jìn)行更換，該換繩流程與常規(guī)單絞車鉆機有很大差別。 文中設(shè)計了雙絞車鉆機的換繩方案，換繩過程共需要2 臺倒繩機，其中一臺纏滿了新鋼絲繩，另一臺為無鋼絲繩的倒繩機。 具體換繩流程步驟如圖9 所示。

圖9 雙絞車鉆機換繩步驟

具體步驟如下。

(1) 將兩臺倒繩機放置在與兩臺絞車分別對應(yīng)的位置，倒繩機1 纏滿了新鋼絲繩，倒繩機2 為無鋼絲繩的鋼絲繩機。

(2) 絞車1、絞車2 回轉(zhuǎn)下放游車和頂驅(qū)至低位，利用鋼絲繩吊具懸掛游車和頂驅(qū)，絞車1、絞車2繼續(xù)回轉(zhuǎn)下放游車和頂驅(qū)，使游車和頂驅(qū)的重量完全由鋼絲繩吊具承擔(dān)。

(3) 絞車1 正轉(zhuǎn)纏繞鋼絲繩，絞車2 反轉(zhuǎn)釋放鋼絲繩，當(dāng)絞車2 滾筒露出繩頭時，絞車2 停止轉(zhuǎn)動。

(4) 將絞車2 滾筒的鋼絲繩繩頭移至倒繩機2上，啟動倒繩機2 正轉(zhuǎn)，控制絞車1 反轉(zhuǎn)釋放鋼絲繩，將鋼絲繩纏到倒繩機2 上，當(dāng)絞車1 滾筒露出繩頭時停止轉(zhuǎn)動。

(5) 釋放絞車1 滾筒上的原鋼絲繩繩頭，并利用導(dǎo)繩將其與倒繩機1 上的新鋼絲繩連接，然后倒繩機2 正轉(zhuǎn)纏繩(舊鋼絲繩)，倒繩機1 反轉(zhuǎn)釋放鋼絲繩，直至新鋼絲繩繞過游動系統(tǒng)到達(dá)絞車2 處。

(6) 將倒繩機2 與新鋼絲繩斷開，然后將新鋼絲繩的繩頭固定于絞車2 滾筒上，啟動絞車2 纏新鋼絲繩，倒繩機1 釋放新鋼絲繩。 此時舊鋼絲繩完全纏繞在倒繩機2 上。

(7) 當(dāng)?shù)估K機1 露出新繩末端繩頭時，將繩頭固定在絞車1 滾筒上，啟動絞車1 正轉(zhuǎn)纏繩，絞車2 放鋼絲繩。

(8) 當(dāng)絞車1 滾筒達(dá)到設(shè)計纏繩圈數(shù)時，停止絞車1 和絞車2，啟動雙絞車模式，兩臺絞車共同提升游車和頂驅(qū)，然后移除游車和頂驅(qū)的鋼絲繩吊具，完成換繩操作。

4.2 滑繩操作方案

滑繩操作的主要目的是為了降低鋼絲繩的更換頻率，減輕鋼絲繩局部疲勞破壞，延長鋼絲繩壽命?；K操作方案步驟如下。

(1) 使用鋼絲繩吊具將游車和頂驅(qū)掛在鉆臺低位，啟動雙絞車釋放鋼絲繩，使上述鋼絲繩吊具繃緊承受游車和頂驅(qū)的重量。

(2) 絞車1 正轉(zhuǎn)，絞車2 反轉(zhuǎn)，將位于疲勞敏感位置的鋼絲繩滑送至絞車1 的滾筒處，滑繩長度及頻率經(jīng)上述設(shè)計確認(rèn)，每次滑繩長度相同。

(3) 滑繩完畢后，啟動雙絞車，共同提升游車和頂驅(qū)，釋放鋼絲繩吊具并將其移除，完成滑繩操作。

圖10 雙絞車鉆機滑繩步驟

4.3 游車高度校準(zhǔn)操作方案

在實際鉆井作業(yè)中，游車高度是非常重要的參數(shù)，該參數(shù)如果發(fā)生錯誤，會導(dǎo)致作業(yè)過程中游車頂驅(qū)的運行超出行程范圍，超出上行程會發(fā)生頂天車事故，超出下行程會發(fā)生頂驅(qū)砸鉆臺面事故，這都會對鉆井設(shè)備和人員的安全造成威脅。

為保證鉆井設(shè)備和人員的安全，游車高度校準(zhǔn)是鉆井作業(yè)中非常重要的一項操作，游車的實際高度位置、實際運行速度及安全防碰撞的功能操作都是基于此校準(zhǔn)的結(jié)果。 雙絞車提升系統(tǒng)在完成諸如鋼絲繩整體換繩操作、滑繩操作或者更換計算游車高度的傳感器后均需要進(jìn)行游車高度校準(zhǔn)操作，以保證相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和設(shè)備的安全。

具體校準(zhǔn)流程如下。

(1) 絞車低速運轉(zhuǎn)進(jìn)行纏繩，觀察絞車滾筒的纏繩情況，當(dāng)鋼絲繩在滾筒上纏滿第2 層，準(zhǔn)備纏第3層時，停止絞車運轉(zhuǎn)。

(2) 在絞車的司鉆顯示界面上點擊滾筒纏繩第2/3 層轉(zhuǎn)換操作按鈕，記錄當(dāng)前位置為絞車?yán)p滿第2層的位置，絞車的控制程序會以當(dāng)前的位置點為計算基礎(chǔ)，當(dāng)絞車進(jìn)行正反轉(zhuǎn)時自動累加計算游車的上下運動行程。

(3) 繼續(xù)操作絞車運轉(zhuǎn)使游動系統(tǒng)下放，直至頂驅(qū)吊卡接近鉆臺面位置停止，此時絞車已記錄下放的實際高度值，在絞車的司鉆顯示界面上點擊頂驅(qū)高度為零位置的按鈕，使當(dāng)前游車的高度位置為零點，此時查看界面中顯示的游車的實際高度應(yīng)為零點。

(4) 將游車上提一定的高度(如3 m)，查看界面中顯示游車高度值的變化，若高度值隨著游車的上升而逐漸增大，表明游車高度校準(zhǔn)完成。

5 結(jié) 論

文中對單絞車鉆機和雙絞車鉆機在相同的參數(shù)下進(jìn)行比較分析計算，提出雙絞車鉆機鋼絲繩應(yīng)用的換繩、滑繩和高度校準(zhǔn)方案，并得出采用雙絞車鉆機鉆井鋼絲繩具有以下特點。

(1) 鋼絲繩單位長度的工作量更高，使用更充分，相對于傳統(tǒng)的單絞車滑繩和切繩方案，鋼絲繩使用壽命能夠提高45.6%，如單絞車鉆機鋼絲繩累計5 000 t·mile 時進(jìn)行滑繩和切繩操作，雙絞車鉆機鋼絲繩可在7 280 t·mile 實現(xiàn)滑繩。

(2) 鋼絲繩采用滑繩方案，滑繩方案相對于傳統(tǒng)的單絞車切繩方案操作更加便捷，更加省時。