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石油钻机的最大钻柱重量与最大钩载的区别

归档日期:08-10       文本归类:发控设备      文章编辑:爱尚语录

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  石油钻机是指用来进行石油与天然气勘探、开发的成套钻井设备。盘钻机是成套钻井设备中的基本形式,也称常规钻机。此外,为适应各种地理环境和地质条件加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井综合效益,近年来世界各国在转盘钻机的基础上研制了各种类型的具有特殊用途的钻机,如沙漠钻机、丛式井钻机、顶驱钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等特殊钻机.

  现代钻机是一套大型的综合性机组,为了满足油气钻井的需要,整套钻机是由若干系统和设备组成的.本章从整体上,简要介绍关于钻机的基本概念和基本知识。

  钻机设备的配置与钻井方法密切相关,目前,世界各国普遍采用的钻井方法是旋转钻井法。即利用钻头旋转破碎岩石,形成井身;利用钻柱将

  (1) 旋转钻进的能力:钻井工艺要求钻井机械设备能为钻具(钻杆柱和钻头)提供一定的转矩和转速,并维持一定的钻压(钻杆柱捉用在钻头上的重力)。

  (2) 起下钻具的能力:钻井工艺要求钻井机械设备应具有一定的起重能力及起升速度(能起出或下入全部钻杆柱和套管柱)。

  岩屑的能力,能提供较高的泵压,使钻井液通过钻杆柱中孔,冲击清洗井底,并将岩屑带出井外。

  此外,考虑到钻井作业流动性大的特点,钻机设备要容易安装、拆卸和运输。钻机的使用维修工作必须简便易行,钻机的易损零部件应便于更换。

  钻机设备的配置和各种设备的工作能力、技术指标都是根据钻井工艺对钻机的以上三项基本要求确定的。在钻机的基本参数中对转盘的转矩与功率、大钩起重及功率、钻井泵的许用泵压与功率提出了要求。在这三组参数中,转盘的转矩,大钩的起重量,钻井泵的许用泵压,都是受到机件强度限制的。

  在强度满足使用要求的条件下,转盘应具有一定的转速;大钩应具有一定的提升速度;钻井泵应具有一定的排量,否则钻井作业就不能顺利进行。对转矩与转速,起重量与升速,泵压与排量的联合要求,就是工作机对功率的要求。为了保证一定的转速、升速、排量,应该供给一定的功率。

  根据钻井工艺的要求和钻井场所的特殊性,钻机表现出与一般通用机械不同的特点,概括起来如下:

  (1) 为了完成钻进与起下钻等钻井作业,钻机必须是一套大功率的重型联合工作机组。

  由于发动机是单一的特性,而工作机与井底钻具则要求具有不同的特性,所以从发动机到工作机与井底钻具间就有着不同的能量转换、运动变化和很长的能量传递路线,这就必然造成了钻机的传动机构庞大、整体效率低,控制机机构复杂、自动化程度低。

  在深井钻井中,起下钻这一非生产性质的辅助操作跃居主要地位,所以,起升机组变成了主要工作机组。起钻时必须付出很大的能量,而下钻时所产生的能量又不能回收,造成了很大的能量损耗。

  它是在矿场、山区、沙漠、沼泽地带及海洋上进行流动性作业的。这就要求钻机必须具有高度的运移性,即设备拆、装简易,尺寸和重量适于大块装运或整体拖运。为了适应各地区的载运条件,钻机应具有不同的底座机构形式。

  现代钻机,也就是目前世界各国通用的常规钻机,是一套大型的综合性机组,整套钻机是由动力与传动系统、工作系统、控制系统、辅助系统等若干系统和相应的设备所组成。一般说来,大型的综合性机组应包括:

  钻机也不例外,也应包括这五大系统。所不同的是,钻机的工作系统比较庞大,各机组的工作状况和工作特点各不相同,因而人们按照钻机工作机组的工作特点,把钻机的工作系统分成三部分,即旋转系统、起升系统和循环系统,另外,还把钻机底座单独列为一个系统。这样看来,整套钻机就是由下述八大系统设备组成的,如图1-2所示。

  为了转动井中钻具,带动钻头破碎岩石,钻机配备了旋转系统。它主要由转盘、水龙头、钻杆柱及钻头组成。另外,水龙头、钻杆柱和钻头也起着循环高压钻井液的作用。转盘是旋转系统的核心,是钻机的三大工作机之一。

  为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁,钻机配备了钻井液循环系统。主要有钻井泵、地面高压管汇、钻井液净化设备和钻井液调配装置(固控设备)等。当采用井下动力钻具钻进时,循环系统还担负着提供高压钻井液,驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具带动钻头破碎岩石的任务。钻井泵是循环系统的核心,是钻机的三大工作机之一。

  为了起下钻具、下套管、控制钻压及钻头送进等,钻机配备了起升系统,以辅助完成钻井作业。这套设备主要有钻井绞车、辅助刹车、游车系统〔如钢丝绳、天车、游动滑车〕大钩和井架组成。另外,还有用于起下操做的井口工具及机械设备〔如吊环、吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移动机构等〕。绞车是起升系的核心,是钻机的三大工作机之一。

  上述三大系统设备是直接服务于钻井生产的,是钻机的三大工作系统统。绞车转盘钻井泵称为钻机的三大工作机。

  动力驱动系统设备是指为整套机组〔三大工作机组及其他辅助机组〕提供能量的设备,可以是柴油机及其供油设备,或是交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。

  传动系统设备是指连接动力机与工作机,实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式转换设备。它包括减速、并车、倒车及变速机构等。

  钻机中常用的机械传动副主要是链条、三角胶带、齿轮和万向轴。此外,不少钻机还采用了液力传动、液压传动、电传动等传动形式。

  为了指挥控制各机组协调的进行工作,整套钻机配备有各种控制装置,常用的机械控制、气控制、电控制、液控制和电、气、液混合控制。机械驱动钻机,普遍采用集中统一气控制。现代钻机还配备各种钻井仪表及随钻测量系统,监测显示地面有关系统设备的工作状况,测量井下参数,实现井眼轨迹控制。

  底座包括钻台底座和机房底座,用语安装钻机设备,方便钻机设备的移运。钻台底座用于安装井架、转盘,放置立根盒及必要的井口工具和司钻控制台,多数还要安装绞车。钻台底座应容纳必要的井口装置,因此,必须有足够的高度、面积和刚性。机房底座主要用于安装动力机组及传动系统设备,因此,也要有足够的面积和刚性,以保证机房设备能够迅速安装找正、平稳工作且移运方便。丛式井钻机底座必须满足丛式钻井的特殊要求。

  成套钻机还必须具有供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备及辅助起重设备,在寒冷地带钻井时还必须配备保温设备。

  世界各国的各大石油公司、各钻机制造厂家按照各自的特点,对石油钻机的分类不尽相同。一般来说,可按以下方法对石油钻机进行分类。

  按钻井方法的不同可把钻机分为:冲击钻机(也称为顿钻钻机,最初用来打水井。1859年,美国人德雷克把它引入石油钻井)、旋转钻机(其代表是转盘旋转钻机,也成为常规钻机,是目前世界各国通用的钻机)。

  按驱动钻头旋转动力来源的不同可把钻机分为:转盘驱动旋转钻机、井底驱动旋转钻机(转盘旋转钻机加井底动力钻具)、顶部驱动旋转钻机(转盘旋转钻机加顶部驱动钻井装置)。

  按驱动设备类型的不同可把钻机分为:柴油机驱动钻机(柴油机驱动钻机又可分为柴油机驱动—机械转动钻机和柴油机驱动—液力传动钻机)、电驱动钻机(电驱动钻机又可分为直流电驱动钻机和交流电驱动钻机)。

  直流电驱动钻机包括:直—直流电驱动钻机(DC—DC)和交—直流电驱动钻机(AC—SCR—DC)。

  交流电驱动钻机包括:交流发电机(或工业电网)—交流电动机驱动钻机(AC—AC)和正在发展中的交流变频电驱动钻机,即交流发电机—变频调速器—交流电动机驱动钻机(AC—VFD—AC)。

  按工作机分组的不同可把钻机分为:统—驱动钻机、单独驱动钻机、分组驱动钻机。

  按钻井深度的不同可把钻机分为:浅井钻机(钻井深度不大于1500m)、中深井钻机(钻井深度为1500~3000m)、深井钻机(钻井深度为3000~5000m)、超深井钻机(钻井深度大于5000m)。

  按使用地区和用途的不同可把钻机分为:海洋钻机、浅海钻机(适用与0~5m水深或沼泽地区)、常规钻机、丛式井钻机、沙漠钻机、直升机吊运钻机小井眼钻机、连续柔管钻机等。

  钻机的基本参数指的是反映钻机基本工作性能的技术指标,也称为特性参数。如名义钻井深度、最大钻柱重量、最大钩载等。基本参数是设计、制造、选择、使用、维修和改造钻机的主要技术依据。

  钻机的基本参数按系统分类主要由主参数、起升系统参数、旋转系统参数、循环系统参数、驱动系统参数等构成。

  在基本参数中,选定一个最主要的参数作为主参数。主参数应具备以下特征:能最直接的反映钻机的钻井能力和主要性能:对其他参数具有影响和决定作用;可用来标定钻机型号,并作为设计选用钻机的主要技术依据。

  我国钻机标准采用名义钻井深度L(名义钻深范围上限)作为主参数。因为钻机的最大钻井深度影响和决定着其他参数的大小。

  名义钻井深度L是钻机在标准规定的钻井绳数下,使用 127mm(5in)钻杆柱可钻达的最大井深。

  名义钻深范围Lmin~Lmax是钻机可经济利用的最小钻井深度Lmin与最大钻井深度Lmax之间的范围。名义钻井深度范围下限Lmin与前一级的Lmax有重叠,其上限即该级钻机的名义钻井深度。

  最大钩载Qhmax是钻机在标准规定的最大绳数下,下套管或者进行解卡等特殊作业时,大钩上不允许超过的最大载荷。

  Qhmax决定了钻机下 管和处理事故的能力,是核算起升系统零部件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的主要技术依据。

  最大钻柱的质量Qstmax是钻机在标准规定的绳数下,正常钻进或进行起下作业时,大钩所允许承的最大钻柱在空气中的质量。

  标准规定: 127mm(5in)钻杆,接 80~100 m的7in 钻铤,平均取qst= 36kg/m。化整及为系列钻机的 Qstmax值。是计算钻机的起升系统零部件疲劳强度和转盘、水龙头主轴承动载荷的主要技术依据。

  Qhmax/Qstmax称为钩载储备系数,用Kh 来表示。一般Kh=1.8~2.08。钩载储备系数越大,表明该 钻机下套管、处理事故能力越强;但钩载储备系数过大会导致起升系统零部件过于笨重,不利用搬运。

  起升系统绳数Z是指正常钻井时游动系统采用的有效提升绳数。最大绳数Zmax是指钻机配备的游动系统轮系所能提供的最大有效绳数,用于下套管或解卡等重载作业。

  另外,起升系统参数还包括:绞车各挡起升速度V1、V2、……、Vk;绞车挡数K;绞车最大快绳拉力Pe;钢丝绳直径Dw;绞车额定输入功率Nde;井架有效高度Hm;钻台高度Hdf等;

  旋转系统参数包括:转盘开口直径Dr;转盘各挡转速n1、n2、……、nk;转盘挡数Kr;转盘额定输入功率Nre等。

  循环系统参数包括:钻井泵额定压力Pe;钻井泵额定流量Qe;钻井泵额定输入功率Npe等。

  为了规范钻机的设计、制造与设备供应,以达到生产、使用的经济合理,并有利于开展国际技术交流与合作,根据油气钻井的实际需要,选定主参数,将主参数系列,也就是将钻机分级。再根据此拟定其它基本参数,形成钻机基本系列。

  (1)机械驱动钻机:以柴油机为动力,通过液力变矩器、链条、齿轮三角胶带等不同组合的传动方式所驱动的钻机。

  石油工业标准《SY/T5609-1999》石油钻机型式与基本参数把钻机分为9级,名义钻井深度和钻深范围按114.3mm(4 1/2in)钻杆柱(qst=30Kg/m)确定。下表给出新的钻机型号级别及钻深范围和最大钩载两项基本参数。钻机级别代号用双参数表示,如10/600,前者乘以100为钻机名义钻深范围上限数值,后者是以kN为单位计的最大钩载。在驱动传动特点的表示方法上,增加了:Y—液压钻机;DJ—交流电动钻机;DZ—直流电动钻机;DB—交流变频电动钻机。

  ①将钻机外表面擦拭干净,并注意钻机底座滑道,立轴等表面的清洁和良好润滑。

  ④检查各主要零部件的完好情况,如有损坏应及时更换,不可带伤工作。  ⑤彻底消除在本月内发生的故障。 

  进入21世纪以来,石油钻机自动化、数字化、智能话、信息化水平快速发展。钻机整体向着交流变频调速电驱动石油钻机(AC-GTO-AC)方向发展。随着交流变频技术的迅速发展,交流变频电驱动石油钻机会取代可控硅直流电驱动钻机,该型钻机具有现用机械驱动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能,将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品。 今后,石油钻机发展特点是:

  (1)专业化钻机得到快速发展。如适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等。

  (2)规模向两极化方向发展。深井石油钻机趋向大型化(1500M,MAX12500KN)、轻便钻机趋向小型化(车载为主)。

  (3)钻机控制实现自动化、智能化。顶驱、盘式刹车技术逐步成熟,电动控制技术、液压驱动技术和可靠性逐步提高。

  (4)大力发展新型石油钻机,采用人性化的设计,先进的机械自动化,高效的钻机操作和监控系统,装置模块化,以提高钻机运移性,最终达到提高钻井效率,大大降低钻井成本的目的。

  (1)国外石油钻机发展现状及水平 石油钻机市场具有国际化的原因是石油钻机结构复杂,成套和技术难度大,价格昂贵,每台售价近千万元到几千万元不等,全世界总共才拥有各类陆地石油钻机4300多台。海洋钻机200~300多台。世界制造石油钻机的国家乃至厂商都不多,总计每年生产成套石油钻机的能力约600~800台左右。

  (2)国内石油钻机发展现状及水平 我国的石油钻机是为开采国内石油发展起来的,改革开放后,国内钻机市场面对世界钻机的竞争,各钻机制造企业充分认识到,必须以国际市场为研制的出发点才能站稳国内市场。根据“国内市场国际化,国际市场本土化”的大趋势,紧跟国内、国际市场需求,开发石油钻机前沿技术。国内目前钻深1000~7000m的钻机已形成系列,具备生产1000~9000m机械传动、电驱动、顶部驱动陆地、沙漠、海洋各种成套钻机的能力。全国现有大型钻机800台,中型钻机166台,其中87%的大中型钻机都是国产。

  目前,我国成套石油钻机供应商的石油钻机制造技术在许多方面已经达到或接近国际先进水平。近两年我国几家成套石油钻机制造厂经过体制改革,又不失时机地抓住我国为保证石油供给,加紧开发陆地、沙漠、海洋石油的同时积极参与海外石油开发的良好机遇,得以发展壮大。企业在技术进步、市场开拓、经济效益、出口多方面同步发展,成绩十分显著。

  ②近几年,国产电驱动钻机发展迅速,控制水平从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典型三级控制,即上位监控级、PLC过程控制级和全数字级构成通信网络。自动控制技术在钻机上的应用已达到20世纪90年代中期国际钻机先进水平,电传动系统达到美国20世纪90年代第四代产品水平,交流变频电驱动等钻机已达到90年代国际先进水平。从钻机整体看,达到同期同类国际先进水平的5种,填补国内空白的12种。

  ③钻机在适应性、成套性、品种多样性和系列化、自动化、智能化等方面与发达国家的先进水平相比还有相当大的差距。我国交流变频调速石油钻机的研制刚刚起步,国内生产的电驱动钻机,将司钻操作台和钻井仪表集中放置到司钻控制房,但各系统仍然是各自相对独立。

  ④国产钻机的机械维修时间约占总生产时间的5%~10%,而美国的钻机维修时间只占2%~3%。

  ⑤适应沙漠、戈壁、沼泽地等条件的钻机研制工作刚刚起步。中型钻机的模块化程度很低。

  ⑥需要加大发展小井眼石油钻机、连续管钻机、自动化钻机等先进钻井设备的投资,推广车载钻机,发展撬装钻机力度。

  我国是全世界发展中国家中唯一能生产成套石油钻机的国家。十年前,只有兰州石油化工机器厂、宝鸡石油机械厂、吉林重机厂三大国营企业生产成套石油钻机。目前,生产成套石油钻机企业已发展到八家,年生产能力约200台的能力。即:

  ① 国企三家:宝鸡石油机械有限责任公司、南阳石油机械厂、江汉第四石油机械厂;

  ② 中外合资企业二家:兰石国民油井石油工程有限公司、上海三高石油设备有限公司;

  ③ 民营企业三家:胜利油田高原石油装备有限责任公司、成都瑜宏石化工程有限责任公司、川油广汉机械有限公司。

  随着我国石油企业海外业务的增长和海外市场的开拓,石油装备出口贸易呈明显的增长势头。出口产品遍布20多个国家和地区,为今后出口产品的大幅度增长奠定了基础。由于国内钻机性价比较好,已有100多台钻井、修井机由国内钻井承包商带到国外钻井。

  五、钻机需求 从国际大环境看,一是西方发达国家受人工成本高等因素的影响,装备制造业正在逐步向外转移,中国已成为一个名副其实的“国际大工厂”。二是国际油价持续走高,刺激投资者纷纷将资金投向石油勘探领域,形成了新一轮的石油投资高峰,导致石油装备需求剧增。中国石油装备有些产品性价比优于发达国家,具有一定的竞争优势。目前国内三大石油公司都在大力实施“走出去”战略,加快海外业务的拓展,这将带动了石油装备走向国际市场。

  从钻机制造来看,国内在用钻机近1300台,经过8年的更新改造,需求量大幅减少,到2004年底只有不足500台的市场空间。按目前的钻机生产制造能力,再有三年多的时间国内钻机市场将基本饱和。国际钻机市场的确有较大发展空间,但国内生产的钻机智能化和质量水平与国外先进水平相比还有一定差距,缺乏适应各种地貌环境和工艺要求的特种钻机的设计和生产能力。而海洋钻机制造刚刚起步,基本不具备海洋平台和钻机船的设计、制造能力 。

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