【關(guān)鍵詞】液壓鉆機(jī),特性,發(fā)展趨勢(shì)

【摘要】介紹了加拿大Tesco公司新型套管鉆機(jī)、挪威MH公司的Ram Rig鉆機(jī)和意大利新型石油鉆機(jī)等多種新型液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、特性、優(yōu)點(diǎn)及使用范圍。從這些鉆機(jī)的新進(jìn)展可以看出國(guó)外液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)：(1)液壓驅(qū)動(dòng)是一種較好的驅(qū)動(dòng)型式，并向全液壓驅(qū)動(dòng)型式發(fā)展；(2)更適合采用新的鉆井工藝；(3)向全新模式鉆機(jī)發(fā)展；(4)向多個(gè)小功率液馬達(dá)傳動(dòng)發(fā)展。

　　在開發(fā)制造電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的同時(shí)，國(guó)外先后推出了多種新型液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)，并在鉆井中發(fā)揮了一定作用。筆者介紹近幾年國(guó)外幾種新型液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)。

加拿大Tesco公司新型套管鉆機(jī)

　　據(jù)美國(guó)World Oil雜志1998年5月報(bào)道，加拿大Tesco公司開發(fā)的新型套管石油鉆機(jī)，于1998年4月在該公司研究開發(fā)中心開鉆，首次做套管鉆井工藝和鉆井裝備試驗(yàn)，已取得初步成果。
　　1.套管鉆井
　　套管石油鉆機(jī)用套管代替鉆桿，連續(xù)接套管鉆進(jìn)，利用特制的小絞車從套管內(nèi)起下或更換鉆頭，一直鉆到設(shè)計(jì)井深，鉆井結(jié)束，套管也下完。用套管鉆進(jìn)時(shí)套管要承受扭矩載荷，為確保鉆井安全，Tesco公司研究了一種適合鉆井的套管螺紋。
　　2.鉆井液循環(huán)系統(tǒng)
　　套管鉆機(jī)采用頂驅(qū)鉆井方式，頂驅(qū)水龍頭的輸出軸與套管聯(lián)接，鉆井液從頂驅(qū)水龍頭進(jìn)入套管內(nèi)，經(jīng)鉆頭進(jìn)入套管與井壁的環(huán)形空間返回地面，再經(jīng)鉆井液凈化系統(tǒng)除砂、除泥和除氣之后，由鉆井泵泵入頂驅(qū)，形成鉆井液循環(huán)系統(tǒng)。
　　3.鉆頭及其與套管的固定和起下
　　套管鉆機(jī)用鉆頭由鉆進(jìn)鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭組成。鉆進(jìn)鉆頭直徑比套管內(nèi)徑小，可從套管內(nèi)起下。在鉆進(jìn)鉆頭的上方接兩個(gè)擴(kuò)孔鉆頭，可伸出擴(kuò)大直徑，鉆出比套管外徑大的井眼；兩擴(kuò)孔鉆頭縮回時(shí)直徑減小，此時(shí)可從套管中起下鉆進(jìn)鉆頭。鉆進(jìn)鉆頭與井下套管端頭采用特制的連接鎖定裝置聯(lián)接。鉆進(jìn)鉆頭下入井底后，固定在連接鎖定裝置上，伸出擴(kuò)孔鉆頭，開鉆井泵，利用頂驅(qū)就可進(jìn)行鉆井作業(yè)。當(dāng)鉆頭磨損需更換時(shí)，首先縮回?cái)U(kuò)孔鉆頭，打開連接鎖定裝置，停泵，再用起下鉆頭用的小絞車鋼繩將鉆進(jìn)鉆頭從井底套管內(nèi)起出地面。換好新鉆頭后，將此鉆頭下入井底，固定在連接鎖定裝置上，伸出擴(kuò)孔鉆頭，開泵，即可再次鉆進(jìn)。
　　4.套管石油鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
　　采用自動(dòng)送鉆裝置鉆井，井身質(zhì)量較好，機(jī)械鉆速高，鉆井成本降低；采用多個(gè)液壓馬達(dá)傳動(dòng)，鉆機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，占地面積小，相對(duì)操作空間較大；采用全液壓驅(qū)動(dòng)型式，以單一的柴油機(jī)液壓泵作動(dòng)力源，投資少，功率利用率高；采用各種先進(jìn)的鉆井測(cè)錄儀表，及時(shí)顯示記錄和儲(chǔ)存實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)，為司鉆提供鉆井決策依據(jù)；套管鉆井中無(wú)起下鉆二層臺(tái)操作，接套管作業(yè)在低位鉆臺(tái)面上進(jìn)行，從而提高了操作的安全性和準(zhǔn)確性，節(jié)約鉆井成本30%～50%；利用特制小絞車起下套管鉆井的鉆頭，與起下鉆換鉆頭相比省時(shí)省力。

挪威MH公司Ram Rig鉆機(jī)［1］

　　近幾年來(lái)，挪威MH公司采用其特長(zhǎng)的液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)及新穎的石油鉆機(jī)構(gòu)思方案，研制出Ram Rig鉆機(jī)，已基本上形成系列，大鉤載荷為1500～10000kN，其中大鉤載荷為4400kN的鉆機(jī)，頂驅(qū)行程為32m；大鉤載荷為3000kN的鉆機(jī)，頂驅(qū)行程為30m。鉆機(jī)的最高提升速度為2 m/s。
　　1.應(yīng)用范圍
　　Ram Rig鉆機(jī)可用于定向井、叢式井和水平井鉆井及開窗側(cè)鉆等。若安裝在海洋鉆井平臺(tái)上，可起下水下器具和隔水管等。該型鉆機(jī)具有靈活組合特性，可滿足快速鉆井及各種鉆井工藝的需要。如選1臺(tái)、2臺(tái)或3臺(tái)鉆機(jī)組合方式，可完成各種重復(fù)性作業(yè)，加快鉆井速度和下套管速度。若采用2臺(tái)組合(又稱雙驅(qū)石油鉆機(jī))，有兩種作業(yè)方式：一種是以1臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè)，另1臺(tái)起下水下鉆井器具；另一種是以1臺(tái)鉆機(jī)完成下套管作業(yè)，另1臺(tái)用于接兩根套管作業(yè)，并將接好的套管排放整齊備用。
　　2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理
　　Ram Rig鉆機(jī)由2個(gè)千斤頂液缸、游動(dòng)滑輪組件、提升鋼繩、平衡器組件、頂驅(qū)、特制井架、柴油機(jī)或AC電動(dòng)機(jī)液壓泵動(dòng)力系統(tǒng)、鉆臺(tái)和底座、鉆井控制室、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)等10個(gè)部分組成。
　　(1)頂驅(qū)　Ram Rig鉆機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)及液壓動(dòng)力源 。
　　(2)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理　以2個(gè)長(zhǎng)沖程千斤頂液缸作為頂驅(qū)上下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源 ，2個(gè)液缸分別固定在井架左右兩大腿內(nèi)側(cè)。2個(gè)活塞桿的上端共同支承游動(dòng)滑輪組件，在游動(dòng)滑輪組件上裝有4個(gè)(對(duì)中小型鉆機(jī))或8個(gè)滑輪(對(duì)大型鉆機(jī))。有4根或8根長(zhǎng)度相等的提升鋼繩，每根分別掛在1個(gè)滑輪上，鋼繩繞過(guò)滑輪后，兩端均向下，其中4個(gè)或8個(gè)鋼繩活端與頂驅(qū)聯(lián)接，4個(gè)或8個(gè)鋼繩死端與底座中的平衡器組件聯(lián)接，平衡器組件對(duì)4個(gè)或8個(gè)鋼繩死端拉力起平衡作用。當(dāng)2個(gè)活塞桿向上伸出時(shí)，滑輪向上運(yùn)動(dòng)使頂驅(qū)也向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)2個(gè)活塞桿向下縮回時(shí)，滑輪向下運(yùn)動(dòng)使頂驅(qū)也向下運(yùn)動(dòng)。但是由于滑輪系統(tǒng)關(guān)系，頂驅(qū)的運(yùn)動(dòng)速度是活塞運(yùn)動(dòng)速度的2倍，頂驅(qū)的載荷是2個(gè)液缸載荷的一半。如大鉤載荷為4400kN的鉆機(jī)，其2個(gè)千斤頂推力載荷為8800kN，活塞桿伸出行程為16m，頂驅(qū)運(yùn)動(dòng)行程為32m。頂驅(qū)的上下運(yùn)動(dòng)就實(shí)現(xiàn)了鉆井、起下鉆柱、下套管、起下水下器具或修井等作業(yè)。
　　(3)特制井架　為使游動(dòng)滑輪組件通過(guò)提升鋼繩懸吊的頂驅(qū)對(duì)準(zhǔn)井口和上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向以及承受頂驅(qū)鉆井的反扭矩，在特制井架兩大腿內(nèi)側(cè)各有1條垂直的導(dǎo)軌。與常規(guī)井架不同的是，特制井架不承受頂驅(qū)載荷，而由2個(gè)液缸承受。此外，立根存放于底座下面，接立根操作在鉆臺(tái)面低位進(jìn)行。在井架兩大腿內(nèi)側(cè)下段，固定2個(gè)千斤頂液缸。
　　(4)鉆臺(tái)和底座　采用高鉆臺(tái)底座，沒(méi)有立根盒。立根下接頭支承在較低地面上，上接頭露出鉆臺(tái)面，起下鉆及上卸扣操作均在鉆臺(tái)上進(jìn)行。
　　(5)液壓泵動(dòng)力系統(tǒng)　選用柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，有4臺(tái)或8臺(tái)液壓泵組合，每臺(tái)液壓泵的動(dòng)力均能給出頂驅(qū)的大鉤載荷，但提升速度較低，只有在設(shè)計(jì)液壓泵數(shù)量下，才具有設(shè)計(jì)的提升速度。這樣在某幾臺(tái)液壓泵同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，也能提升鉆柱，避免發(fā)生井下事故。通過(guò)液壓泵排出的動(dòng)力油，進(jìn)入8個(gè)立式平衡壓力氣缸起到補(bǔ)償作用，再通過(guò)滑輪動(dòng)作閥進(jìn)入2個(gè)千斤頂液缸，實(shí)現(xiàn)活塞桿上升或下降動(dòng)作。該液壓系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆，不需要另設(shè)自動(dòng)送鉆裝置。
　　3.主要優(yōu)點(diǎn)
　　與常規(guī)鉆機(jī)相比較，Ram Rig鉆機(jī)絞車和提升系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，成本低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)；采用全液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，無(wú)工作火花，鉆井更安全，特別是鉆天然氣井或伴生天然氣較多的油井，不會(huì)發(fā)生著火事故；可完成鉆井、起下鉆、下套管或修井等作業(yè)，動(dòng)力消耗較少；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和鉆井實(shí)踐表明，Ram Rig鉆機(jī)可提高鉆井效率15%～20%。

意大利新型石油鉆機(jī)［1］

　　意大利SOILMEC S.P.A油水分公司研究開發(fā)了4種規(guī)格中型系列和5種規(guī)格輕型系列石油鉆機(jī)。
　　1.中型系列石油鉆機(jī)
　　中型系列鉆機(jī)有G—100型、G—125型、G—150型和G—200型等4種，鉆井深度為1800～4000m，修井深度為3600～7000m。中型系列石油鉆機(jī)適用于鉆小井眼井，具有鉆井成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
　　2.輕型系列石油鉆機(jī)
　　輕型系列石油鉆機(jī)有G—14型、G—22型、G—35型、G—55型和G—75型等5種，鉆井深度300～1000m，修井深度600～1800m。鉆機(jī)動(dòng)力消耗少，可快速鉆井或修井，是根據(jù)API Spec和ISO 9001質(zhì)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的。
　　3.主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　(1)采用全液壓驅(qū)動(dòng)型式，鉆機(jī)的所有部件采用同一液壓動(dòng)力源，功率利用率高。
　　(2)絞車是一個(gè)長(zhǎng)沖程單臂式千斤頂液缸，活塞桿頂部裝有4個(gè)滑輪，各由2根軸支承。有2根等長(zhǎng)度的鋼繩，每根繞過(guò)2個(gè)滑輪后向下，其活端與頂驅(qū)聯(lián)接，死端固定在底座上。當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，頂驅(qū)向上運(yùn)動(dòng)，速度是活塞桿向上運(yùn)動(dòng)速度的2倍，頂驅(qū)的提升載荷是活塞桿向上推力的一半。
　　(3)該型鉆機(jī)沒(méi)有井架，在活塞桿的外面包著導(dǎo)軌，起引導(dǎo)頂驅(qū)上下運(yùn)動(dòng)和承受頂驅(qū)鉆井時(shí)反扭矩的作用。
　　(4)采用高鉆臺(tái)底座，鉆臺(tái)上無(wú)立根盒。起下鉆時(shí)，所有立根立放在底座下面，立根的下接頭支承在地面深坑內(nèi)，上接頭露出鉆臺(tái)面，起下鉆時(shí)扣吊卡和打開吊卡以及上卸扣操作，均在鉆臺(tái)上低位進(jìn)行。不需要二層臺(tái)。
　　(5)采用頂驅(qū)鉆井方式，鉆進(jìn)速度快，質(zhì)量好，安全可靠，處理事故能力強(qiáng)，鉆井經(jīng)濟(jì)效益好。
　　(6)利用液壓控制系統(tǒng)控制鉆壓，可實(shí)現(xiàn)恒鉆壓自動(dòng)鉆進(jìn)，井身質(zhì)量好，機(jī)械鉆速快。
　　(7)配有1臺(tái)挺桿式小型起重機(jī)，可在鉆井作業(yè)中完成各種小件的吊運(yùn)作業(yè)。

液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

　　(1)液壓驅(qū)動(dòng)是一種較好的驅(qū)動(dòng)型式。筆者根據(jù)加拿大Tesco公司和美國(guó)Varco公司給出的頂驅(qū)鉆井特性曲線，計(jì)算了Tesco公司150HM型、500/650—HC/HC1型液壓驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)和500EC1型、650EC1型AC變頻永磁電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)頂驅(qū)以及Varco公司IDS—1型、TDS—4S型、TDS—6S型AC—SCR—DC電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)和TDS—8SA型、TDS—9SA型、TDS—10SA型、TDS—11SA型AC變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)頂驅(qū)的鉆井特性，并取相同驅(qū)動(dòng)型式頂驅(qū)鉆井參數(shù)的平均值。計(jì)算結(jié)果表明，AC變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)頂驅(qū)全程調(diào)節(jié)使用范圍的功率利用率最高為76.7%；液壓驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)為71.8%；AC—SCR—DC電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)為67.2%；AC變頻永磁電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)頂驅(qū)為50%。其中液壓驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)功率利用率比AC變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)頂驅(qū)小4.9%，但比AC—SCR—DC電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)高4.6%，比AC變頻永磁電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)頂驅(qū)高21.8%。
　　(2)液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)向全液壓驅(qū)動(dòng)型式發(fā)展。加拿大Tesco公司套管鉆機(jī)、挪威MH公司Ram Rig鉆機(jī)和意大利新型鉆機(jī)等多采用全液壓驅(qū)動(dòng)型式。近年來(lái)德國(guó)Wirth公司也研制出5種規(guī)格系列鉆機(jī)，有全液壓驅(qū)動(dòng)、DC電驅(qū)動(dòng)和AC電驅(qū)動(dòng)等3種型式，由用戶自選。全液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：鉆機(jī)用同一動(dòng)力源，功率利用率高，鉆井成本低。
　　(3)液壓驅(qū)功鉆機(jī)更適合于采用新的鉆井工藝。如套管鉆井新工藝，采用全液壓驅(qū)動(dòng)套管鉆機(jī)是最合適最經(jīng)濟(jì)的。
　　(4)液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)向全新模式鉆機(jī)發(fā)展。如Ram Rig鉆機(jī)絞車和提升系統(tǒng)超出了常規(guī)鉆機(jī)模式，采用液壓驅(qū)動(dòng)，體積小，質(zhì)量輕，成本低，使絞車和提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。
　　(5)液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)向多個(gè)小功率液壓馬達(dá)傳動(dòng)發(fā)展。挪威MH公司生產(chǎn)的海洋2013kW液壓驅(qū)動(dòng)單軸絞車，采用多個(gè)小功率液壓馬達(dá)通過(guò)滾筒兩側(cè)的內(nèi)齒輪傳動(dòng)滾筒軸，用4個(gè)小功率液壓馬達(dá)傳動(dòng)轉(zhuǎn)盤，用2個(gè)液壓馬達(dá)傳動(dòng)頂驅(qū)。德國(guó)Wirth公司用多個(gè)液壓馬達(dá)傳動(dòng)絞車，用2個(gè)液壓馬達(dá)傳動(dòng)轉(zhuǎn)盤。加拿大Tesco公司采用2個(gè)液壓馬達(dá)傳動(dòng)頂驅(qū)。

    張連山，教授級(jí)高級(jí)工程師，生于1934年，1957年，畢業(yè)于北京石油學(xué)院礦機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆采機(jī)械技術(shù)發(fā)展跟蹤調(diào)查與分析研究工作。本刊特邀作者。
張連山（蘭州石油化工機(jī)器總廠）