國外新型液壓驅動石油鑽機的新進展

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國外新型液壓驅動石油鑽機的新進展簡介
    在開發製造電驅動鑽機的同時,國外先後推出了多種新型液壓驅動石油鑽機,並在鑽井中發揮了一定作用。筆者介紹近幾年國外幾種新型液壓驅動石油鑽機的新進展及發展趨……
國外新型液壓驅動石油鑽機的新進展正文
    

在開發製造電驅動鑽機的同時,國外先後推出了多種新型液壓驅動石油鑽機,並在鑽井中發揮了一定作用。筆者介紹近幾年國外幾種新型液壓驅動石油鑽機的新進展及發展趨勢。

加拿大Tesco公司新型套管鑽機

據美國World Oil雜誌1998年5月報道,加拿大Tesco公司開發的新型套管石油鑽機,於1998年4月在該公司研究開發中心開鑽,首次做套管鑽井工藝和鑽井裝備試驗,已取得初步成果。

1.套管鑽井

套管石油鑽機用套管代替鑽桿,連續接套管鑽進,利用特製的小絞車從套管內起下或更換鑽頭,一直鑽到設計井深,鑽井結束,套管也下完。用套管鑽進時套管要承受扭矩載荷,為確保鑽井安全,Tesco公司研究了一種適合鑽井的套管螺紋。

2.鑽井液循環系統

套管鑽機採用頂驅鑽井方式,頂驅水龍頭的輸出軸與套管聯接,鑽井液從頂驅水龍頭進入套管內,經鑽頭進入套管與井壁的環形空間返回地面,再經鑽井液凈化系統除砂、除泥和除氣之後,由鑽井泵泵入頂驅,形成鑽井液循環系統。

3.鑽頭及其與套管的固定和起下

套管鑽機用鑽頭由鑽進鑽頭和擴孔鑽頭組成。鑽進鑽頭直徑比套管內徑小,可從套管內起下。在鑽進鑽頭的上方接兩個擴孔鑽頭,可伸出擴大直徑,鑽出比套管外徑大的井眼;兩擴孔鑽頭縮回時直徑減小,此時可從套管中起下鑽進鑽頭。鑽進鑽頭與井下套管端頭採用特製的連接鎖定裝置聯接。鑽進鑽頭下入井底后,固定在連接鎖定裝置上,伸出擴孔鑽頭,開鑽井泵,利用頂驅就可進行鑽井作業。當鑽頭磨損需更換時,首先縮回擴孔鑽頭,打開連接鎖定裝置,停泵,再用起下鑽頭用的小絞車鋼繩將鑽進鑽頭從井底套管內起出地面。換好新鑽頭后,將此鑽頭下入井底,固定在連接鎖定裝置上,伸出擴孔鑽頭,開泵,即可再次鑽進。

4.套管石油鑽機的優點

採用自動送鑽裝置鑽井,井身質量較好,機械鑽速高,鑽井成本降低;採用多個液壓馬達傳動,鑽機傳動機構簡單,體積小,佔地面積小,相對操作空間較大;採用全液壓驅動型式,以單一的柴油機液壓泵作動力源,投資少,功率利用率高;採用各種先進的鑽井測錄儀錶,及時顯示記錄和儲存實時鑽井數據,為司鑽提供鑽井決策依據;套管鑽井中無起下鑽二層台操作,接套管作業在低位鑽檯面上進行,從而提高了操作的安全性和準確性,節約鑽井成本30%~50%;利用特製小絞車起下套管鑽井的鑽頭,與起下鑽換鑽頭相比省時省力。

挪威MH公司Ram Rig鑽機[1]

近幾年來,挪威MH公司採用其特長的液壓驅動技術及新穎的石油鑽機構思方案,研製出Ram Rig鑽機,已基本上形成系列,大鉤載荷為1500~10000kN,其中大鉤載荷為4400kN的鑽機,頂驅行程為32m;大鉤載荷為3000kN的鑽機,頂驅行程為30m。鑽機的最高提升速度為2 m/s。

1.應用範圍

Ram Rig鑽機可用於定向井、叢式井和水平井鑽井及開窗側鑽等。若安裝在海洋鑽井平台上,可起下水下器具和隔水管等。該型鑽機具有靈活組合特性,可滿足快速鑽井及各種鑽井工藝的需要。如選1台、2台或3台鑽機組合方式,可完成各種重複性作業,加快鑽井速度和下套管速度。若採用2台組合(又稱雙驅石油鑽機),有兩種作業方式:一種是以1台鑽機進行鑽井作業,另1台起下水下鑽井器具;另一種是以1台鑽機完成下套管作業,另1台用於接兩根套管作業,並將接好的套管排放整齊備用。

2.結構特點與工作原理

Ram Rig鑽機由2個千斤頂液缸、遊動滑輪組件、提升鋼繩、平衡器組件、頂驅、特製井架、柴油機或AC電動機液壓泵動力系統、鑽台和底座、鑽井控制室、鑽井液循環系統等10個部分組成。

(1)頂驅 Ram Rig鑽機採用液壓驅動頂驅及液壓動力源 。

(2)提升系統結構與工作原理 以2個長衝程千斤頂液缸作為頂驅上下運動的動力源 ,2個液缸分別固定在井架左右兩大腿內側。2個活塞桿的上端共同支承遊動滑輪組件,在遊動滑輪組件上裝有4個(對中小型鑽機)或8個滑輪(對大型鑽機)。有4根或8根長度相等的提升鋼繩,每根分別掛在1個滑輪上,鋼繩繞過滑輪后,兩端均向下,其中4個或8個鋼繩活端與頂驅聯接,4個或8個鋼繩死端與底座中的平衡器組件聯接,平衡器組件對4個或8個鋼繩死端拉力起平衡作用。當2個活塞桿向上伸出時,滑輪向上運動使頂驅也向上運動;當2個活塞桿向下縮回時,滑輪向下運動使頂驅也向下運動。但是由於滑輪系統關係,頂驅的運動速度是活塞運動速度的2倍,頂驅的載荷是2個液缸載荷的一半。如大鉤載荷為4400kN的鑽機,其2個千斤頂推力載荷為8800kN,活塞桿伸出行程為16m,頂驅運動行程為32m。頂驅的上下運動就實現了鑽井、起下鑽柱、下套管、起下水下器具或修井等作業。

(3)特製井架 為使遊動滑輪組件通過提升鋼繩懸吊的頂驅對準井口和上下運動導向以及承受頂驅鑽井的反扭矩,在特製井架兩大腿內側各有1條垂直的導軌。與常規井架不同的是,特製井架不承受頂驅載荷,而由2個液缸承受。此外,立根存放於底座下面,接立根操作在鑽檯面低位進行。在井架兩大腿內側下段,固定2個千斤頂液缸。

(4)鑽台和底座 採用高鑽台底座,沒有立根盒。立根下接頭支承在較低地面上,上接頭露出鑽檯面,起下鑽及上卸扣操作均在鑽台上進行。

(5)液壓泵動力系統 選用柴油機或電動機驅動液壓泵,有4台或8台液壓泵組合,每台液壓泵的動力均能給出頂驅的大鉤載荷,但提升速度較低,只有在設計液壓泵數量下,才具有設計的提升速度。這樣在某幾台液壓泵同時出現故障時,也能提升鑽柱,避免發生井下事故。通過液壓泵排出的動力油,進入8個立式平衡壓力氣缸起到補償作用,再通過滑輪動作閥進入2個千斤頂液缸,實現活塞桿上升或下降動作。該液壓系統還可實現自動送鑽,不需要另設自動送鑽裝置。

3.主要優點

與常規鑽機相比較,Ram Rig鑽機絞車和提升系統方案簡單,結構緊湊,體積小,質量輕,成本低,技術經濟指標先進;採用全液壓驅動鑽機,無工作火花,鑽井更安全,特別是鑽天然氣井或伴生天然氣較多的油井,不會發生著火事故;可完成鑽井、起下鑽、下套管或修井等作業,動力消耗較少;現場試驗和鑽井實踐表明,Ram Rig鑽機可提高鑽井效率15%~20%。

義大利新型石油鑽機[1]

義大利SOILMEC S.P.A油水分公司研究開發了4種規格中型系列和5種規格輕型系列石油鑽機。

1.中型系列石油鑽機

中型系列鑽機有G—100型、G—125型、G—150型和G—200型等4種,鑽井深度為1800~4000m,修井深度為3600~7000m。中型系列石油鑽機適用於鑽小井眼井,具有鑽井成本較低等優點。

2.輕型系列石油鑽機

輕型系列石油鑽機有G—14型、G—22型、G—35型、G—55型和G—75型等5種,鑽井深度300~1000m,修井深度600~1800m。鑽機動力消耗少,可快速鑽井或修井,是根據API Spec和ISO 9001質控系統設計製造的。

3.主要結構特點

(1)採用全液壓驅動型式,鑽機的所有部件採用同一液壓動力源,功率利用率高。

(2)絞車是一個長衝程單臂式千斤頂液缸,活塞桿頂部裝有4個滑輪,各由2根軸支承。有2根等長度的鋼繩,每根繞過2個滑輪後向下,其活端與頂驅聯接,死端固定在底座上。當活塞桿伸出時,頂驅向上運動,速度是活塞桿向上運動速度的2倍,頂驅的提升載荷是活塞桿向上推力的一半。

(3)該型鑽機沒有井架,在活塞桿的外麵包著導軌,起引導頂驅上下運動和承受頂驅鑽井時反扭矩的作用。

(4)採用高鑽台底座,鑽台上無立根盒。起下鑽時,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,上接頭露出鑽檯面,起下鑽時扣吊卡和打開弔卡以及上卸扣操作,均在鑽台上低位進行。不需要二層台。

(5)採用頂驅鑽井方式,鑽進速度快,質量好,安全可靠,處理事故能力強,鑽井經濟效益好。

(6)利用液壓控制系統控制鑽壓,可實現恆鑽壓自動鑽進,井身質量好,機械鑽速快。

(7)配有1台挺桿式小型起重機,可在鑽井作業中完成各種小件的吊運作業。

液壓驅動鑽機發展趨勢

(1)液壓驅動是一種較好的驅動型式。筆者根據加拿大Tesco公司和美國Varco公司給出的頂驅鑽井特性曲線,計算了Tesco公司150HM型、500/650—HC/HC1型液壓驅動頂驅和500EC1型、650EC1型AC變頻永磁電動機傳動頂驅以及Varco公司IDS—1型、TDS—4S型、TDS—6S型AC—SCR—DC電驅動頂驅和TDS—8SA型、TDS—9SA型、TDS—10SA型、TDS—11SA型AC變頻感應電動機傳動頂驅的鑽井特性,並取相同驅動型式頂驅鑽井參數的平均值。計算結果表明,AC變頻感應電動機傳動頂驅全程調節使用範圍的功率利用率最高為76.7%;液壓驅動頂驅為71.8%;AC—SCR—DC電驅動頂驅為67.2%;AC變頻永磁電動機傳動頂驅為50%。其中液壓驅動頂驅功率利用率比AC變頻感應電動機傳動頂驅小4.9%,但比AC—SCR—DC電驅動頂驅高4.6%,比AC變頻永磁電動機傳動頂驅高21.8%。

(2)液壓驅動鑽機向全液壓驅動型式發展。加拿大Tesco公司套管鑽機、挪威MH公司Ram Rig鑽機和義大利新型鑽機等多採用全液壓驅動型式。近年來德國Wirth公司也研製出5種規格系列鑽機,有全液壓驅動、DC電驅動和AC電驅動等3種型式,由用戶自選。全液壓驅動的優點是:鑽機用同一動力源,功率利用率高,鑽井成本低。

(3)液壓驅功鑽機更適合於採用新的鑽井工藝。如套管鑽井新工藝,採用全液壓驅動套管鑽機是最合適最經濟的。

(4)液壓驅動鑽機向全新模式鑽機發展。如Ram Rig鑽機絞車和提升系統超出了常規鑽機模式,採用液壓驅動,體積小,質量輕,成本低,使絞車和提升系統結構更簡單。

(5)液壓驅動鑽機向多個小功率液壓馬達傳動發展。挪威MH公司生產的海洋2013kW液壓驅動單軸絞車,採用多個小功率液壓馬達通過滾筒兩側的內齒輪傳動滾筒軸,用4個小功率液壓馬達傳動轉盤,用2個液壓馬達傳動頂驅。德國Wirth公司用多個液壓馬達傳動絞車,用2個液壓馬達傳動轉盤。加拿大Tesco公司採用2個液壓馬達傳動頂驅。


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