【關(guān)鍵詞】液壓鉆機,特性,發(fā)展趨勢
【摘要】介紹了加拿大Tesco公司新型套管鉆機、挪威MH公司的Ram Rig鉆機和意大利新型石油鉆機等多種新型液壓驅(qū)動鉆機的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、特性、優(yōu)點及使用范圍。從這些鉆機的新進展可以看出國外液壓驅(qū)動石油鉆機的發(fā)展趨勢：(1)液壓驅(qū)動是一種較好的驅(qū)動型式，并向全液壓驅(qū)動型式發(fā)展；(2)更適合采用新的鉆井工藝；(3)向全新模式鉆機發(fā)展；(4)向多個小功率液馬達傳動發(fā)展。
在開發(fā)制造電驅(qū)動鉆機的同時，國外先后推出了多種新型液壓驅(qū)動石油鉆機，并在鉆井中發(fā)揮了一定作用。筆者介紹近幾年國外幾種新型液壓驅(qū)動石油鉆機的新進展及發(fā)展趨勢。
加拿大Tesco公司新型套管鉆機
據(jù)美國World Oil雜志1998年5月報道，加拿大Tesco公司開發(fā)的新型套管石油鉆機，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，已取得初步成果。
1.套管鉆井
套管石油鉆機用套管代替鉆桿，連續(xù)接套管鉆進，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)計井深，鉆井結(jié)束，套管也下完。用套管鉆進時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)水龍頭進入套管內(nèi)，經(jīng)鉆頭進入套管與井壁的環(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
套管鉆機用鉆頭由鉆進鉆頭和擴孔鉆頭組成。鉆進鉆頭直徑比套管內(nèi)徑小，可從套管內(nèi)起下。在鉆進鉆頭的上方接兩個擴孔鉆頭，可伸出擴大直徑，鉆出比套管外徑大的井眼；兩擴孔鉆頭縮回時直徑減小，此時可從套管中起下鉆進鉆頭。鉆進鉆頭與井下套管端頭采用特制的連接鎖定裝置聯(lián)接。鉆進鉆頭下入井底后，固定在連接鎖定裝置上，伸出擴孔鉆頭，開鉆井泵，利用頂驅(qū)就可進行鉆井作業(yè)。當(dāng)鉆頭磨損需更換時，首先縮回擴孔鉆頭，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，伸出擴孔鉆頭，開泵，即可再次鉆進。
4.套管石油鉆機的優(yōu)點
采用自動送鉆裝置鉆井，井身質(zhì)量較好，機械鉆速高，鉆井成本降低；采用多個液壓馬達傳動，鉆機傳動機構(gòu)簡單，體積小，占地面積小，相對操作空間較大；采用全液壓驅(qū)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；采用各種先進的鉆井測錄儀表，及時顯示記錄和儲存實時鉆井?dāng)?shù)據(jù)，為司鉆提供鉆井決策依據(jù)；套管鉆井中無起下鉆二層臺操作，接套管作業(yè)在低位鉆臺面上進行，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省力。
挪威MH公司Ram Rig鉆機［1］
近幾年來，挪威MH公司采用其特長的液壓驅(qū)動技術(shù)及新穎的石油鉆機構(gòu)思方案，研制出Ram Rig鉆機，已基本上形成系列，大鉤載荷為1500～10000kN，其中大鉤載荷為4400kN的鉆機，頂驅(qū)行程為32m；大鉤載荷為3000kN的鉆機，頂驅(qū)行程為30m。鉆機的最高提升速度為2 m/s。
1.應(yīng)用范圍
Ram Rig鉆機可用于定向井、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上，可起下水下器具和隔水管等。該型鉆機具有靈活組合特性，可滿足快速鉆井及各種鉆井工藝的需要。如選1臺、2臺或3臺鉆機組合方式，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臺組合(又稱雙驅(qū)石油鉆機)，有兩種作業(yè)方式：一種是以1臺鉆機進行鉆井作業(yè)，另1臺起下水下鉆井器具；另一種是以1臺鉆機完成下套管作業(yè)，另1臺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)特點與工作原理
Ram Rig鉆機由2個千斤頂液缸、游動滑輪組件、提升鋼繩、平衡器組件、頂驅(qū)、特制井架、柴油機或AC電動機液壓泵動力系統(tǒng)、鉆臺和底座、鉆井控制室、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)等10個部分組成。
(1)頂驅(qū) Ram Rig鉆機采用液壓驅(qū)動頂驅(qū)及液壓動力源 。
(2)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 以2個長沖程千斤頂液缸作為頂驅(qū)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(nèi)側(cè)。2個活塞桿的上端共同支承游動滑輪組件，在游動滑輪組件上裝有4個(對中小型鉆機)或8個滑輪(對大型鉆機)。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(qū)聯(lián)接，4個或8個鋼繩死端與底座中的平衡器組件聯(lián)接，平衡器組件對4個或8個鋼繩死端拉力起平衡作用。當(dāng)2個活塞桿向上伸出時，滑輪向上運動使頂驅(qū)也向上運動；當(dāng)2個活塞桿向下縮回時，滑輪向下運動使頂驅(qū)也向下運動。但是由于滑輪系統(tǒng)關(guān)系，頂驅(qū)的運動速度是活塞運動速度的2倍，頂驅(qū)的載荷是2個液缸載荷的一半。如大鉤載荷為4400kN的鉆機，其2個千斤頂推力載荷為8800kN，活塞桿伸出行程為16m，頂驅(qū)運動行程為32m。頂驅(qū)的上下運動就實現(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 為使游動滑輪組件通過提升鋼繩懸吊的頂驅(qū)對準(zhǔn)井口和上下運動導(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個液缸承受。此外，立根存放于底座下面，接立根操作在鉆臺面低位進行。在井架兩大腿內(nèi)側(cè)下段，固定2個千斤頂液缸。
(4)鉆臺和底座 采用高鉆臺底座，沒有立根盒。立根下接頭支承在較低地面上，上接頭露出鉆臺面，起下鉆及上卸扣操作均在鉆臺上進行。
(5)液壓泵動力系統(tǒng) 選用柴油機或電動機驅(qū)動液壓泵，有4臺或8臺液壓泵組合，每臺液壓泵的動力均能給出頂驅(qū)的大鉤載荷，但提升速度較低，只有在設(shè)計液壓泵數(shù)量下，才具有設(shè)計的提升速度。這樣在某幾臺液壓泵同時出現(xiàn)故障時，也能提升鉆柱，避免發(fā)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(xiàn)活塞桿上升或下降動作。該液壓系統(tǒng)還可實現(xiàn)自動送鉆，不需要另設(shè)自動送鉆裝置。
3.主要優(yōu)點
與常規(guī)鉆機相比較，Ram Rig鉆機絞車和提升系統(tǒng)方案簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，成本低，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)先進；采用全液壓驅(qū)動鉆機，無工作火花，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)，動力消耗較少；現(xiàn)場試驗和鉆井實踐表明，Ram Rig鉆機可提高鉆井效率15%～20%。
意大利新型石油鉆機［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。
1.中型系列石油鉆機
中型系列鉆機有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。中型系列石油鉆機適用于鉆小井眼井，具有鉆井成本較低等優(yōu)點。
2.輕型系列石油鉆機
輕型系列石油鉆機有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。鉆機動力消耗少，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)計制造的。
3.主要結(jié)構(gòu)特點
(1)采用全液壓驅(qū)動型式，鉆機的所有部件采用同一液壓動力源，功率利用率高。
(2)絞車是一個長沖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，頂驅(qū)向上運動，速度是活塞桿向上運動速度的2倍，頂驅(qū)的提升載荷是活塞桿向上推力的一半。
(3)該型鉆機沒有井架，在活塞桿的外面包著導(dǎo)軌，起引導(dǎo)頂驅(qū)上下運動和承受頂驅(qū)鉆井時反扭矩的作用。
(4)采用高鉆臺底座，鉆臺上無立根盒。起下鉆時，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(nèi)，上接頭露出鉆臺面，起下鉆時扣吊卡和打開吊卡以及上卸扣操作，均在鉆臺上低位進行。不需要二層臺。
(5)采用頂驅(qū)鉆井方式，鉆進速度快，質(zhì)量好，安全可靠，處理事故能力強，鉆井經(jīng)濟效益好。
(6)利用液壓控制系統(tǒng)控制鉆壓，可實現(xiàn)恒鉆壓自動鉆進，井身質(zhì)量好，機械鉆速快。
(7)配有1臺挺桿式小型起重機，可在鉆井作業(yè)中完成各種小件的吊運作業(yè)。
液壓驅(qū)動鉆機發(fā)展趨勢
(1)液壓驅(qū)動是一種較好的驅(qū)動型式。筆者根據(jù)加拿大Tesco公司和美國Varco公司給出的頂驅(qū)鉆井特性曲線，計算了Tesco公司150HM型、500/650—HC/HC1型液壓驅(qū)動頂驅(qū)和500EC1型、650EC1型AC變頻永磁電動機傳動頂驅(qū)以及Varco公司IDS—1型、TDS—4S型、TDS—6S型AC—SCR—DC電驅(qū)動頂驅(qū)和TDS—8SA型、TDS—9SA型、TDS—10SA型、TDS—11SA型AC變頻感應(yīng)電動機傳動頂驅(qū)的鉆井特性，并取相同驅(qū)動型式頂驅(qū)鉆井參數(shù)的平均值。計算結(jié)果表明，AC變頻感應(yīng)電動機傳動頂驅(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)動頂驅(qū)為71.8%；AC—SCR—DC電驅(qū)動頂驅(qū)為67.2%；AC變頻永磁電動機傳動頂驅(qū)為50%。其中液壓驅(qū)動頂驅(qū)功率利用率比AC變頻感應(yīng)電動機傳動頂驅(qū)小4.9%，但比AC—SCR—DC電驅(qū)動頂驅(qū)高4.6%，比AC變頻永磁電動機傳動頂驅(qū)高21.8%。
(2)液壓驅(qū)動鉆機向全液壓驅(qū)動型式發(fā)展。加拿大Tesco公司套管鉆機、挪威MH公司Ram Rig鉆機和意大利新型鉆機等多采用全液壓驅(qū)動型式。近年來德國Wirth公司也研制出5種規(guī)格系列鉆機，有全液壓驅(qū)動、DC電驅(qū)動和AC電驅(qū)動等3種型式，由用戶自選。全液壓驅(qū)動的優(yōu)點是：鉆機用同一動力源，功率利用率高，鉆井成本低。
(3)液壓驅(qū)功鉆機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)動套管鉆機是最合適最經(jīng)濟的。
(4)液壓驅(qū)動鉆機向全新模式鉆機發(fā)展。如Ram Rig鉆機絞車和提升系統(tǒng)超出了常規(guī)鉆機模式，采用液壓驅(qū)動，體積小，質(zhì)量輕，成本低，使絞車和提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單。
(5)液壓驅(qū)動鉆機向多個小功率液壓馬達傳動發(fā)展。挪威MH公司生產(chǎn)的海洋2013kW液壓驅(qū)動單軸絞車，采用多個小功率液壓馬達通過滾筒兩側(cè)的內(nèi)齒輪傳動滾筒軸，用4個小功率液壓馬達傳動轉(zhuǎn)盤，用2個液壓馬達傳動頂驅(qū)。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(zhuǎn)盤。加拿大Tesco公司采用2個液壓馬達傳動頂驅(qū)。
張連山，教授級高級工程師，生于1934年，1957年，畢業(yè)于北京石油學(xué)院礦機專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆采機械技術(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（蘭州石油化工機器總廠）
