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国内外顶部驱动石油钻机发展

作者:psk 时间:2013-04-03 14:28

 
        顶部驱动钻井系统是取代转盘钻进的新型石油钻井系统。英文简写为TDS(TOP DRIVEDRILLING SYSTEM),该产品20世纪80年代初开始研制,现在已发展到最先进的一体化顶部驱动钻井系统,英文简写为IDS(INTEGRATED DRIVE DRILLING SYSTEM)。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率,并已成为石油钻井行业的标准产品。顶部驱动钻井系统部件包括:水龙头一钻井马达总成;马达支架/导向滑车总成;钻杆上卸扣装置总成;平衡系统;冷却系统;顶驱控制系统及其它辅助设备。与常规旋转钻井方式不同,采用顶驱系统钻进一次可接入和钻进约28m长的一个立根,上卸扣时间减少了2/3;在起钻遇阻遇卡时可以迅速接上钻具,一边旋转一边循环,进行倒划眼,可以大大减少卡钻事故。
(一) 顶部驱动钻井系统发展趋势
从20世纪80年代初第一台顶驱系统问世到现在,它一直是当今石油钻井的重大前沿技术与装备,已经成了深井、复杂井施工的必选装备之一,全世界已有上千台顶驱系统用于海洋、陆地深井和定向井。在海外钻井工程的投标中,是否配备顶驱系统成了能否中标的重要条件。
  目前,顶驱系统(TDS)开始从海洋石油钻机向陆地钻机发展;从直流电动机驱动为主向静液传动和交流变频电动机驱动方向发展;向简单化、轻便化方向发展,质量减轻,尺寸减小,满足修井机和轻型钻机的要求。此外,不少厂家在不断提高顶部驱动系统功率、扩大AC变频电驱动顶驱规格范围。
(二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
  自1981年12月美国Varco–BJ公司研制的顶部驱动系统投入使用以来,挪威的Maritime Hydraulics公司、法国的ACB–Bretfor公司和TRITENN公司、美国的National Oilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。其中Varco公司和National Oilwell公司已经基本上形成了AC变频电驱动顶驱系列。应当说,顶部驱动钻机排在首位的是美国Varco公司,该公司生产的TDS-65型AC–SCR–C电驱动顶部驱动系统提升载荷为7500kN,TD–8SA型交流变频驱系统提升载荷为6500kN,其采用的交流感应电动机最高效率为97%。美国Oilwell公司研制的PS2-750型顶驱系统,套筒载荷为7520kN。
近几年国外几种新型顶部驱动石油钻机的新进展及发展趋势。 
    加拿大Tesco公司新型套管钻机
    1.套管钻井
    套管石油钻机用套管代替钻杆,连续接套管钻进,利用特制的小绞车从套管内起下或更换钻头,一直钻到设计井深,钻井结束,套管也下完。用套管钻进时套管要承受扭矩载荷,为确保钻井安全,Tesco公司研究了一种适合钻井的套管螺纹。
    2.钻井液循环系统
    套管钻机采用顶驱钻井方式,顶驱水龙头的输出轴与套管联接,钻井液从顶驱水龙头进入套管内,经钻头进入套管与井壁的环形空间返回地面,再经钻井液净化系统除砂、除泥和除气之后,由钻井泵泵入顶驱,形成钻井液循环系统。
    3.钻头及其与套管的固定和起下
    套管钻机用钻头由钻进钻头和扩孔钻头组成。钻进钻头直径比套管内径小,可从套管内起下。在钻进钻头的上方接两个扩孔钻头,可伸出扩大直径,钻出比套管外径大的井眼;两扩孔钻头缩回时直径减小,此时可从套管中起下钻进钻头。钻进钻头与井下套管端头采用特制的连接锁定装置联接。钻进钻头下入井底后,固定在连接锁定装置上,伸出扩孔钻头,开钻井泵,利用顶驱就可进行钻井作业。当钻头磨损需更换时,首先缩回扩孔钻头,打开连接锁定装置,停泵,再用起下钻头用的小绞车钢绳将钻进钻头从井底套管内起出地面。换好新钻头后,将此钻头下入井底,固定在连接锁定装置上,伸出扩孔钻头,开泵,即可再次钻进。
    4.套管石油钻机的优点
    采用自动送钻装置钻井,井身质量较好,机械钻速高,钻井成本降低;采用多个液压马达传动,钻机传动机构简单,体积小,占地面积小,相对操作空间较大;采用全液压驱动型式,以单一的柴油机液压泵作动力源,投资少,功率利用率高;采用各种先进的钻井测录仪表,及时显示记录和储存实时钻井数据,为司钻提供钻井决策依据;套管钻井中无起下钻二层台操作,接套管作业在低位钻台面上进行,从而提高了操作的安全性和准确性,节约钻井成本30%~50%;利用特制小绞车起下套管钻井的钻头,与起下钻换钻头相比省时省力。
    挪威MH公司Ram Rig钻机
    近几年来,挪威MH公司采用其特长的液压驱动技术及新颖的石油钻机构思方案,研制出Ram Rig钻机,已基本上形成系列,大钩载荷为1500~10000kN,其中大钩载荷为4400kN的钻机,顶驱行程为32m;大钩载荷为3000kN的钻机,顶驱行程为30m。钻机的最高提升速度为2 m/s。
    1.应用范围
    Ram Rig钻机可用于定向井、丛式井和水平井钻井及开窗侧钻等。若安装在海洋钻井平台上,可起下水下器具和隔水管等。该型钻机具有灵活组合特性,可满足快速钻井及各种钻井工艺的需要。如选1台、2台或3台钻机组合方式,可完成各种重复性作业,加快钻井速度和下套管速度。若采用2台组合(又称双驱石油钻机),有两种作业方式:一种是以1台钻机进行钻井作业,另1台起下水下钻井器具;另一种是以1台钻机完成下套管作业,另1台用于接两根套管作业,并将接好的套管排放整齐备用。
    2.结构特点与工作原理
    Ram Rig钻机由2个千斤顶液缸、游动滑轮组件、提升钢绳、平衡器组件、顶驱、特制井架、柴油机或AC电动机液压泵动力系统、钻台和底座、钻井控制室、钻井液循环系统等10个部分组成。
    (1)顶驱 Ram Rig钻机采用液压驱动顶驱及液压动力源 。
    (2)提升系统结构与工作原理 以2个长冲程千斤顶液缸作为顶驱上下运动的动力源 ,2个液缸分别固定在井架左右两大腿内侧。2个活塞杆的上端共同支承游动滑轮组件,在游动滑轮组件上装有4个(对中小型钻机)或8个滑轮(对大型钻机)。有4根或8根长度相等的提升钢绳,每根分别挂在1个滑轮上,钢绳绕过滑轮后,两端均向下,其中4个或8个钢绳活端与顶驱联接,4个或8个钢绳死端与底座中的平衡器组件联接,平衡器组件对4个或8个钢绳死端拉力起平衡作用。当2个活塞杆向上伸出时,滑轮向上运动使顶驱也向上运动;当2个活塞杆向下缩回时,滑轮向下运动使顶驱也向下运动。但是由于滑轮系统关系,顶驱的运动速度是活塞运动速度的2倍,顶驱的载荷是2个液缸载荷的一半。如大钩载荷为4400kN的钻机,其2个千斤顶推力载荷为8800kN,活塞杆伸出行程为16m,顶驱运动行程为32m。顶驱的上下运动就实现了钻井、起下钻柱、下套管、起下水下器具或修井等作业。
    (3)特制井架 为使游动滑轮组件通过提升钢绳悬吊的顶驱对准井口和上下运动导向以及承受顶驱钻井的反扭矩,在特制井架两大腿内侧各有1条垂直的导轨。与常规井架不同的是,特制井架不承受顶驱载荷,而由2个液缸承受。此外,立根存放于底座下面,接立根操作在钻台面低位进行。在井架两大腿内侧下段,固定2个千斤顶液缸。
    (4)钻台和底座 采用高钻台底座,没有立根盒。立根下接头支承在较低地面上,上接头露出钻台面,起下钻及上卸扣操作均在钻台上进行。
    (5)液压泵动力系统 选用柴油机或电动机驱动液压泵,有4台或8台液压泵组合,每台液压泵的动力均能给出顶驱的大钩载荷,但提升速度较低,只有在设计液压泵数量下,才具有设计的提升速度。这样在某几台液压泵同时出现故障时,也能提升钻柱,避免发生井下事故。通过液压泵排出的动力油,进入8个立式平衡压力气缸起到补偿作用,再通过滑轮动作阀进入2个千斤顶液缸,实现活塞杆上升或下降动作。该液压系统还可实现自动送钻,不需要另设自动送钻装置。
    3.主要优点
    与常规钻机相比较,Ram Rig钻机绞车和提升系统方案简单,结构紧凑,体积小,质量轻,成本低,技术经济指标先进;采用全液压驱动钻机,无工作火花,钻井更安全,特别是钻天然气井或伴生天然气较多的油井,不会发生着火事故;可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作业,动力消耗较少;现场试验和钻井实践表明,Ram Rig钻机可提高钻井效率15%~20%。
    意大利新型石油钻机
    意大利SOILMEC S.P.A油水分公司研究开发了4种规格中型系列和5种规格轻型系列石油钻机。
    1.中型系列石油钻机
    中型系列钻机有G—100型、G—125型、G—150型和G—200型等4种,钻井深度为1800~4000m,修井深度为3600~7000m。中型系列石油钻机适用于钻小井眼井,具有钻井成本较低等优点。
    2.轻型系列石油钻机
    轻型系列石油钻机有G—14型、G—22型、G—35型、G—55型和G—75型等5种,钻井深度300~1000m,修井深度600~1800m。钻机动力消耗少,可快速钻井或修井,是根据API Spec和ISO 9001质控系统设计制造的。
    3.主要结构特点
    (1)采用全液压驱动型式,钻机的所有部件采用同一液压动力源,功率利用率高。
    (2)绞车是一个长冲程单臂式千斤顶液缸,活塞杆顶部装有4个滑轮,各由2根轴支承。有2根等长度的钢绳,每根绕过2个滑轮后向下,其活端与顶驱联接,死端固定在底座上。当活塞杆伸出时,顶驱向上运动,速度是活塞杆向上运动速度的2倍,顶驱的提升载荷是活塞杆向上推力的一半。
    (3)该型钻机没有井架,在活塞杆的外面包着导轨,起引导顶驱上下运动和承受顶驱钻井时反扭矩的作用。
    (4)采用高钻台底座,钻台上无立根盒。起下钻时,所有立根立放在底座下面,立根的下接头支承在地面深坑内,上接头露出钻台面,起下钻时扣吊卡和打开吊卡以及上卸扣操作,均在钻台上低位进行。不需要二层台。
    (5)采用顶驱钻井方式,钻进速度快,质量好,安全可靠,处理事故能力强,钻井经济效益好。
    (6)利用液压控制系统控制钻压,可实现恒钻压自动钻进,井身质量好,机械钻速快。
    (7)配有1台挺杆式小型起重机,可在钻井作业中完成各种小件的吊运作业。
    液压驱动钻机发展趋势
    (1)液压驱动是一种较好的驱动型式。笔者根据加拿大Tesco公司和美国Varco公司给出的顶驱钻井特性曲线,计算了Tesco公司150HM型、500/650—HC/HC1型液压驱动顶驱和500EC1型、650EC1型AC变频永磁电动机传动顶驱以及Varco公司IDS—1型、TDS—4S型、TDS—6S型AC—SCR—DC电驱动顶驱和TDS—8SA型、TDS—9SA型、TDS—10SA型、TDS—11SA型AC变频感应电动机传动顶驱的钻井特性,并取相同驱动型式顶驱钻井参数的平均值。计算结果表明,AC变频感应电动机传动顶驱全程调节使用范围的功率利用率最高为76.7%;液压驱动顶驱为71.8%;AC—SCR—DC电驱动顶驱为67.2%;AC变频永磁电动机传动顶驱为50%。其中液压驱动顶驱功率利用率比AC变频感应电动机传动顶驱小4.9%,但比AC—SCR—DC电驱动顶驱高4.6%,比AC变频永磁电动机传动顶驱高21.8%。
    (2)液压驱动钻机向全液压驱动型式发展。加拿大Tesco公司套管钻机、挪威MH公司Ram Rig钻机和意大利新型钻机等多采用全液压驱动型式。近年来德国Wirth公司也研制出5种规格系列钻机,有全液压驱动、DC电驱动和AC电驱动等3种型式,由用户自选。全液压驱动的优点是:钻机用同一动力源,功率利用率高,钻井成本低。
    (3)液压驱功钻机更适合于采用新的钻井工艺。如套管钻井新工艺,采用全液压驱动套管钻机是最合适最经济的。
    (4)液压驱动钻机向全新模式钻机发展。如Ram Rig钻机绞车和提升系统超出了常规钻机模式,采用液压驱动,体积小,质量轻,成本低,使绞车和提升系统结构更简单。
    (5)液压驱动钻机向多个小功率液压马达传动发展。挪威MH公司生产的海洋2013kW液压驱动单轴绞车,采用多个小功率液压马达通过滚筒两侧的内齿轮传动滚筒轴,用4个小功率液压马达传动转盘,用2个液压马达传动顶驱。德国Wirth公司用多个液压马达传动绞车,用2个液压马达传动转盘。加拿大Tesco公司采用2个液压马达传动顶驱。



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