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國內外頂部驅動石油鉆機發展

作者:psk 時間:2013-04-03 14:28

 
        頂部驅動鉆井系統是取代轉盤鉆進的新型石油鉆井系統。英文簡寫為TDS(TOP DRIVEDRILLING SYSTEM),該產品20世紀80年代初開始研制,現在已發展到最先進的一體化頂部驅動鉆井系統,英文簡寫為IDS(INTEGRATED DRIVE DRILLING SYSTEM)。該系統顯著提高了鉆井作業的能力和效率,并已成為石油鉆井行業的標準產品。頂部驅動鉆井系統部件包括:水龍頭一鉆井馬達總成;馬達支架/導向滑車總成;鉆桿上卸扣裝置總成;平衡系統;冷卻系統;頂驅控制系統及其它輔助設備。與常規旋轉鉆井方式不同,采用頂驅系統鉆進一次可接入和鉆進約28m長的一個立根,上卸扣時間減少了2/3;在起鉆遇阻遇卡時可以迅速接上鉆具,一邊旋轉一邊循環,進行倒劃眼,可以大大減少卡鉆事故。
(一) 頂部驅動鉆井系統發展趨勢
從20世紀80年代初第一臺頂驅系統問世到現在,它一直是當今石油鉆井的重大前沿技術與裝備,已經成了深井、復雜井施工的必選裝備之一,全世界已有上千臺頂驅系統用于海洋、陸地深井和定向井。在海外鉆井工程的投標中,是否配備頂驅系統成了能否中標的重要條件。
  目前,頂驅系統(TDS)開始從海洋石油鉆機向陸地鉆機發展;從直流電動機驅動為主向靜液傳動和交流變頻電動機驅動方向發展;向簡單化、輕便化方向發展,質量減輕,尺寸減小,滿足修井機和輕型鉆機的要求。此外,不少廠家在不斷提高頂部驅動系統功率、擴大AC變頻電驅動頂驅規格范圍。
(二)國外頂部驅動鉆井系統發展現狀
  自1981年12月美國Varco–BJ公司研制的頂部驅動系統投入使用以來,挪威的Maritime Hydraulics公司、法國的ACB–Bretfor公司和TRITENN公司、美國的National Oilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用頂驅。其中Varco公司和National Oilwell公司已經基本上形成了AC變頻電驅動頂驅系列。應當說,頂部驅動鉆機排在首位的是美國Varco公司,該公司生產的TDS-65型AC–SCR–C電驅動頂部驅動系統提升載荷為7500kN,TD–8SA型交流變頻驅系統提升載荷為6500kN,其采用的交流感應電動機最高效率為97%。美國Oilwell公司研制的PS2-750型頂驅系統,套筒載荷為7520kN。
近幾年國外幾種新型頂部驅動石油鉆機的新進展及發展趨勢。 
    加拿大Tesco公司新型套管鉆機
    1.套管鉆井
    套管石油鉆機用套管代替鉆桿,連續接套管鉆進,利用特制的小絞車從套管內起下或更換鉆頭,一直鉆到設計井深,鉆井結束,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.鉆井液循環系統
    套管鉆機采用頂驅鉆井方式,頂驅水龍頭的輸出軸與套管聯接,鉆井液從頂驅水龍頭進入套管內,經鉆頭進入套管與井壁的環形空間返回地面,再經鉆井液凈化系統除砂、除泥和除氣之后,由鉆井泵泵入頂驅,形成鉆井液循環系統。
    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徑小,可從套管內起下。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,利用頂驅就可進行鉆井作業。當鉆頭磨損需更換時,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.套管石油鉆機的優點
    采用自動送鉆裝置鉆井,井身質量較好,機械鉆速高,鉆井成本降低;采用多個液壓馬達傳動,鉆機傳動機構簡單,體積小,占地面積小,相對操作空間較大;采用全液壓驅動型式,以單一的柴油機液壓泵作動力源,投資少,功率利用率高;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數據,為司鉆提供鉆井決策依據;套管鉆井中無起下鉆二層臺操作,接套管作業在低位鉆臺面上進行,從而提高了操作的安全性和準確性,節約鉆井成本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
    近幾年來,挪威MH公司采用其特長的液壓驅動技術及新穎的石油鉆機構思方案,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,頂驅行程為32m;大鉤載荷為3000kN的鉆機,頂驅行程為30m。鉆機的最高提升速度為2 m/s。
    1.應用范圍
    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,可完成各種重復性作業,加快鉆井速度和下套管速度。若采用2臺組合(又稱雙驅石油鉆機),有兩種作業方式:一種是以1臺鉆機進行鉆井作業,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,另1臺用于接兩根套管作業,并將接好的套管排放整齊備用。
    2.結構特點與工作原理
    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、特制井架、柴油機或AC電動機液壓泵動力系統、鉆臺和底座、鉆井控制室、鉆井液循環系統等10個部分組成。
    (1)頂驅 Ram Rig鉆機采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個長沖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。但是由于滑輪系統關系,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,頂驅運動行程為32m。頂驅的上下運動就實現了鉆井、起下鉆柱、下套管、起下水下器具或修井等作業。
    (3)特制井架 為使游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鉆井的反扭矩,在特制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,特制井架不承受頂驅載荷,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。在井架兩大腿內側下段,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 選用柴油機或電動機驅動液壓泵,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。這樣在某幾臺液壓泵同時出現故障時,也能提升鉆柱,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鉆,不需要另設自動送鉆裝置。
    3.主要優點
    與常規鉆機相比較,Ram Rig鉆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;采用全液壓驅動鉆機,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,不會發生著火事故;可完成鉆井、起下鉆、下套管或修井等作業,動力消耗較少;現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
    意大利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API Spec和ISO 9001質控系統設計制造的。
    3.主要結構特點
    (1)采用全液壓驅動型式,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)該型鉆機沒有井架,在活塞桿的外面包著導軌,起引導頂驅上下運動和承受頂驅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,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)采用頂驅鉆井方式,鉆進速度快,質量好,安全可靠,處理事故能力強,鉆井經濟效益好。
    (6)利用液壓控制系統控制鉆壓,可實現恒鉆壓自動鉆進,井身質量好,機械鉆速快。
    (7)配有1臺挺桿式小型起重機,可在鉆井作業中完成各種小件的吊運作業。
    液壓驅動鉆機發展趨勢
    (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公司給出的頂驅鉆井特性曲線,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鉆井特性,并取相同驅動型式頂驅鉆井參數的平均值。計算結果表明,AC變頻感應電動機傳動頂驅全程調節使用范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)液壓驅動鉆機向全液壓驅動型式發展。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動型式。近年來德國Wirth公司也研制出5種規格系列鉆機,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:鉆機用同一動力源,功率利用率高,鉆井成本低。
    (3)液壓驅功鉆機更適合于采用新的鉆井工藝。如套管鉆井新工藝,采用全液壓驅動套管鉆機是最合適最經濟的。
    (4)液壓驅動鉆機向全新模式鉆機發展。如Ram Rig鉆機絞車和提升系統超出了常規鉆機模式,采用液壓驅動,體積小,質量輕,成本低,使絞車和提升系統結構更簡單。
    (5)液壓驅動鉆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,采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公司采用2個液壓馬達傳動頂驅。



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