石油钻机顶部驱动钻井系统研究

摘要由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转钻进,受方钻杆的长度限制,每次只能接单根钻杆,故费工费时效率低,劳动强度大。随着科技的进步,现代化的顶部驱动钻井技术应运而生。讨论石油钻机顶部驱动钻井系统的发展。

关键词机械;钻进;石油机械

中图分类号TE2文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0115-01

顶部驱动钻井是本世纪80年代国际钻井领域中兴起的一项新的钻井技术,是旋转钻井技术的一次重大突破,受到世界各国石油公司的高度重视并在国际石油工业中得到迅速发展。侧部驱动装置因其结构简单、投资费用低,是目前顶部驱动装置发展的焦点。它与一般顶部驱动装置的不同为:一是动力来源于原转盘动力,有利于提高钻机设备的利用率和功率利用率,制造成本和投资费用较低;二是采用易卸短节代替扭矩板手,简化了钻管装卸装置。三是采用了立式传动轴,不存在钻井反扭矩问题,不需要在井架中增加导轨。侧部驱动钻井系统的功能、钻井性能和经济效益与顶部驱动钻井系统一样好。以下主要介绍了顶驱钻井装置旋转钻井的特点及其工作原理。

1顶驱钻井装置旋转钻井的特点

顶部驱动钻井装置是将原来固定在钻台面上的旋转驱动装置变为随游车一起运动的集旋转动力、水龙头和上卸扣装置等为一体的新型钻井装置。常规水龙头与钻井马达结合,再配备结构新颖的钻杆上卸扣装置,它可从井架空间上部直接旋转钻柱,并沿井架内专用导轨向下送进,完成钻柱旋转钻进,循环钻井液,接钻杆,上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。

去掉了转盘、方钻杆、大鼠洞,避免了转盘钻井接单根时频繁的常规操作,系统直接以立根钻进,减少了三分之二钻柱连接时间,提高了钻井效率,节省了时间,减轻了工人劳动强度,提高了钻井效率和井口操作的安全性。

起下钻时,顶驱钻井系统可在任意高度循环钻井液和旋转钻具,实行倒划眼起钻和划眼下钻,可减少井下事故的发生和及时处理各种危险状况,从而降低钻井费用和提高钻井速度。

2顶部驱动钻井系统组成

2.1井架

井架是各种设备的安装载体,由平台、井架、卷扬机、大钩等组成,通常高度约50米左右。顶驱本体悬挂在大钩上沿着安装在井架上的垂直导轨上下滑动。顶驱装置:顶驱装置是顶驱系统的最终执行机构,主要由钻井马达、齿轮减速箱、水龙头、回转机构、钻杆取送机构、液压系统等组成。司钻控制台:通过司钻控制台实现顶驱的各种动作和要求。液压源:除主轴旋转由主电动机驱动外,其它功能如上卸扣、吊环倾斜与回转、IBO P开闭、主电动机制动、主体质量平衡等均由液压传动控制实现。

2.2电控室

电控室是顶驱电控系统的核心部分,主要是通过PLC按照要求控制变频调速系统。发电机组:因为实际钻井位置多位于比较偏远、没有供电的地方,所以大部分都要通过发电机组供电。辅助装置:辅助装置包括导轨和滑车、运移架、工具库、备件库等。

2.3水龙头

主要包括钻井马达和齿轮减速箱、刹车装置、水龙头等主要部件。其主要作用是由钻井马达驱动主轴旋转钻进、上卸扣,同时由水龙头提供循环钻井液,满足正常钻进需要。水龙头密封总成装在钻井马达上方,由标准冲管、组合盘根、联管螺母和鹅颈管组成。联管螺母使密封总成作为一个整体运动。盘根盒为快装式,与普通水龙头一致,可很快装卸冲管和盘根。冲管总成安装在主轴和鹅颈管之间,鹅颈管是钻井液的通道,安装在冲管支架上。鹅颈管下端与冲管相连,上端打开后可以进行打捞和测井等工作。

2.4回转头

当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱旋转时,它能始终保持液、气路的连通。回转头的固定法兰体内部有许多油气流道,一端接软管口,另一端通往法兰向下延伸圆柱部分的下表面。在旋转滑块的表面部分有许多密封槽,槽内也有许多流道,密封槽与接口靠这些流道相通。当回转滑块位于固定法兰的支承面上时,密封槽与孔眼相对接,使滑块和法兰不论是在回转还是任一固定位置始终都有油气通过。回转头可自由旋转。

2.5内防喷器及控制机构

内防喷器的作用是:当井内压力高于钻柱内压力时,可以通过关闭内防喷器切断钻柱内部通道,从而防止井涌或者井喷的发生。它由上部的遥控内防喷器和下部手动内防喷器组成。上部的遥控内防喷器与动力水龙头的主轴相接,下面的手动内防喷器与保护接头连接,钻井时保护接头与钻杆相接。遥控和手动内防喷器的结构基本相同。带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器形成内井控防喷系统。当上卸扣时,扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合传递扭矩。下部内防喷器型式与上部内防喷器相同,2个内防喷器始终接在钻柱中,因此可随时将顶驱同钻柱联接使用。在井控作业中,下部内防喷器可以松开留在钻柱中。顶驱装置还可以接入一个转换接头,联接在钻柱和下部内防喷器中间。扭矩扳手架上安装有2个双作用液压油缸,推动位于上部内防喷器一侧的圆环。同液压油缸相联接的启动器臂与圆环相啮合,远控开启或关闭上部内防喷器。

2.6导向架

由导向滑车焊接框架和马达支架两部分组成,导向滑车焊接框架上装有导向轮,整个导向滑车总成可沿着导轨上下运动,马达支架用以支承马达和其他所有附件。导轨安装在井架内部,对游车及顶驱系统起导向作用,钻进时承受反扭矩。矩形管和工字梁制造的导轨有双轨及单轨2种,导轨两端用支座固定,加拿大制造的还有浮动式的。钻井马达总成通过马达壳体上的耳轴销与导向滑车相连。耳轴销允许马达总成在钻柱沿导轨上下运动时,二者保持对中。

2.7控制系统

顶驱装置的控制系统包括电气传动控制系统和液压传动控制系统。顶驱液压系统一般包括平衡系统、对主马达或主轴制动的刹车系统、上卸扣装置的回转头回转系统、内部防喷器控制系统、背钳夹紧系统等。各动作均由PLC控制操作。液压系统主要由液压源、控制阀组、执行机构、液压管线、附件组成。电气传动控制系统提供给操作者一个操作顶驱所有动作的控制台,包括司钻控制及仪表控制台、电缆、液压管线、气管线等。其可实行的基本控制功能有:吊环倾斜;远控内防喷器;马达控制;马达旋扣扭矩控制;紧扣扭矩控制;转换开关等。

3结论

以上论文分析了顶部驱动钻井装置的作用、特点以及国内外的发展概况。分析了顶部驱动钻井装置的组成和结构,由于顶部驱动钻井装置发展的历史不长,目前这方面的研究成果还不多,因此本文所采用的研究方法及其研究结果对进一步研制和完善新型钻井系统以及其它石油机械产品具有参考价值。

参考文献

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