冷士華

摘要:在21世紀鉆井自動化的大潮下,頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)成為鉆井行業(yè)的寵兒。文章對頂部驅(qū)動鉆井裝置技術的應用研究進行了分析,并提出了改進方向。

關鍵詞:頂驅(qū)裝置;頂部驅(qū)動系統(tǒng);鉆井自動化

中圖分類號:TV435 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)29-0189-02

自1981年12月美國Varco公司研制的頂部驅(qū)動系統(tǒng)(簡稱TDS、頂驅(qū))投入使用以來,頂驅(qū)逐漸被世界各國石油鉆井界所采用,現(xiàn)在已成為石油鉆井行業(yè)的標準產(chǎn)品。它適用性極廣,從2000米到9000米的井深都可以使用頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng);從世界鉆井機械的發(fā)展趨勢上看,它符合21世紀鉆井自動化的歷史潮流。目前,淺海上鉆井船或平臺,幾乎全部裝備了頂驅(qū),陸地石油鉆機也越來越多地裝備了頂驅(qū),繼美國Varco公司之后,挪威的Maritime Hydraulics公司、法國的ACB-Bretbr公司和TRITEN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(qū)?，F(xiàn)在,我國赴國外打井的隊伍,如果沒有安裝該系統(tǒng)將不允許在投標競爭中中標,由此可見,頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)已經(jīng)到了非用不可的地步。

一、頂驅(qū)裝置的結構特點

目前,頂驅(qū)的種類很多,但在結構上不外乎由以下幾部分組成。

(一)動力驅(qū)動裝置

動力驅(qū)動裝置有電動和液壓兩種。通常采用一臺或兩臺交流(或直流或液壓)馬達,經(jīng)齒輪機構減速,提供鉆井動力。美國的Varco 公司和National-Oilwell 公司以及我國生產(chǎn)的頂驅(qū),采用的是交流或直流電動機驅(qū)動方式,加拿大的Tesco 公司生產(chǎn)的500HS、500HC頂驅(qū),采用的是液壓馬達驅(qū)動方式。

(二)傾斜裝置

傾斜裝置由機械臂、吊環(huán)、驅(qū)動機構組成,驅(qū)動機構又分氣動、液動兩種。氣囊或液缸使機械臂帶動吊環(huán)前擺、后擺,在接單根及從指梁取放立柱時使吊卡可自動擺到位。

(三)管子處理裝置

該裝置體現(xiàn)了頂驅(qū)的最大優(yōu)點。它由扭矩鉗、內(nèi)防噴控制閥和執(zhí)行機構組成。扭矩鉗在液壓作用下,可在任何時候、任何位置完成上卸扣作業(yè)。內(nèi)防噴器控制閥在停泵情況下,可操作機械臂任意開關,這既可節(jié)約鉆井液又可實施井控。

(四)扭矩管、平衡系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)

扭矩管也稱導軌,為頂驅(qū)提供了上下滑動的導軌,起扶正作用,便于接立柱時對扣和下套管時對套管扶正,同時用來抵消鉆井過程中鉆具旋轉(zhuǎn)的反扭矩,即將反扭矩傳到井架底座上,而不傳給井架。平衡系統(tǒng)采用雙液壓平衡液缸,其作用類似于大鉤彈簧。冷卻系統(tǒng)由鼓風機、交流電動機、導管組成,向鉆井電動機提供冷卻空氣。

(五)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)提供給操作者一個操作頂驅(qū)所有動作的控制臺,包括司鉆控制及儀表控制臺、電纜、液壓管線、氣管線等。

(六)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)

美國Varco公司生產(chǎn)的IDS-1型頂驅(qū)及國產(chǎn)DQ-60D型頂驅(qū)的鉆井液可由電動機軸上部相連的沖管總成經(jīng)空心電動機軸內(nèi)襯管流入鉆柱進行循環(huán)。而加拿大TESCO 公司的頂驅(qū)安裝在普通鉆井水龍頭下面。前者將馬達、水龍頭、齒輪減速機構集于一體,設計緊湊。

二、現(xiàn)行頂驅(qū)裝置系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

(一)頂部驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點

與常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機相比,頂部驅(qū)動系統(tǒng)有很多優(yōu)點。

1.起下鉆過程簡單。常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機接單根的鉆井過程如下:(1)打完單根后停止旋轉(zhuǎn)和循環(huán),提升系統(tǒng)上提方鉆桿,卡瓦卡住鉆具,用液壓大鉗松開鉆桿與方鉆桿的接頭連接;(2)將方鉆根與鼠洞中的單根連接,液壓大鉗上緊,提升方鉆桿;(3)將與方鉆桿連接的單根與下部鉆具對扣,液壓大鉗上緊;(4)提起卡瓦,開泵循環(huán)鉆進,放入方瓦旋轉(zhuǎn)。

使用頂驅(qū)接立柱的鉆井過程如下:(1)打完立柱后停止旋轉(zhuǎn)和循環(huán),卡瓦卡住鉆具,用管子處理器的扭矩鉗松開鉆桿接頭與保護接頭的連接,動力馬達逆時針旋轉(zhuǎn)卸開連接螺紋;(2)打開吊卡,提升頂驅(qū);(3)自二層臺接立柱,與下部鉆具對扣;(4)降低頂驅(qū),使中心管與立柱上部接頭對扣,馬達順時針旋扣并達到規(guī)定扭矩;(5)提起卡瓦,開泵循環(huán)鉆進。

2.操作安全。由于頂驅(qū)采用立柱鉆進,接單根總次數(shù)僅為通常的1/3,傾斜裝置可以使吊環(huán)、吊卡擺至小鼠洞或二層臺指梁,大大減少了作業(yè)者工作的危險程度。

在起下鉆遇阻、遇卡時,管子處理裝置可以使中心軸與鉆桿在任何位置相接,開泵循環(huán),進行立柱劃眼作業(yè)。

與轉(zhuǎn)盤鉆起下鉆遇阻、遇卡時的操作對比:采用方鉆桿與轉(zhuǎn)盤時,就得卸掉一到兩個單根,接方鉆桿劃眼,每次只能劃一個單根。在大位移井接單根劃眼,卡鉆、鱉泵的危險性較大,特別在上提遇卡和下放遇阻時,很難接方鉆桿循環(huán)。如果使用頂驅(qū),很容易在任何時間、任何位置立即用在鉆柱上的動力水龍頭進行旋轉(zhuǎn)鉆具循環(huán)鉆井液,大大減少了卡鉆等復雜情況。在下套管遇阻時,可迅速接上大小頭,邊循環(huán)邊旋轉(zhuǎn)下放,通過遇阻井段。扭矩管及托架總成起扶正作用,保證下套管作業(yè)中套管居中。頂驅(qū)內(nèi)防噴閥及其執(zhí)行機構,在發(fā)現(xiàn)井涌時可立即執(zhí)行井控動作,其作用類似于方鉆桿旋塞。

3.節(jié)約輔助鉆進時間,提高鉆井效率。由于頂驅(qū)采用立柱鉆進,鉆完一立柱后可直接加一立柱鉆井,因此每鉆完一立柱比常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機鉆完一立柱要節(jié)約2/3以上的輔助時間,僅此一項,可提高鉆井效率15%～20%。在取心鉆進中,用立柱鉆進省去了許多復雜的操作,提高了取心收獲率。國內(nèi)外大量實踐說明,采用頂驅(qū)可減少鉆井時間10%～30%。

4.特別適用于鉆定向井、水平井。常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆在提鉆時不能實現(xiàn)倒劃眼,提鉆時(尤其是鉆大斜度井或水平井時)阻力特別大,因此鉆井的有效井深受到了限制。而頂驅(qū)鉆井可以在邊提鉆時邊旋轉(zhuǎn)鉆柱(即倒劃眼),變靜摩擦力為動摩擦力,其摩擦系數(shù)大大降低,從而鉆井能力可以比相同鉆探能力的常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆有明顯提高,從而可大大降低鉆井費用。

5.安裝維護簡單,操作方便靈活。頂驅(qū)由動力裝置、傾斜裝置、管子處理裝置、扭矩管等幾部分組合在一起,拆裝方便。在使用中按照操作要領進行操作,定時進行保養(yǎng)、檢查,整個系統(tǒng)由安裝在司鉆面前的控制臺控制,操作簡單、方便、靈活、可靠。

(二)頂部驅(qū)動鉆井裝置的缺點

1.管理不善停機。如果不能很好地加以管理,頂部驅(qū)動鉆井裝置將會造成鉆機停機。據(jù)美國Varco公司調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在1995年前的相當一段時期內(nèi),頂部驅(qū)動鉆井裝置電路故障占其停機修理的42%,而機械故障占其停機修理的58%。

2.切斷鉆井鋼絲繩。以TDS—3型頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)為例,用它鉆三口井總重量為21216 kg,其中包括游動滑車和水龍頭,些附加的重量相對于傳統(tǒng)的方鉆桿——轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)來說增加了切斷鉆井鋼絲繩的頻率。

3.海上作業(yè)颶風疏散。一個不利的維護方面就是井架上的鉆桿必須在颶中疏散。如果那些鉆桿在下套管時不能事先坐定,則須將其放下去。用頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)下放作業(yè)與方鉆桿一轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)大體上相同,兩者之間唯一的差別就是用方鉆桿一轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)時在裸眼井中其進尺數(shù)決不會超過2m鉆桿,而頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)在裸眼井中隨時都可保持預期的進尺數(shù)。舉例來說,井架上包括1219 m套管5486 m鉆桿需要12～14個小時才能全部被放下來。

因此,頂部驅(qū)動鉆井裝置在實踐中仍有繼續(xù)改進。

三、新技術下頂驅(qū)裝置的改進方向

1.頂部驅(qū)動鉆井裝置目前還不能實現(xiàn)自動鉆進。它只實現(xiàn)了鉆機的局部自動化,還沒有將司鉆從剎把前解放出來。如能將頂部驅(qū)動鉆井裝置與盤式剎車自動控制鉆壓、控制動力水龍頭轉(zhuǎn)速等參數(shù)結合起來,實現(xiàn)司鉆盼望的自動送鉆等,必將使鉆機自動化躍上一個新的臺階。

2.頂部驅(qū)動鉆井裝置自身重量大,減小了游動系統(tǒng)的有效起重量,增大了鋼繩、軸承等機件的磨損甚至破壞率,因此必然引起其他機件設計、制造、材料等方面的改進。

3.頂部驅(qū)動鉆井裝置要向結構簡化、重量減輕、尺寸減小的方向再加以改進,才能滿足修井機、輕型鉆機改裝的要求,才能尋求到更廣闊的市場。