張 杰，柴占文，常 亮，胡小剛，曹巍巍，樊衛(wèi)亮，牟長(zhǎng)清

（1．華油一機(jī)（河北）鉆井裝備有限公司，河北青縣062658；2．濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司河北分公司，河北青縣062658；3．渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘062550）

低溫鉆機(jī)固控系統(tǒng)保溫研究

張 杰1，柴占文1，常 亮1，胡小剛1，曹巍巍2，樊衛(wèi)亮3，牟長(zhǎng)清1

（1．華油一機(jī)（河北）鉆井裝備有限公司，河北青縣062658；2．濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司河北分公司，河北青縣062658；3．渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘062550）

要使鉆機(jī)能夠在極地氣溫（－60～－20℃）下正常作業(yè)，除合理布局外，還要給固控系統(tǒng)提供充足的熱源，同時(shí)還必須有良好的保溫系統(tǒng)。加熱和保溫系統(tǒng)既給操作者提供良好的工作環(huán)境，又能保證各種設(shè)備和材料在低溫環(huán)境下正常工作。介紹了低溫鉆機(jī)固控系統(tǒng)的布局、供暖系統(tǒng)及保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、保溫和密封材料的選擇。

低溫鉆機(jī)；固控系統(tǒng)；布局；供暖；保溫；密封

在極地和我國(guó)東北高寒地區(qū)富含有豐富的石油資源，由于氣溫影響，給鉆井造成了很大難度。這種條件下最適用的鉆機(jī)為輪軌式鉆機(jī)和拖裝式鉆機(jī)。本文主要介紹這2種鉆機(jī)固控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一些問(wèn)題。

整套鉆機(jī)除了要求有良好的耐低溫性能外，快速移運(yùn)和安裝也是必須考慮的，這樣可以減少操作工人在惡劣環(huán)境下的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作時(shí)間。固控區(qū)是整套鉆機(jī)中占地面積最大、鉆井液流通最廣的區(qū)域，固控罐內(nèi)長(zhǎng)期儲(chǔ)存鉆井液，所以固控區(qū)內(nèi)要有充足的熱源來(lái)提供熱量，同時(shí)要有良好的保溫措施能夠減少熱量的損失，使固控區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度在10℃左右，保證操作工人在一個(gè)相對(duì)舒適的環(huán)境中工作，而且能避免在停鉆時(shí)鉆井液不在井底循環(huán)而結(jié)冰的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)布局

1．1 方案選擇

鉆機(jī)的布局應(yīng)盡可能減少熱量的散失，采用集中供熱的方案，對(duì)于需要保溫的部分盡可能緊密布置［1］。極地地區(qū)大多是沼澤，井場(chǎng)需要耗費(fèi)大量沙土填平，因此，固控區(qū)的布局應(yīng)當(dāng)盡量緊湊。圖1是2種布局方案，為了減少保溫棚的覆蓋面積，節(jié)約保溫材料，降低散熱面積，應(yīng)當(dāng)采用“一”字布局（如圖1a）。

圖1 固控區(qū)布局方案

雖然“一”字布局與“L”型布局（如圖1b）的占地面積相同，但需要制作保溫棚的板材卻相差很多。假設(shè)保溫棚高度為5m，“一”字布局所需要的保溫板材為（37．5×2＋12×2）×5＝495m2，而“L”型布局所需要的保溫板材為（22．5×2＋36×2）×5＝585 m2。因此，“一”字布局在保溫材料用量、安裝工作量、保溫效果方面都優(yōu)于“L”型布局，在極地地區(qū)的固控罐布局盡量采用“一”字布局。

1．2 輪軌式鉆機(jī)的固控系統(tǒng)

如果是鉆叢式井，通常采用輪軌式鉆機(jī)，有2條平行的鋼軌鋪設(shè)在地面上，整套鉆機(jī)各單元安裝在軌道上直線移動(dòng)，保溫棚搭建在移動(dòng)底座上不拆卸，隨各單元整體移動(dòng)。輪軌式鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不需要經(jīng)常搬家，鉆井周期＞1a。目前俄羅斯大多數(shù)鉆機(jī)都是這種類型，以德國(guó)BENTEC公司的70式輪軌式鉆機(jī)為例：固控系統(tǒng)有8個(gè)泥漿罐和1個(gè)水罐，整體成“一”字布局，如圖2。

圖2 德國(guó)BENTEC公司70式輪軌鉆機(jī)固控系統(tǒng)布局

1．3 拖裝式鉆機(jī)的固控系統(tǒng)

如果是鉆探井或者在某一個(gè)地區(qū)短期鉆井，需要經(jīng)常搬家的情況，最好采用拖裝式鉆機(jī)［2］。拖裝式鉆機(jī)在俄羅斯的使用量比較少，目前隨著拖裝鉆機(jī)技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的公司有購(gòu)置的需求。拖裝式鉆機(jī)是整套鉆機(jī)的各個(gè)單元依靠牽引車?yán)瓌?dòng)運(yùn)移，固控罐的運(yùn)輸單元較多，考慮到車載的罐體在井場(chǎng)搬遷時(shí)，能夠直接移運(yùn)到規(guī)定的位置，固控罐必須并排放置。高壓管匯、管線槽和泥漿坑以及蒸汽鍋爐、套裝水罐等其他井場(chǎng)設(shè)施都設(shè)計(jì)在車尾地面。將固控系統(tǒng)成“一”字?jǐn)[放布局，以40DBT型拖裝式鉆機(jī)固控系統(tǒng)為例，固控系統(tǒng)有5個(gè)泥漿罐和1個(gè)水罐，布局如圖3。

圖3 40DBT型拖裝式鉆機(jī)固控系統(tǒng)布局

由于鉆井周期短，地面凹凸不平時(shí)不進(jìn)行地面平整，各固控罐之間難以定位準(zhǔn)確，各單元之間縫隙難以確定，密封難度很大，采用這種布局減少了罐間的錯(cuò)位接口，有利于固控系統(tǒng)保溫棚的安裝和密封，達(dá)到節(jié)省保溫材料、簡(jiǎn)化保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的。

2 供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供暖系統(tǒng)采用蒸汽加熱和熱空氣加熱2種方式：蒸汽加熱主要是給罐內(nèi)的鉆井液加熱；熱空氣加熱主要是給保溫棚內(nèi)的工作環(huán)境加熱。輪軌式鉆機(jī)與拖裝鉆機(jī)的供暖系統(tǒng)基本相同，以40DBT型拖裝鉆機(jī)為例說(shuō)明。

2．1 蒸汽加熱系統(tǒng)

蒸汽加熱系統(tǒng)是由電蒸汽發(fā)生器、蒸汽輸送管路、冷凝水回收管路和自動(dòng)補(bǔ)水管路組成。通過(guò)蒸汽輸送管路將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽輸送到各個(gè)單元，產(chǎn)生的冷凝水通過(guò)高性能疏水閥可以輸送到冷凝水收集罐，蒸汽發(fā)生器缺水時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水管路將冷凝水收集罐內(nèi)的水重新打到蒸汽發(fā)生器。

蒸汽管路采用2條76．2mm（3英寸）鋼管作為主管路，將各鉆井液罐并聯(lián)在一起。每個(gè)鉆井液罐的兩側(cè)壁上設(shè)有50．8mm（2英寸）鋼管制作成的環(huán)形管路。為了避免冷凝水停留在管路內(nèi)部造成堵塞、結(jié)冰后撐裂鋼管，環(huán)形管路設(shè)計(jì)成傾斜結(jié)構(gòu)，即環(huán)形管路的高端為蒸汽管線的入口，低端為冷凝水出口。罐間采用既耐低溫環(huán)境又耐高熱蒸汽的膠管連接，接口采用氟橡膠錐套壓緊密封。在每個(gè)罐蒸汽管路上都安裝不銹鋼截止閥門，用以控制單個(gè)罐的蒸汽通斷，方便維修。例如鉆井的初期階段，地層泥漿溫度不高，需要將各固控罐都進(jìn)行加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定井深時(shí)，地層泥漿溫度足以保證泥漿循環(huán)過(guò)程順暢，此時(shí)就可以斷開(kāi)參與泥漿循環(huán)的固控罐蒸汽，而不參與循環(huán)的水罐和儲(chǔ)備罐則繼續(xù)使用蒸汽。

固控區(qū)的蒸汽管路末端安裝疏水閥，它依靠管路內(nèi)的冷水和熱蒸汽的密度差自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門。固控區(qū)的蒸汽管路形成一個(gè)大循環(huán)，蒸汽源源不斷地送入，將罐內(nèi)的鉆井液加熱循環(huán)后變?yōu)槔渌?，管路?nèi)的冷水和熱蒸汽的密度差達(dá)到額定數(shù)值，疏水閥開(kāi)啟將冷水排出。當(dāng)蒸汽停止不用時(shí)，為了防止管路內(nèi)的殘液水結(jié)冰，需要將管路內(nèi)的積水排空，此時(shí)疏水閥密度差達(dá)不到，需要外接壓縮空氣，打開(kāi)輸水閥旁路的法蘭球閥，直接將剩余積水吹凈。

帶有泵室的罐，從50．8mm（2英寸）蒸汽管路上引25．4mm（1英寸）管路，用以給離心泵的吸入口加熱，運(yùn)輸前管路內(nèi)的殘余泥漿不能完全排空，在運(yùn)輸途中容易結(jié)冰，到達(dá)新井位后用膠管將25．4 mm（1英寸）蒸汽管路與泵吸入口連接起來(lái)，通入蒸汽加熱即可融化。蒸汽管路原理如圖4所示。

圖4 蒸汽管路原理

2．2 熱空氣加熱系統(tǒng)

熱空氣加熱系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)管，將熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱空氣合理地分配給固控系統(tǒng)的每個(gè)區(qū)域。熱空氣發(fā)生器產(chǎn)生的熱空氣經(jīng)過(guò)鉆井泵區(qū)到達(dá)固控區(qū)，整個(gè)固控區(qū)域內(nèi)有4路熱空氣管道，其中直徑為300 mm管道送到鉆井泵區(qū)，熱空氣直吹鉆井泵區(qū)；1路直徑為500mm的管道送到固控區(qū)，熱空氣直吹固控區(qū)；直徑為350mm和另1路直徑為500mm的管道穿過(guò)固控區(qū)送往鉆機(jī)，這2路管道在6個(gè)罐上交錯(cuò)留有吹風(fēng)口，保證工作區(qū)域內(nèi)的溫度，熱風(fēng)管路的各出口均設(shè)有閥門，可以人工進(jìn)行開(kāi)啟。熱空氣加熱原理如圖5所示。

圖5 熱空氣加熱原理

每套固控系統(tǒng)還配備2臺(tái)移動(dòng)式燃油熱風(fēng)機(jī)，匹配了24h正常燃油量的油箱，體積較小，便于安裝和運(yùn)移。

3 保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一些鉆井中必不可少的設(shè)備在嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)法正常工作，只要保證室內(nèi)溫度＋10℃就可以讓這些設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以需要搭建一個(gè)有效的保溫棚進(jìn)行保溫。保溫棚保溫的同時(shí)也使這些設(shè)備不再裸露，提高了設(shè)備和備件的使用壽命，節(jié)約了成本。

3．1 輪軌式固控系統(tǒng)保溫棚

輪軌式鉆機(jī)在極地地區(qū)已得到廣泛應(yīng)用，其中最為突出的當(dāng)屬德國(guó)BENTEC鉆機(jī)，它是在俄羅斯輪軌式鉆機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)而成，在保溫棚的設(shè)計(jì)方面有其獨(dú)到方面。將固控區(qū)分為數(shù)個(gè)模塊，每個(gè)模塊由輪軌式底座、罐體和保溫棚桁架組成，如圖6。輪軌式底座與罐體焊接成整體結(jié)構(gòu)，一端留出1m的通道，底座兩端安裝走道及欄桿；底座兩端焊接保溫桁架下部主體，高度與罐體相同；保溫棚上部桁架與棚頂桁架做整體鋼結(jié)構(gòu)，在桁架上安裝保溫板，上部桁架與下部桁架銷軸連接。運(yùn)輸時(shí)模塊整體分成2部分：底座上的罐體和下部保溫桁架是1個(gè)運(yùn)輸單元，上部保溫桁架是1個(gè)運(yùn)輸單元。根據(jù)鉆井深度確定模塊數(shù)量，數(shù)個(gè)模塊組成整個(gè)固控系統(tǒng)，在上部分保溫桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝熱空氣管道，罐體內(nèi)設(shè)置熱蒸汽管路。底座和保溫棚框架的主要型材都是H型鋼且制作寬度相同，2個(gè)模塊按順序安放到軌道上。由于吊裝和操作工的不可消除誤差，模塊間會(huì)存在大小不一的縫隙，在縫隙處放入用耐低溫三元乙丙制作成的絮狀密封棒，靠其柔軟性和高密度性填充縫隙。在2個(gè)型鋼縫隙外部用可伸縮裝置壓緊硅橡膠板密封條，達(dá)到良好的密封性。

圖6 輪軌式固控系統(tǒng)保溫棚結(jié)構(gòu)

3．2 拖裝式固控系統(tǒng)保溫棚

拖裝式固控系統(tǒng)分為數(shù)個(gè)模塊，每個(gè)模塊由拖裝式罐體和保溫棚桁架組成。拖裝式底座與罐體焊接成整體結(jié)構(gòu)，罐側(cè)壁上焊接上、下耳板；罐正上方有一個(gè)“人”字形桁架鋼結(jié)構(gòu)棚頂，“人”字形桁架向罐頭和罐尾方向傾斜；每個(gè)桁架靠立柱固定在罐正上方，立柱與罐側(cè)壁上耳板銷軸連接，組成可靠的桁架結(jié)構(gòu)；在桁架結(jié)構(gòu)上安裝保溫板單元框架；保溫棚頂桁架上安裝熱空氣管路，如圖7。井隊(duì)搬遷運(yùn)輸時(shí)，單罐保溫棚不需要拆卸，棚頂、立柱和保溫板單元框架整體下落1．72m，到罐側(cè)壁下耳板位置固定銷軸。

圖7 拖裝式固控系統(tǒng)保溫棚結(jié)構(gòu)

所有模塊成“一’字布局組成整個(gè)固控區(qū)保溫棚，罐面上部采用保溫板結(jié)構(gòu)保溫，罐面下部車輪部分形狀復(fù)雜、與凹凸不平的地面接觸，難以采用保溫板結(jié)構(gòu)，所以在整個(gè)“一’字形固控區(qū)的外圍一周采用保溫帆布保溫。為了節(jié)約成本和方便罐間側(cè)壁的管路連接，只在“一’字形固控區(qū)的外側(cè)罐壁上安裝聚氨酯發(fā)泡保溫板。2模塊之間頂部和端面采用型鋼制作的翻轉(zhuǎn)框架，框架上安裝保溫板的結(jié)構(gòu)，必要的位置留有門和窗戶。模塊間走道下方增加1層保溫走道隔斷地面冷氣，也可作為維修設(shè)備用平臺(tái)，操作者從罐面走道上的人孔，通過(guò)梯子直接下到保溫走道上。罐區(qū)整體保溫棚布局圖如圖8。

圖8 罐區(qū)整體保溫棚布局

4 保溫材料選擇

4．1 保溫板

保溫板選用“三明治”結(jié)構(gòu)聚氨酯發(fā)泡板，厚度為50mm的聚氨酯發(fā)泡板兩側(cè)粘接0．6mm厚彩鋼板，具有保溫、防火、防腐等優(yōu)點(diǎn)。聚氨酯發(fā)泡板分為PUR和PIR兩種，PIR優(yōu)點(diǎn)是耐高溫，阻燃，強(qiáng)度好。PIR的阻燃性、低煙性等方面優(yōu)于PUR，主要用于建筑保溫方面，缺點(diǎn)是脆性大、成本高?？紤]到PUR是在雙層彩鋼板之間發(fā)泡形成的，強(qiáng)度和阻燃效果大幅提高，因此，鉆機(jī)的保溫材料選用PUR。

4．2 密封材料

保溫棚的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，安裝后難以避免有縫隙，這些縫隙必須通過(guò)不同的密封材料和密封方式來(lái)消除。鋼結(jié)構(gòu)之間的密封材料有三元乙丙橡膠密封條、硅橡膠密封板、PVC防水保溫帆布、耐低溫液體硅橡膠密封膠、聚氨酯發(fā)泡劑。

三元乙丙橡膠具有卓越的耐候性、低壓縮永久變形、高強(qiáng)度和高伸長(zhǎng)率等優(yōu)異性能，因此在汽車制造行業(yè)中應(yīng)用量最大，主要應(yīng)用于汽車密封條。由于其使用溫度可達(dá)－45℃。因此，把它作為固控系統(tǒng)保溫棚的密封件是完全滿足要求的。

根據(jù)三元乙丙橡膠特性定制一些半圓形密封條，將其用自攻螺釘和壓板固定到棚頂桁架主梁上，即使由于制作和安裝誤差導(dǎo)致的縫隙過(guò)大也可以保證良好的密封性。棚頂與側(cè)面保溫單元、頂部保溫單元的密封如圖9。

相比三元乙丙橡膠，硅橡膠具有更低的工作溫度（－100℃），它在超低溫度下也不會(huì)發(fā)生永久變形，還具有優(yōu)異的阻燃型、超高的透明度和撕裂強(qiáng)度等特性。當(dāng)回到室溫放置后，橡膠可重新獲得其原有力學(xué)性能。然而，最重要的是硅橡膠即使在大多數(shù)彈性體脆化并且易于彎曲斷裂的溫度下，仍然保持良好柔韌性能。將硅橡膠板制作成三元乙丙橡膠條的形式，應(yīng)用于保溫棚的門窗密封處。

圖9 棚頂與側(cè)面保溫單元、頂部保溫單元的密封

4．3 帆布

拖裝鉆機(jī)固控系統(tǒng)會(huì)使用大量的帆布材料。帆布材料在選擇上需要慎重考慮，在寒冷的西西伯利亞地區(qū)最好是采用雙層帆布加棉的結(jié)構(gòu)。為了提高其耐用性，帆布的胚布上涂塑PVC膠，增強(qiáng)其防水、防火、耐寒、柔韌等性能。雙層PVC帆布是中間加玻璃絲棉后縫合在一起的。由于固控區(qū)為防爆危險(xiǎn)區(qū)域，而帆布的用量又多，因此帆布應(yīng)當(dāng)達(dá)到足夠的阻燃級(jí)別，在定制帆布前應(yīng)該了解用戶對(duì)阻燃性能的要求。

5 結(jié)論

1） 低溫鉆機(jī)固控系統(tǒng)適用于寒冷地區(qū)鉆井作業(yè)，必須有合理的布局、可靠的供暖、良好的保溫，為人員、設(shè)備、裝置和系統(tǒng)提供優(yōu)良的、可靠的、穩(wěn)定的工作環(huán)境，保證固控罐內(nèi)鉆井液的正常循環(huán)、儲(chǔ)存，為鉆井作業(yè)提供安全保障。

2） 輪軌式和拖裝式鉆機(jī)固控系統(tǒng)采用先進(jìn)的設(shè)備和人性化的設(shè)計(jì)理念，代表了國(guó)內(nèi)甚至國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，必將成為國(guó)內(nèi)外首選的低溫鉆井裝備。

3） 低溫鉆機(jī)固控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于保溫棚的保溫性和密封件制造，在設(shè)計(jì)前必須掌握各保溫材料和密封材料的低溫特性及低溫實(shí)用性，材料的選擇還應(yīng)滿足石油天然氣工業(yè)安全規(guī)范要求。

［1］ 張東濤，秦曉峰，廖昌建，等．ZJ50／3150DB型低溫石油鉆機(jī)設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（9）：84－87．

［2］ 黃 亮，任芳芳，周莉莉，等．TNJ300型拖掛式泥漿凈化系統(tǒng)研制［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：77－79．

Heat Preservation Research on Low Temperature Drill Rig Solid Control System

ZHANG Jie1，CHAI Zhan－wen1，CHANG Liang1，HU Xiao－gang1，CAO Wei－wei2，F(xiàn)AN Wei－liang3，MU Chang－qing1
（1．Petro HD Equipment Ltd．，Qingxian062658，China；2．Hebei Branch，Jinan Diesel Engine Co．，Ltd．，Qingxian062658，China；3．Petroleum Machinery Factory，Bohai Equipment Manufacturing Co．，Ltd．，Renqiu062550，China）

The operating temperature of low temperature drill rig in polar region is round－60to－20℃．To ensure normal drilling operation in such cold environment，except reasonable layout，enough heating and great heat preservation systems are all indispensable．Fine heating and heat preservation system can not only provide comfortable working environment for operators，but also ensure normal drilling operation of various equipments of the drilling system in low temperature environment．This thesis introduces the layout design of low temperature drill rig solid control system，the design of heating system and heat preservation system in detail，and also the selection of heat preservation and sealing materials．

low temperature drill rig；layout；heating；heat preservation；sealing

book=51,ebook=51

TE926．03

：A

1001－3482（2012）06－0033－05

2011－12－19

張 杰（1984－），男，河北青縣人，2007年畢業(yè)于河北科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化本科專業(yè)，現(xiàn)從事于鉆井液固控系統(tǒng)的研制、開(kāi)發(fā)，E－mail：zhangjie．1012＠163．com。