陸彥博 宋云鵬 李睿明

摘要：鉆機(jī)提升系統(tǒng)作為石油鉆機(jī)的核心，在起下鉆等作業(yè)流程中起著至關(guān)重要的作用，按照提升方式的不同將鉆機(jī)提升系統(tǒng)分為了絞車式和液壓式提升系統(tǒng)，對(duì)兩種提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析，并調(diào)研了國內(nèi)外提升系統(tǒng)的應(yīng)用狀況，最后對(duì)兩種提升系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析?？梢灶A(yù)見，具備先進(jìn)性的液壓式提升系統(tǒng)會(huì)在今后的石油鉆機(jī)中占據(jù)重要地位。

關(guān)鍵詞：油鉆機(jī)；提升系統(tǒng)；絞車式；液壓式

1提升系統(tǒng)分析

1.1絞車式提升系統(tǒng)

絞車式提升系統(tǒng)較為傳統(tǒng)，技術(shù)成熟，使用率較高，該系統(tǒng)主要由井架、游動(dòng)系統(tǒng)、絞車等組成，并且出現(xiàn)了單絞車和雙絞車提升之分。其中雙絞車提升系統(tǒng)是將單絞車提升系統(tǒng)的死繩端也變?yōu)橐慌_(tái)絞車，兩臺(tái)絞車同時(shí)提升，根據(jù)API8C標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)有關(guān)效率計(jì)算的要求，通過對(duì)繩系效率的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，雙絞車提升系統(tǒng)在繩系效率上比單絞車提升系統(tǒng)有一定的提高，并且可以進(jìn)一步增大鉆機(jī)的提升能力，在一定程度上促進(jìn)了石油鉆機(jī)的發(fā)展。

1.2液壓式提升系統(tǒng)

液壓式提升系統(tǒng)較為先進(jìn)，在陸地及海洋鉆井設(shè)備上實(shí)際使用率較低，該系統(tǒng)主要由液壓缸、井架、游動(dòng)滑車等組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2，這種提升系統(tǒng)沒有動(dòng)定滑輪之間的鋼絲繩纏繞，系統(tǒng)的繩系效率很高，并且，頂驅(qū)的提升速度是液壓缸運(yùn)動(dòng)速度的2倍。

2石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)關(guān)鍵件熱處理質(zhì)量問題分析

目前存在的主要問題是：經(jīng)過熱處理后，工件的塑性指標(biāo)能夠達(dá)到要求，韌性靠近下限，而強(qiáng)度偏低。按屈服強(qiáng)度校核的安全系數(shù)為2.30～2.40，與所設(shè)計(jì)的安全系數(shù)2.79相比略低，但在使用中從未發(fā)生任何事故。

盡管在使用過程中從未發(fā)生任何事故，但生產(chǎn)企業(yè)為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，增加產(chǎn)品在國際市場的競爭實(shí)力，決定對(duì)該問題進(jìn)行分析和研究。經(jīng)過全面、細(xì)致的分析表明，石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)關(guān)鍵件強(qiáng)度和韌性不足的根本原因是：最初的設(shè)計(jì)沒有考慮到工件強(qiáng)度和工件尺寸之間的匹配關(guān)系（尺寸效應(yīng)），原設(shè)計(jì)指標(biāo)按有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)制訂，但該標(biāo)準(zhǔn)中試樣尺寸為25mm（淬火介質(zhì)：油），而實(shí)際工件直徑都在130mm以上，部分工件尺寸超過200mm。由于工件的尺寸較大，所用42CrMo鋼的淬透性不足，受尺寸效應(yīng)的影響，工件的淬硬層較淺，使工件截面上強(qiáng)度分布不均，且較低，在檢測部位1/3R處強(qiáng)度、韌性無法滿足技術(shù)要求。

針對(duì)上述原因，在不改變工件的整體結(jié)構(gòu)、不影響與其它零部件的裝配關(guān)系的前提下，制定了解決問題的3套方案：

（1）材料方面：選擇淬透性好的材料，如選擇18Cr2Ni4WA鋼，對(duì)于該截面尺寸的工件，能完全滿足性能要求，但價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于42CrMo鋼。

（2）工藝方面：強(qiáng)化淬火冷卻。如采用水淬，力學(xué)性能也完全滿足要求，但易淬裂。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，為了防止42CrMo鋼大尺寸工件的水淬開裂，也有采用更換淬火介質(zhì)，既提高了淬硬層深，又避免了淬火開裂，但工藝麻煩，需要經(jīng)常調(diào)整。

（3）工件結(jié)構(gòu)方面：將工件中心掏空，做成空心件，減小工件熱處理時(shí)的有效尺寸，增大工件淬火冷卻時(shí)的散熱表面。該工件主要承受彎曲載荷，實(shí)心結(jié)構(gòu)工件的心部材料，不僅對(duì)工件承載（彎曲載荷）不發(fā)揮什么作用，而且與空心結(jié)構(gòu)比較，實(shí)心工件熱處理時(shí)除了增加工件的有效尺寸和蓄熱量外，還在淬火冷卻時(shí)減少了一個(gè)散熱面，使工件淬火時(shí)的冷卻速度降低，淬硬層變淺，工件的性能難以滿足技術(shù)要求，如果可以改變成空心件，上述問題有望解決。

3提升系統(tǒng)應(yīng)用

3.1絞車式提升系統(tǒng)應(yīng)用

目前大部分陸地和海洋平臺(tái)上的鉆井包都采用了這種提升方式，并且提升能力越來越高，主要介紹幾種有代表性的平臺(tái)。

（1）海洋石油981半潛式鉆井平臺(tái)，采用一個(gè)半井架、天車補(bǔ)償系統(tǒng)和單絞車提升方式，提升能力907t，平臺(tái)可在不超過3000m水深的海域進(jìn)行鉆探工作，鉆井深度可達(dá)10000m。

（2）馬士基雙井架作業(yè)平臺(tái)，采用雙井口井架，配備天車補(bǔ)償系統(tǒng)，雙井口分別采用單絞車提升方式。兩臺(tái)絞車左右兩側(cè)對(duì)稱布置，雙井口有主輔之分，提升能力存在差別，馬士基建造了數(shù)臺(tái)該類型的鉆井平臺(tái)。

（3）HUISMAN公司的多功能鉆井塔，鉆井塔取代了傳統(tǒng)井架結(jié)構(gòu)，采用雙滾筒絞車提升方式，雙滾筒絞車具備主動(dòng)補(bǔ)償功能，并且配備了快速換繩滑輪組，可根據(jù)不同工況變換繩系，以提高提升系統(tǒng)冗余性和效率。該產(chǎn)品技術(shù)較為先進(jìn)，創(chuàng)新點(diǎn)較多。

3.2液壓式提升系統(tǒng)應(yīng)用

目前，有少數(shù)陸地鉆機(jī)及海洋平臺(tái)使用液壓式提升系統(tǒng)這種方式，由于其較為先進(jìn)的技術(shù)，產(chǎn)品多為國外廠家制造。

（1）意大利Drillmec公司的液壓鉆機(jī)A-HEAD375，伸縮式井架依靠油缸上下運(yùn)動(dòng)，天車隨井架升降，通過兩單根為一立根的方式起下鉆，大鉤載荷340t，鉆井深度6000m，自動(dòng)化程度高。該鉆機(jī)采用垂直鉆桿架取代傳統(tǒng)二層臺(tái)存放鉆桿。

（3）HERRENKNECHTVERTICAL公司生產(chǎn)的海洋平臺(tái)鉆井包DEEPDRILLINGRIGTERRAIN-VADER250CL，最大鉤載250t，井架高度30m，采用液缸提升方式，行程17.5m。采用單根的方式進(jìn)行起下鉆。主要應(yīng)用在自升式鉆井平臺(tái)上。

（4）Frigstad公司設(shè)計(jì)的全球最先進(jìn)的第七代半潛式鉆井平臺(tái)D90，采用雙井口作業(yè)方式，配備AK-ERMH或NOV的液壓提升系統(tǒng)。通過液壓缸頂升游動(dòng)滑車來控制頂驅(qū)上下運(yùn)動(dòng)，井架作為游動(dòng)滑車的軌道支撐，不承擔(dān)主載荷。

4提升系統(tǒng)比較

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，絞車式提升系統(tǒng)因其較為成熟的技術(shù)，在陸地和海洋鉆機(jī)中占有很大的比重，但由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較大的重量，使其重心較高，穩(wěn)定性較差。當(dāng)今鉆機(jī)的提升能力越來越強(qiáng)，這就需要結(jié)構(gòu)更大的井架和功率更高的絞車與之匹配，在海洋平臺(tái)上，井架和底座重量的上升會(huì)降低平臺(tái)可變載荷，不利于平臺(tái)的長遠(yuǎn)發(fā)展﹔雙絞車的出現(xiàn)對(duì)提升鉆井絞車的能力起到了重要作用，在一定程度上有利于絞車式提升系統(tǒng)的發(fā)展，但雙絞車較大的重量、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制等缺點(diǎn)也制約了其進(jìn)一步發(fā)展。因此，隨著石油鉆機(jī)鉆井能力的不斷提升，絞車式提升系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸會(huì)越來越突出。

液壓式提升系統(tǒng)作為一種新型的提升方式，在這方面具有很好的優(yōu)勢，該提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，井架只是作為游動(dòng)滑車的軌道支撐，不承擔(dān)主載荷，重量會(huì)降低很多，穩(wěn)定性也有很大提升，優(yōu)勢比較明顯，但液壓式提升系統(tǒng)的重難點(diǎn)在于液壓系統(tǒng)的研發(fā)和制造，現(xiàn)今海工領(lǐng)域的液壓元器件基本采用國外產(chǎn)品，成本較高，國內(nèi)對(duì)這種大載荷、大流量的液壓元器件研發(fā)較少，較為依賴國外產(chǎn)品，研發(fā)難度較大。但可以確信的是，液壓式提升系統(tǒng)的優(yōu)勢非常明顯，會(huì)在石油鉆機(jī)領(lǐng)域占據(jù)更多的市場和地位。國內(nèi)廠家應(yīng)盡早對(duì)該類提升系統(tǒng)布局研發(fā)，力爭占據(jù)一席之地。

結(jié)束語：

根據(jù)鉆機(jī)提升系統(tǒng)提升方式的不同，將鉆機(jī)提升系統(tǒng)分為了絞車式和液壓式提升系統(tǒng)，通過分析兩類提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)研了國內(nèi)外兩種類型提升系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)并比較了兩類提升系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，液壓式提升系統(tǒng)作為先進(jìn)性的代表，在今后的石油鉆機(jī)中會(huì)占據(jù)越來越重要的地位。

參考文獻(xiàn)

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[2]路明.探討海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng)中的設(shè)備故障及預(yù)處理措施[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊）.2018（08）

（作者單位：中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司）