淺談國內(nèi)外頂部驅(qū)動鉆井裝置的發(fā)展

[摘 要]介紹了美國Varco公司、美國National Oilwell公司、加拿大Tesco公司、加拿大Canrig公司等世界上主要幾家生產(chǎn)頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的最新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況，以及國內(nèi)頂驅(qū)開發(fā)研制的進(jìn)展情況，最后提出了我國頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的建議。

[中圖分類號]P5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1009-5489(2009)10-0116-02

頂部驅(qū)動鉆井裝置是石油鉆井裝備上的一項(xiàng)重大技術(shù)革命，其工作原理是把鉆井的動力引至鉆具上部直接驅(qū)動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的裝置，用頂驅(qū)取代方鉆桿、轉(zhuǎn)盤，由于直接采用以立根為單元的鉆進(jìn)，可減少三分之二上卸扣的工作量，大幅提高鉆井速度，頂驅(qū)最根本的優(yōu)越性是在起下鉆的過程中，動力始終與鉆具相連，遇阻、遇卡時(shí)可迅速旋轉(zhuǎn)鉆具，接通泥漿進(jìn)行劃眼作業(yè)，可有效地防止卡鉆事故的發(fā)生，尤其在地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆井事故多發(fā)區(qū)，鉆井時(shí)的安全性能得到了極大的改善。頂驅(qū)的這種在處理事故中所表現(xiàn)的優(yōu)越性，加之以立根為單元的鉆進(jìn)方式，使鉆進(jìn)速度得到了很大的提高，改善了井眼質(zhì)量，以及加上與其相配套的井口裝置，可大幅減輕工人的勞動強(qiáng)度，減少操作人員，使得頂驅(qū)裝置一經(jīng)問世，便表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。

一、國外頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的動向

自1982年美國首臺頂驅(qū)裝置問世以來，英國、挪威和加拿大也相繼研制出不同類型的頂驅(qū)裝置，特別是20世紀(jì)90年代以來，頂驅(qū)裝置已成為鉆井裝備領(lǐng)域三大新技術(shù)之一。與常規(guī)的鉆井裝置相比，頂部驅(qū)動鉆井方法顯得更加安全可靠，適合于在深井、超深井以及斜井、水平井等高要求和復(fù)雜工況下作業(yè)。隨著復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井勘探工作的不斷增加，以及定向井、水平井、老井側(cè)鉆井、多分枝井和大位移井?dāng)?shù)量的增加，使得頂驅(qū)裝置更加顯示出優(yōu)越性和重要性。國外的Varco公司、Tesco公司和National Oilwell公司等公司目前已經(jīng)基本上形成變頻電驅(qū)動頂驅(qū)系列。我國也于上個(gè)世紀(jì)末開始了頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的研制工作。

1.美國Varco公司頂驅(qū)

美國Varco公司是最早研究開發(fā)頂驅(qū)的公司之一，多年來研究開發(fā)了10多種不同型式的頂驅(qū)。目前該公司生產(chǎn)的頂驅(qū)在世界油田的應(yīng)用數(shù)量占第一位，其中TDS—9SA、TDS—10SA和TDS—lISA型頂驅(qū)均適用于中小型陸地和平臺鉆機(jī)，在我國市場上應(yīng)用較為廣泛。

Varco公司的頂驅(qū)，其顯著特點(diǎn)是:體積小、重量輕、搬遷和安裝方便省時(shí);液壓系統(tǒng)因完全安放于頂驅(qū)本體而使壓力損失較少，系統(tǒng)動作迅速;西門子提供的變頻系統(tǒng)性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，故障率相對較低。因此Varco公司的頂驅(qū)在市場上尤其是陸地鉆井市場上具有較高的占有率;不足之處是由于液壓系統(tǒng)完全位于頂驅(qū)本體上，使得液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)難以排查和解決，因液壓系統(tǒng)而被迫停止作業(yè)的情況屢有發(fā)生，如長城公司在蘇丹1/2/4區(qū)作業(yè)的GW73、GW72、GWll5、GW105都曾發(fā)生過因液壓系統(tǒng)發(fā)生故障而暫停作業(yè)的情況。

2.美國National Oilwell公司頂驅(qū)

美國National Oilwell公司原生產(chǎn)PS—350/500，PS—500/650型和PS500/650型等系列頂驅(qū)。近些年陸續(xù)開發(fā)了PSZ一650/650型和PSZ—750型雙速傳動機(jī)構(gòu)頂驅(qū)，從使用情況來看，該公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的頂驅(qū)并不是很適合陸地用戶，主要表現(xiàn)為兩方面:一是頂驅(qū)體積大，電纜使用不太方便，給搬遷過程中的拆卸和運(yùn)輸都帶來了一定困難;二是液壓系統(tǒng)性能不太可靠(華北所購該頂驅(qū)因液壓問題專門在天津進(jìn)行了大修，后來該頂驅(qū)在國內(nèi)進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn))。當(dāng)然，該頂驅(qū)的部分功能在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合了Varco公司和Tesco公司兩家頂驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)軌安裝方便、可用背鉗直接裝卸IBOP和保護(hù)接頭等，很大程度上方便了實(shí)際操作和使用。

3.加拿大Tesco公司頂驅(qū)

加拿大Tesco公司生產(chǎn)150MHI型、500HS型、500HC型液壓驅(qū)動頂驅(qū)，到1998年1月共生產(chǎn)150多臺。由于電驅(qū)動頂驅(qū)具有更好的鉆井性能和適應(yīng)性，Tesco公司從1996年開始生產(chǎn)AC變頻電驅(qū)動頂驅(qū)，采用美國Kaman公司PA44型永磁同步電動機(jī)。目前，Tesco公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動和電驅(qū)動頂驅(qū)已經(jīng)基本上形成了150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型、500ECI型和650ECI型等多種規(guī)格頂驅(qū)系列。

對于加拿大Tesco公司頂驅(qū)，從投產(chǎn)后的使用情況來看，該系列頂驅(qū)變頻器運(yùn)行可靠性較好，永磁電機(jī)的采用使系統(tǒng)運(yùn)行功率因素較高，抗沖擊性能高于其他幾種類型的頂驅(qū)，不足之處是扭矩導(dǎo)軌由螺栓連接，液壓泵在地面，需要由很長的液壓管線接到頂驅(qū)主機(jī)上，因此安裝相對麻煩，不適合在淺井中應(yīng)用。

4.加拿大Canrig公司頂驅(qū)

加拿大Canrig公司生產(chǎn)AC—SCR—DC電驅(qū)動頂驅(qū)，同時(shí)也生產(chǎn)AC變頻電驅(qū)動頂驅(qū)。其生產(chǎn)的6027E、8035E、1050E、1165E等4種規(guī)格頂驅(qū)為單速傳動，此外還生產(chǎn)雙速傳動頂驅(qū)和電驅(qū)動頂驅(qū)。同時(shí)研究開發(fā)了小型石油鉆機(jī)用額定載荷為1500kN、2750kN的AC變頻電驅(qū)動頂驅(qū)，以及大型石油鉆機(jī)用的額定載荷為5000kN、6500kN、7500kN的AC變頻頂驅(qū)，形成了多種規(guī)格的AC變頻電驅(qū)動頂驅(qū)系列。相對來說，加拿大Canrig公司的頂驅(qū)性能比較可靠，顯著特點(diǎn)是靈活、耐用，具有整體式安裝形式，頂驅(qū)導(dǎo)軌為折疊式，各種電纜預(yù)制于導(dǎo)軌內(nèi)，無需重新裝配，液壓站在地面，到達(dá)頂驅(qū)只有一根復(fù)合液壓管線且同樣預(yù)制于導(dǎo)軌內(nèi)，使用較安全。不足之處是安裝耗時(shí)較長，電纜接頭在安裝過程中需要單根逐一連接，無快速連接接頭。

二、國內(nèi)頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)主要是自19世紀(jì)80年代后期，開始頂驅(qū)裝置的調(diào)研和設(shè)計(jì)工作，1993年經(jīng)原中國石油天然氣總公司批準(zhǔn)立項(xiàng)后歷經(jīng)兩年多的時(shí)間，設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)出我國第一臺6000m電驅(qū)動DQ—60D頂驅(qū)裝置，十多年來，隨著世界范圍內(nèi)石油工業(yè)的不斷發(fā)展和勘探開發(fā)難度的不斷增加，以及市場競爭的日趨激烈，對鉆井技術(shù)的先進(jìn)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面都提出更高的要求，正是這種市場的需求和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促使頂驅(qū)裝置得到了迅速的發(fā)展。近些年來，寶雞石油機(jī)械有限公司、北京石油機(jī)械股份有限公司、盤錦天意石油裝備有限公司、四川宏華石油設(shè)備有限公司等制造企業(yè)，緊跟國際發(fā)達(dá)國家石油鉆井裝配的前沿技術(shù)，先后研制開發(fā)出一批具有技術(shù)先進(jìn)、性能好，適應(yīng)性強(qiáng)的新一代石油鉆機(jī)，例如:4000m、5000m、7000m直流電驅(qū)動鉆機(jī)和1000～9000m系列交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)等，其技術(shù)性和可靠性已達(dá)到了當(dāng)前國際先進(jìn)水平甚至超過了國際水平，并已批量出口美國和中亞、中東等世界各地。由于國產(chǎn)頂驅(qū)裝置采用以國內(nèi)制造為主，關(guān)鍵部件在世界范圍內(nèi)選購的原則，自行設(shè)計(jì)、加工、組裝、調(diào)試的生產(chǎn)方式，不僅保證了頂驅(qū)裝置的質(zhì)量及先進(jìn)性，而且大大降人低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，其銷售價(jià)格僅為國外同類型產(chǎn)品的60%左右。正是由于國產(chǎn)頂驅(qū)裝置投入市場，使得進(jìn)口頂驅(qū)裝置的價(jià)格有了較大幅度的下降。

1.對4000m以下的鉆機(jī)，由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁，要求鉆機(jī)要具有良好的移運(yùn)性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性和可靠性。根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境、地域條件和運(yùn)輸條件，在電力供應(yīng)充足的地區(qū)，使用直流電驅(qū)動鉆機(jī)。由于在輕型鉆機(jī)上，因?yàn)閾Q鉆頭而起下鉆的次數(shù)越多，安裝頂驅(qū)后，采用立柱鉆井會節(jié)省起下鉆時(shí)間:常規(guī)鉆井3000～3500m井的鉆井時(shí)間為34.67d，3500～4000m的鉆井時(shí)間比例為49.67%;采用頂驅(qū)后，起下鉆時(shí)間按節(jié)約l0%考慮，3000m鉆機(jī)可以節(jié)約5～6d，4000m鉆機(jī)可以節(jié)約6～8d;遇到復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)，頂驅(qū)節(jié)約的時(shí)間就更多，可以說，3000～4000m鉆機(jī)加裝頂驅(qū)，無論是從經(jīng)濟(jì)上或是效率上講，均是合算的。

2.4000～9000m鉆機(jī)是當(dāng)前在國內(nèi)使用的主力機(jī)型鉆機(jī)，市場需求量較大。多用于鉆探井、深井，對該級別鉆機(jī)要求技術(shù)含量高、性能先進(jìn)、質(zhì)量可靠、操作維修簡便、機(jī)械化、自動化、智能化程度高，并具有良好的移運(yùn)性。該級別鉆機(jī)要充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸單元少、拆裝方便、移運(yùn)快捷、可靠性高、價(jià)格適中等特點(diǎn)。對于該級別鉆機(jī)主要是機(jī)電液復(fù)合型鉆機(jī)，主要以交流變頻電液驅(qū)動鉆機(jī)為主。而我國陸續(xù)研制開發(fā)的4000m、5000m、7000m直流電驅(qū)動鉆機(jī)和1000—9000m系列交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)，提高了鉆機(jī)集裝化程度和高移運(yùn)性能，采用了獨(dú)立驅(qū)動大模塊運(yùn)載形式或車載形式，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與科技水平的不斷提高，變頻模塊設(shè)計(jì)的組合變得更加美觀與合理化，鉆機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，使外形尺寸和設(shè)備重量得到了很大的改善，但應(yīng)需進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.10000m級鉆機(jī)在國內(nèi)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)中，對于該級別鉆機(jī)主要是電液復(fù)合型鉆機(jī)為主，以利于是結(jié)構(gòu)緊湊，移運(yùn)快捷，以便向更廣闊領(lǐng)域及更深層埋藏油氣資源勘探開發(fā)的需要。

三、國內(nèi)部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)的主要差距與建議

我國頂驅(qū)裝置的開發(fā)工作起步較晚，經(jīng)過十余年的不懈努力，基本趕上了國外先進(jìn)技術(shù)水平，甚至有更多的地方可以與國外相媲美，例如:國產(chǎn)頂驅(qū)采用插入式內(nèi)套結(jié)構(gòu)，背鉗與IBOP油缸不隨回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動。內(nèi)套是與減速箱箱體熱裝在一起，成為一個(gè)整體。主軸中心管通過軸承與內(nèi)套配合，工作的時(shí)候內(nèi)套不與主軸中心管旋轉(zhuǎn)。而背鉗是固定在內(nèi)套上的，與回轉(zhuǎn)頭屬于兩個(gè)互不聯(lián)系的體系。與Varco頂驅(qū)相比較，在上卸扣過程中，Varco頂驅(qū)需要先鎖死回轉(zhuǎn)頭，然后才可以進(jìn)行背鉗夾緊操作，各機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系比較多，若某一機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障會直接影響相關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)的功能;回轉(zhuǎn)頭采用機(jī)械軸承，可操作性強(qiáng)、耐用性高、維修維護(hù)方便、可以實(shí)現(xiàn)360°以上任意旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)頭采用了三個(gè)軸承，兩個(gè)扶正軸承和一個(gè)承載軸承，機(jī)械軸承的特點(diǎn)是便于維護(hù)和可以承受載荷，而國外Varco采用的是液壓軸承，因此回轉(zhuǎn)頭在操作的時(shí)候注意事項(xiàng)相對較少，允許攜帶少量鉆具旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)頭，而Varco頂驅(qū)是不允許的;液壓泵出口的二次調(diào)壓卸荷油路能夠使泵在全排量卸荷時(shí)，靠系統(tǒng)蓄能器維持系統(tǒng)壓力，正常鉆進(jìn)時(shí)，可關(guān)閉液壓泵(VARCO采用液壓軸承，液壓泵要24小時(shí)開啟)，能夠延長液壓泵的使用壽命;液壓系統(tǒng)簡單、實(shí)用，維護(hù)方便，管線更換便捷，VARCO頂驅(qū)管線采用硬管線，更換管線不方便，備件供貨周期相對較長。盡管如此，國產(chǎn)頂驅(qū)與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有一定的差距，應(yīng)盡快建立一套科學(xué)、高效的研究設(shè)計(jì)體系、生產(chǎn)制造體系、銷售服務(wù)體系和管理運(yùn)行體系，爭取在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出技術(shù)領(lǐng)先、國際一流的石油裝備產(chǎn)品，以其最大限度的滿足國內(nèi)、國際鉆井市場的需求。

對于今后研制開發(fā)的頂驅(qū)，盡量滿足不同地區(qū)、不同環(huán)境下的各種需求，尤其是在寒冷的地區(qū)應(yīng)考慮保溫、供熱的問題，在沙漠地區(qū)的高溫含沙天氣下，應(yīng)考慮氣候干燥、設(shè)備防沙與缺水等諸多問題。力求使移運(yùn)性能方便快捷，有效地解決搬運(yùn)、存放和工具配件的儲存;安裝與拆卸更加簡便，同等功率下的鉆機(jī)力求總體尺寸盡可能的更小，更加適用于各種型號的鉆機(jī)及井架，使結(jié)構(gòu)緊湊合理、性能可靠且便于維修。

[參考文獻(xiàn)]

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