旋轉提升短節鉆井工具開發與應用

王小紅，廖志勇，李占柱

（川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

在鉆井作業現場，安裝、拆卸鉆鋌是一件很費時、費力且需要多人配合有一定安全風險的工作，不管是否配備頂驅，都存在上述問題，為便于了解現場實際，將鉆井作業接頂驅的方法分成兩部分詳解。

1 無頂驅鉆機接鉆鋌的方法

由于鉆鋌在整個鉆具的下部分，目前氣井施工所需鉆鋌大部分為7英寸，8英寸，少部分為英寸及其他規格。一般鉆鋌的配備數量為（120～200）m，單根鉆鋌重量一般為（1.5～2）t。沒有配備頂驅的鉆機，接鉆鋌（單根，立柱）的方法就是通過人工推鏈鉗的方式先實現引扣，最后用B型吊鉗緊扣。拆卸方法基本相同。

（1）接鉆鋌單根的方法。不需要卸掉方鉆桿，用提絲提鉆鋌單根入小鼠洞，然后直接在小鼠洞方面接鉆鋌單根。

（2）接鉆鋌立柱的方法。接兩根及以上鉆鋌首先需要將水龍頭及方鉆桿入大鼠洞；再用提升短節將單根鉆鋌入小鼠洞，上卡瓦，再提1根鉆鋌入鼠洞用大鉤接鉆鋌，大鉤鎖銷必須打開，接第三根時需要司鉆配合好，上提合適的力量。為了方便接鉆鋌單根或立柱，大鉤必須能自由旋轉。

（3）存在的問題。接鉆鋌立柱盡管工作多年，但是工人推鏈鉗仍然很費力，有時甚至需要（3～5）人推鏈鉗，上2個鏈鉗，這當然與司鉆技術有很大關系。

2 配備頂驅鉆機接鉆鋌的方法

接鉆鋌單根的方法。如果沒打開井口，先用提絲吊鉆鋌入小鼠洞，然后用提升短節替代提絲（必須緊扣），再繼續在小鼠洞用頂驅接接第二根鉆鋌最后是第三根鉆鋌。如果井口已經打開，且有鉆具在井下，則需在井口接單根鉆鋌。

接鉆鋌立柱的方法。在小鼠洞用頂驅接成立柱，將立柱提到立根臺上面，鉆頭已經入境井則直接在井口接鉆鋌立柱。

（1）存在的問題。由于鉆鋌比較重，推單根鉆鋌引扣時，用雙鏈鉗（3～4）人基本可以推動；但是如果接兩根及以上鉆鋌時，現場有兩種方法：一種是上面頂驅牛頭吊卡防松或略微上提一些力量，人工用雙鏈鉗強行推，有時需要（4～6）人，鏈鉗經常推斷，一口井有時損壞鏈鉗（3～4）把。另一種方法：對于鉆鋌規格更大的鉆機，由于鉆鋌太重（僅7英寸鉆鋌立柱3根重量達到5.7 t，9英寸及以上的更重），井隊人員根本無法推動鉆鋌立柱，鉆井隊用轉盤反轉的方法接鉆鋌，這種方法實際井下風險很大（井下鉆具落井，鉆臺鉆具甩飛風險），用轉盤正反轉上卸扣屬于違章操作，但是無法解決此類問題屬無奈之舉。

（2）風險。主要有3個方面的風險，淤多人在井口或小鼠洞周邊費力推鉆鋌，因鉆臺空間受限及井口工具多，再考慮環境因素，有一定的安全風險；于費力、費時、費工具，勞動強度大，工效低，一般一口井扳斷多根鏈鉗；盂上扣的鉆具（包括接頭等）存在倒扣的可能。

（3）小結。沒有配備頂驅的井隊，通過大鉤的配合，接鉆鋌立柱盡管費力工效慢但問題不太大。配頂驅的井隊，因鉆鋌立柱太慢需要多人推，安全風險大甚至推不動，只能采取違章辦法接鉆鋌立柱。因此，現場存在急需解決的問題。

3 頂驅旋轉頭不能負重旋轉的原因分析

（1）問題的提出。配備有頂驅的鉆井隊，假設旋轉頭可以負重旋轉（負重旋轉能力逸50 t），從理論上講，則可以通過旋轉頭正反轉負重轉動，來實現對鉆鋌的引扣，但是目前市場上還沒有這種頂驅，通過一下分析可以了解旋轉頭不能負重旋轉的原因。

（2）頂驅旋轉頭負重旋轉會導致設備損壞。頂驅對鉆具的正反轉旋轉是通過主軸驅動，旋轉頭可以360°正反轉，在傾斜液缸的配合下，主要作用是實現吊卡伸到一定位置取放鉆具。目前市場上所有頂驅旋轉頭，均無法實現負重鉆具旋轉，這是由頂驅的結構特點決定的。

（3）小結。從理論上說，可以改進頂驅的結構來實現旋轉頭負重旋轉，但這需要對頂驅的整體結構進行大改動，由于自1982年第一部頂驅產出以來，還沒有旋轉頭可以負重旋轉的頂驅，且頂驅產品已成熟，因此對成熟產品進行系統改進設計需要時間和實踐驗證，周期長、費用無法預測。所以，解決該類問題需要換個思路，可以考慮設計配備一種工具來解決問題。

4 旋轉提升短節鉆井工具設計方案簡介

既然頂驅的結構特點決定了旋轉頭無法實現負重旋轉，否則會很容易導致設備損壞?，F場接鉆鋌又存在費時費力、安全風險大且鉆具存在倒扣的可能。因此，可以考慮設計一個工具既實現鉆具自由旋轉，又不損壞頂驅設備來解決此類問題?；舅悸肥窃O計越簡單越好，本著安全實用且簡單的原則設計一個工具。經過溝通，旋轉提升短節的結構初具雛形，由于北京石油機械廠（長慶戰略合作單位），設計、加工產品，費用由北石承擔。

（1）旋轉提升短節的技術特征。要求旋轉提升短節的基本功能是提升一根短節，在吊卡提升最大懸重工況下可自由旋轉，具有轉動靈活、安全可靠的特點。應用旋轉提升短節，可極大地降低勞動強度和提高作業效率，可有效減少或避免人身傷害的發生。

（2）旋轉提升短節所用軸承的選擇。徑向球軸承、軸向圓柱推力軸承為德國SKF公司生產自潤滑產品，軸承可以承受93 t靜載荷，承受40 t動載荷不失效。在工廠內試驗，實際達到100 t靜載荷不失效，提升短節下部實現無阻礙旋轉。

5 旋轉提升短節在現場的試驗

（1）現場試驗的人員。機械工程師、安全管理人員、鉆井技術工程師，井隊技術人員及大班人員，HSE（Health Safety Environ-ment，健康、安全和環境管理）駐井監督員。

（2）試驗工況。某鉆井隊搬家就位后第一次接鉆頭、接鉆鋌下鉆準備打表層。

（3）試驗的HSE工作。準備試驗前召開了HSE會議，參加人員主要是參加試驗人員及井隊操作人員。試驗前做了JSA（Job Safety Analysis，工作安全分析），因是用旋轉提升短節取代原來固定式提升短節，屬于一般設備變更，對設備做了變更。分析了風險并制定了消減風險的措施，試驗中HSE需旁站監督。

6 現場試驗效果評價

（1）省時。同比利用常規提升短節（不可旋轉）提升鉆鋌連接的工藝，作業效率可以提高100%～200%。由于采用常規提升短節不能旋轉，當提升兩根及以上的鉆鋌時，人工很難轉動，只能采用雙鏈鉗大力多人推著轉，或用雙B型鉗間隔性的引扣，受B型鉗鋼絲繩行程限制，每次引扣不到半圈，完成一次上扣特別耗時。采用旋轉提升短節后，僅需要一人即可利用鏈鉗帶動鉆鋌實現完整圓周轉動，鉆鋌轉動阻力力矩約300 N·m，一個人很容易轉動單根鉆鋌或立柱，大大節省了上扣時間。

（2）省力。過去利用常規提升短節，如果人工引扣，需要（4～6）人用2個鏈鉗才能勉強扳動鉆鋌立柱，甚至時常把鏈鉗扳斷，過去1口井正常損壞鏈鉗（2～4）把。現在利用旋轉提升短節，1個人可以很輕松地利用鏈鉗盤動鉆鋌實現引扣。

7 改進與提高

（1）基本情況。前期設計資料查詢、從在現場試驗等來看，旋轉提升短節是一種新型的提升工具，屬于國內首創，國外的該類產品目前還沒有在市場上見過。該產品可以有效地解決常規鉆鋌連接時不能或者難以旋轉的瓶頸，規避了作業時的風險，帶來了安全、高效、便捷、經濟的益處。此外，還可以對于其他類似鉆具的連接提供了一種成功的解決方案。在“以人為本、安全生產“為永恒主題的人類社會，新技術、新產品、新工藝的開發和應用應服務于、服務好這個主題。這是工程技術創新的出發點和落腳點。

（2）制造設計手段。該旋轉提升短節采用CAD/CAE技術設計，采用ANSYS及API RP 7G模擬分析及計算驗證，主體采用進口優質合金鋼經過特殊熱處理工藝加工而成，軸承、密封等重要元器件采用德國、美國原產國際知名品牌，系統設計安全系數>5，試驗載荷達到額定載荷的2.5倍，產品通過了API Spec.7-1認證，產品具有質量可靠、性能穩定，操作簡易，易于維護的特點。

（3）改進思路。根據現場試驗情況，需要做2個方面的改進：其一，由于試驗的旋轉提升短節長度為1150 mm，現場絕大部分提升短節長度為2 m，這樣吊卡在短節本體活動空間大，便于扣合吊卡，鉆具組合也便于在二層臺指梁附件固定。其二，短節上面的提環需要取消，短節的上部分可以加工成母扣。

（4）工具的配備。配備旋轉提升短節的數量與規格要根據鉆機配備的鉆鋌數量與規格來確定。

8 總結

根據鉆井作業現場存在的問題來設計的鉆井工具，從設計方案的提出、設計思路的梳理到現場試驗，基本符合新產品開發流程，從試驗效果來看，解決了現場存在的問題，后續需要再改進、再試驗以實現產品成熟。