石油鉆機提升系統分析與應用

陸彥博 宋云鵬 李睿明

摘要：鉆機提升系統作為石油鉆機的核心，在起下鉆等作業流程中起著至關重要的作用，按照提升方式的不同將鉆機提升系統分為了絞車式和液壓式提升系統，對兩種提升系統的結構組成進行了分析，并調研了國內外提升系統的應用狀況，最后對兩種提升系統的優缺點進行了總結分析。可以預見，具備先進性的液壓式提升系統會在今后的石油鉆機中占據重要地位。

關鍵詞：油鉆機；提升系統；絞車式；液壓式

1提升系統分析

1.1絞車式提升系統

絞車式提升系統較為傳統，技術成熟，使用率較高，該系統主要由井架、游動系統、絞車等組成，并且出現了單絞車和雙絞車提升之分。其中雙絞車提升系統是將單絞車提升系統的死繩端也變為一臺絞車，兩臺絞車同時提升，根據API8C標準內有關效率計算的要求，通過對繩系效率的計算可以發現，雙絞車提升系統在繩系效率上比單絞車提升系統有一定的提高，并且可以進一步增大鉆機的提升能力，在一定程度上促進了石油鉆機的發展。

1.2液壓式提升系統

液壓式提升系統較為先進，在陸地及海洋鉆井設備上實際使用率較低，該系統主要由液壓缸、井架、游動滑車等組成，結構形式如圖2，這種提升系統沒有動定滑輪之間的鋼絲繩纏繞，系統的繩系效率很高，并且，頂驅的提升速度是液壓缸運動速度的2倍。

2石油鉆機提升系統關鍵件熱處理質量問題分析

目前存在的主要問題是：經過熱處理后，工件的塑性指標能夠達到要求，韌性靠近下限，而強度偏低。按屈服強度校核的安全系數為2.30～2.40，與所設計的安全系數2.79相比略低，但在使用中從未發生任何事故。

盡管在使用過程中從未發生任何事故，但生產企業為了與國際標準接軌，增加產品在國際市場的競爭實力，決定對該問題進行分析和研究。經過全面、細致的分析表明，石油鉆機提升系統關鍵件強度和韌性不足的根本原因是：最初的設計沒有考慮到工件強度和工件尺寸之間的匹配關系（尺寸效應），原設計指標按有關國家標準制訂，但該標準中試樣尺寸為25mm（淬火介質：油），而實際工件直徑都在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，受尺寸效應的影響，工件的淬硬層較淺，使工件截面上強度分布不均，且較低，在檢測部位1/3R處強度、韌性無法滿足技術要求。

針對上述原因，在不改變工件的整體結構、不影響與其它零部件的裝配關系的前提下，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，對于該截面尺寸的工件，能完全滿足性能要求，但價格遠遠高于42CrMo鋼。

（2）工藝方面：強化淬火冷卻。如采用水淬，力學性能也完全滿足要求，但易淬裂。通過調查發現，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，既提高了淬硬層深，又避免了淬火開裂，但工藝麻煩，需要經常調整。

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

3提升系統應用

3.1絞車式提升系統應用

目前大部分陸地和海洋平臺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。

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

（2）馬士基雙井架作業平臺，采用雙井口井架，配備天車補償系統，雙井口分別采用單絞車提升方式。兩臺絞車左右兩側對稱布置，雙井口有主輔之分，提升能力存在差別，馬士基建造了數臺該類型的鉆井平臺。

（3）HUISMAN公司的多功能鉆井塔，鉆井塔取代了傳統井架結構，采用雙滾筒絞車提升方式，雙滾筒絞車具備主動補償功能，并且配備了快速換繩滑輪組，可根據不同工況變換繩系，以提高提升系統冗余性和效率。該產品技術較為先進，創新點較多。

3.2液壓式提升系統應用

目前，有少數陸地鉆機及海洋平臺使用液壓式提升系統這種方式，由于其較為先進的技術，產品多為國外廠家制造。

（1）意大利Drillmec公司的液壓鉆機A-HEAD375，伸縮式井架依靠油缸上下運動，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，自動化程度高。該鉆機采用垂直鉆桿架取代傳統二層臺存放鉆桿。

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

（4）Frigstad公司設計的全球最先進的第七代半潛式鉆井平臺D90，采用雙井口作業方式，配備AK-ERMH或NOV的液壓提升系統。通過液壓缸頂升游動滑車來控制頂驅上下運動，井架作為游動滑車的軌道支撐，不承擔主載荷。

4提升系統比較

通過對比分析發現，絞車式提升系統因其較為成熟的技術，在陸地和海洋鉆機中占有很大的比重，但由于其復雜的結構和較大的重量，使其重心較高，穩定性較差。當今鉆機的提升能力越來越強，這就需要結構更大的井架和功率更高的絞車與之匹配，在海洋平臺上，井架和底座重量的上升會降低平臺可變載荷，不利于平臺的長遠發展﹔雙絞車的出現對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的發展，但雙絞車較大的重量、復雜的結構和控制等缺點也制約了其進一步發展。因此，隨著石油鉆機鉆井能力的不斷提升，絞車式提升系統的發展瓶頸會越來越突出。

液壓式提升系統作為一種新型的提升方式，在這方面具有很好的優勢，該提升系統結構簡單，井架只是作為游動滑車的軌道支撐，不承擔主載荷，重量會降低很多，穩定性也有很大提升，優勢比較明顯，但液壓式提升系統的重難點在于液壓系統的研發和制造，現今海工領域的液壓元器件基本采用國外產品，成本較高，國內對這種大載荷、大流量的液壓元器件研發較少，較為依賴國外產品，研發難度較大。但可以確信的是，液壓式提升系統的優勢非常明顯，會在石油鉆機領域占據更多的市場和地位。國內廠家應盡早對該類提升系統布局研發，力爭占據一席之地。

結束語：

根據鉆機提升系統提升方式的不同，將鉆機提升系統分為了絞車式和液壓式提升系統，通過分析兩類提升系統的結構形式，調研了國內外兩種類型提升系統的應用現狀，總結并比較了兩類提升系統的優缺點。可以預見，液壓式提升系統作為先進性的代表，在今后的石油鉆機中會占據越來越重要的地位。

參考文獻

[1]陳永麗，王愛江，劉彩賢.石油鉆機提升系統吊環鑄鋼件內部缺陷解決方案[J].鑄造.2017（01）

[2]路明.探討海洋鉆機提升系統中的設備故障及預處理措施[J].中小企業管理與科技（上旬刊）.2018（08）

（作者單位：中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司）