石油鉆機提升系統分析與應用

劉德智，蔣洪波，李前佑

（中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

油氣勘探與開發的過程中應用到的成套鉆井設備被稱為石油鉆機，提升系統作為其中的核心結構在鉆井過程中起到不可或缺的重要作用，提升系統需要在提升與下放鉆頭的過程中對鉆頭所實施的鉆壓進行控制，同時還要對井壁的套管進行下放并加固，為促進石油鉆機系統的未來發展，將根據上述內容對石油鉆機提升系統展開分析。

1 提升系統分析

1.1 絞車式提升系統

絞車式提升系統主要被應用于傳統的石油鉆機結構形式當中，就目前而言，其所具備的較為成熟的技術基礎使得絞車式提升系統依然廣泛地活躍在各大石油開采基地[1]。絞車式提升系統的主要結構被分為井架、游動系統及絞車等，同時絞車式提升系統還可以細分為單絞車式提升系統與雙絞車式提升系統兩種。

其中雙絞車式提升系統就是將單絞車式提升系統的死繩端改成為1 臺絞車，在運作過程中這兩臺絞車都會同時進行提升，絞車結構主要由天車、絞車、游車組成，而死繩端只有雙絞車才有。從效率層面來進行考量則需要根據API 8C 標準來進行計算，在研究計算的過程中可以發現，雙絞車提升系統相對于單絞車提升系統具備更高的效率，也對石油鉆機的能力有一定的提升[2]。

1.2 液壓式提升系統

雖然液壓式提升系統尚未完全普及，其也是目前較為先進的石油鉆機提升系統，但是在陸地以及海洋鉆井設備上的利用率還較低，其主要結構由液壓缸、井架以及游動滑車、構載和死繩端組成。液壓式提升系統在結構上并沒有在動滑輪和定滑輪之間設置鋼絲繩纏繞，所以該系統的繩系效率較高，在結構內的頂驅提升速度基本上是液壓缸運動速度的兩倍左右。

2 提升系統應用

2.1 絞車式提升系統

絞車式提升系統在陸地與海洋平臺上的鉆井設備中的使用率較高，并且在提升能力上也有著較為優秀的表現，接下來將針對其中應用頻次較高的幾大平臺進行簡要介紹。

（1）石油981 半潛式海洋鉆井平臺在作業過程中主要采取單絞車提升方式、天車補償系統以及一個半的井架結構相互配合的方式進行石油鉆井，其提升能力為907 t 左右，且石油981半潛式海洋鉆井平臺是不能夠在水深3000 m 以下的海域進行鉆探操作的，實際鉆井深度可以達到10 000 m 左右。

（2）馬士基雙井架作業平臺則在雙井口井架當中配合采用天車補償系統，這兩個井口井架也分別采用了單絞車提升系統，并且這兩個單絞車提升系統在運行過程中都保持在左右對稱安置的狀態。但是雙井口井架二者之間存在主次之分，其在提升能力上存在一定的差別，目前在馬士基已經建立多臺雙井架作業平臺用于石油鉆探。

（3）HUISMAN 公司所研發的多功能鉆井塔，該鉆井塔所采用并不是傳統的井架結構，而是采取鉆井塔與雙滾筒絞車提升系統相互配合的方式來完成石油開采的，雙滾筒絞車其本身在運行過程中具備主動補償功能，并且為提升整體的運行性能，還專門配備快速換繩滑輪組，根據現場實際開采過程中的不同工況來進行繩系的變化，綜合提升多功能鉆井塔的運行效率和減小系統冗余性，相對而言由HUISMAN 公司所研發的多功能鉆井塔是比較先進的一項石油鉆井技術，并且有著較多的創新點，在費用允許的情況下是非常值得推薦的一套設備[3]。

2.2 液壓式提升系統

由于液壓式提升系統還沒有進入全面推廣的階段，只有少數的陸地鉆井與海洋平臺使用的是液壓式提升系統，并且基本上設備與應用經驗大部分來自發達國家。將針對其中四個液壓式提升系統進行分別闡述。

（1）意大利Drillmec 公司所研發的液壓鉆機A-HEAD375，該類型液壓式提升系統主要采取伸縮式井架與油缸進行上下運動，鉆探過程中天車與井架一同升降并且運用兩個單根與一個立根相互配合的方式進行起下鉆，整體大鉤載荷可以達到340 t，而鉆井深度可以達到6000 m，具備較高的機械自動化程度，在鉆機內部運用垂直鉆桿架代替原本的二層臺存放鉆桿，大大提升了鉆井效率和安全性。

（2）遼寧陸海石油裝備研究院有限公司所研發的液壓鉆機，其提升能力可以達到315 t，并且鉆井深度可達5000 m，該液壓式提升系統提升行程約為16m，并且主要運用單根的方式進行起下鉆，鉆機的整體也可以進行移動安裝，可以將一套器械運用于多個石油鉆探場次，在總體結構上還借鑒了意大利Drillmec公司的液壓鉆機結構形式，向國際先進水平靠攏。

（3）Herrenknecht Vertical 公司所研發的海洋平臺鉆井包Deep Drilling Rig Terra In-vnder 250 CL，該海洋平臺鉆井包最大鉤載荷可以達到250 t，整體井架高度大約在30 m，所采用的是液壓式提升系統，總行程為17.5 m，并且采用的是單根的方式進行起下鉆開采，目前這種海洋平臺主要被運用在自升式鉆井平臺當中。

（4）Frigstad 公司研發出當今世界上最先進的第七代半潛式鉆井平臺D90，其所采用的作業方式主要是雙井口井架配合AK-ER MH 液壓提升系統的結構來進行開采，或者是運用雙井口井架配合NOV 液壓提升系統相互配合的方式來進行鉆探開采。過程中采用液壓缸將游動滑車進行頂升從而對頂驅的上下運動起到控制作用，而兩個井口井架則作為游動滑車的軌道支撐，在運行過程中雙井口井架并不負責承擔主載荷。

3 系統比較

（1）在海洋與陸地鉆井當中針對絞車式提升系統的應用水平明顯高于液壓式提升系統，其在陸地和海洋鉆井設備當中的運用比重較大，但是在長期實踐過程中發現，由于絞車式提升系統的復雜結構與整體重量較大的原因，使得絞車式提升系統存在穩定性較差且重心較高的缺點[4]。而隨著技術的逐步改進，鉆機的提升能力也有一定提高，但與此同時也就需要結構更大的井架和功率更高的絞車來進行匹配，例如在海洋平臺上，由于井架和底座重量的緣故，往往會導致海洋平臺可變載荷的降低，在穩定使用與長遠發展上存在一定的劣勢。直至雙絞車的出現，將石油鉆井絞車的能力提升一個檔次，一定程度上提升石油鉆井開采的效率，但是其所占用的場地面積較大且重量較重，這也在限制這絞車式提升系統的發展，隨著開采需求的不斷加大，或許絞車式提升系統在未來的發展過程中所產生的瓶頸也會越來越顯著[5]。

（2）液壓式提升系統雖然在使用率上相比絞車式系統存在較大差異，但是其作為一種新型的提升方式已經在應用過程中展示了良好的性能。液壓式提升系統總體結構較為簡單，方便開采單位對其進行移動和裝卸，而井口井架在液壓式提升系統當中所起到的作用也僅僅是作為游動滑車的軌道支撐，是不需要對整個液壓式系統進行主載荷的制成的，所以在重量與結構上明顯相對于絞車式提升系統是存在較大優勢[6]。但由于液壓式提升系統在目前尚處于新技術的研發探索階段，所以國內在研發與制造上經驗明顯與國際水平不相符，國內比較優秀的石油機械設備制造公司針對液壓式系統的研究也大體上停留在借鑒與學習的階段。而液壓式提升系統目前的發展瓶頸不僅僅停留在技術層面之上，還有就是目前國內海洋工業領域所采用的液壓元器件也大體來源于國外，在原材料上也不存在良好的優勢，研發成本難以得到有效的控制，所以國內海洋工業的崛起與發展對于液壓式提升系統的實際研發也有著關鍵性的作用。

要想真正地扭轉現有的局面，行業內部的大體方向至少要從大載荷以及大流量的液壓元器件開始發展，逐漸地開始不依靠國外產品來進行生產研發，從而實現為國內石油開采行業提供更為經濟高效的設備基礎的目的。所以國內廠家應當盡快著手統籌布局液壓式提升系統的研究開發，爭取在國內市場提前站穩腳跟，并有效促進石油開采行業的蓬勃發展。

（3）在絞車式與液壓式提升系統的繩系效率上的比較來看，絞車式是低于液壓式的，而從結構組成上來看，液壓式提升系統也具有更多的優勢，并且液壓式提升系統具有相較于絞車式提升系統更好的穩定性。但是絞車式提升系統的應用范圍較廣且對環境的適應性是比起液壓式提升系統更強的，所以液壓式提升系統在未來的發展中需要在保證設備精密性的基礎上著重發展更強的環境適應性。而從目前的研發環境與成本上來看，絞車式提升系統相對而言技術發展更為成熟，且成本上具備一定的優勢，而液壓式提升系統雖然在技術上更為先進但也存在著高昂的研發成本。

4 結束語

由于石油鉆機提升系統在市面上目前具備絞車式與液壓式兩種提升方式類型，在針對這兩種類型的應用現狀、優勢和結構形式以及優缺點進行具體分析后，發現液壓式石油鉆機提升系統的性能表現更為突出，相信會在今后的實踐與探索過程中發揮出越來越顯著的作用。