適用于海上鉆修機標準的液壓舉升裝置適用性分析

王莉，袁則名，和鵬飛，吳事難，張勝寶，倪益民

1.中海油能源發展股份有限公司邊際油田開發項目組 （天津 300452）

2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司 （天津 300452）

根據統計可知，目前中海油國內油田有相當一部分平臺配置的修井機作業能力較低（提升能力90 t及以下），由于作業能力有限，滿足不了海上油田的側鉆要求，當需要進行側鉆作業時只能動用鉆井平臺或者搬遷作業能力更強的修井機，而使用鉆井平臺或搬遷修井機則會導致鉆完井費用高昂。為解決上述問題筆者及研究團隊開展了大量的調研，發現使用液壓舉升設備可有效解決上述問題。

1 液壓舉升裝置簡介

液壓舉升裝置（包括舉升系統、旋轉系統、循環系統）具有重量輕、結構簡單、占用場地小、安裝方便等優點，是一種通過液壓缸活塞往復運動提升、下放油管或井下工具的作業設備，如圖1所示。

圖1 液壓舉升裝置關鍵設備

區別于常規鉆井裝置，液壓舉升裝置通過上下工作籃之間的4個液壓缸配合游動卡瓦和固定卡瓦交替抱緊管柱，實現常規鉆井中的提升和下放作業，作業原理如圖2所示。

圖2 液壓舉升裝置下放管串運行原理

作業步驟如下：①固定卡瓦解封，游動卡瓦抱緊，準備提升鉆具；②游動卡瓦解封，固定卡瓦抱緊，鉆具固定于鉆臺；③重復步驟（1）和步驟（2），實現起出管串。

液壓舉升裝置不具備常規鉆井、修井作業裝置的A 型或塔型井架，但該裝置配備有液壓可升降桅桿（高度約16.76 m），以方便工具串的吊運和連接標準長度的鉆修采工具（最長工具標準長度13.72 m）。該裝置配備兩部絞車和用來上卸扣的液壓大鉗輔助鉆井作業，表1列出了典型340 K液壓舉升裝置的關鍵參數。

表1 典型340 K液壓舉升裝置參數

2 液壓舉升裝置側鉆作業功能性分析

鉆井作業是一項系統性工程，從鉆開表層到打開側鉆油氣通道，中間涉及舉升系統、旋轉系統、循環固控系統聯合作業，期間需要錄井系統、控制系統為現場作業決策提供支持，井控系統更是必不可少。液壓舉升裝置與常規絞車動力的A型或塔型井架的鉆井機械結構的差別主要在于舉升系統和旋轉系統，在這里對液壓舉升裝置側鉆作業的功能性舉升能力及旋轉能力與行業標準規范進行對比分析。

2.1 舉升系統

液壓舉升裝置的舉升系統由4 個液壓缸、游動卡瓦和固定卡瓦組成。液壓缸代替常規作業裝置中的動力輸出部分（鉆井絞車）；游動卡瓦作為上提和下放作業抱緊管串的天車、游車和吊卡；固定卡瓦相當于鉆井作業時防止管串下滑的安全卡瓦。起下作業過程原理如圖2 所示，滿足在鉆完井作業過程中的起、下鉆功能。鉆機的基本參數見表2[1]。

表2 鉆機基本參數

4 個液壓缸能夠提供約154 t 的上提力，根據鉆機參數來看數值介于ZJ20/1350和ZJ30/1800鉆機之間，使用127 mm 鉆桿作業井深在1 100～2 500 m。從渤海油田近年來使用修井機作業的側鉆井的數據看（表3），154 t的上提能力能夠覆蓋所有的案例。

選取渤海油田使用修井機側鉆作業最深的井為例，參考行業標準對鉆井完成作業中的最大鉤載（舉開力）進行計算[2-3]。以渤海油田某井為例，該井管柱垂直投影長度1 170 m、水平投影長度2 560 m、摩擦系數0.25，經過計算得到：鉆機的最大鉤載≥136.713 t，液壓舉升裝置能夠滿足該井側鉆作業需求。

表3 修井機單一尺寸井眼參數

2.2 旋轉系統

液壓舉升裝置可以在上工作籃配備獨立的轉盤，工作時類似于鉆井平臺上的轉盤，該裝置能夠直接抱緊工具串進行旋轉，因此不需要方鉆桿。作業時能夠在100 r/min 轉速下，提供達到31 kN·m 扭矩，滿足在鉆井作業過程中的旋轉需求，根據統計數據來看，能夠覆蓋渤海灣修井機作業的側鉆井。

為使旋轉系統和循環系統聯合作業，該裝置使用彎頭連接考克的方式代替常規鉆井作業中的水龍頭，缺點是不具備上卸扣功能，需要配合液壓大鉗對考克和鉆桿之間的連接進行上卸扣。

在標準中對40/2250（229 t）鉆機有統一的最低要求[1-3]，見表4。目前該裝置配備轉盤的輸出扭矩能夠滿足40/2250（229 t）鉆機的要求。根據渤海灣修井機作業側鉆井數據，215.9 mm 井眼和152.4 mm井眼在正常鉆進時，轉速一般維持在60 r/min 左右，典型340 K 液壓舉升裝置配備的轉盤能夠滿足作業需求。

表4 40/2250（229 t）鉆機轉盤標準要求

2.3 循環固控系統

典型340 K 液壓舉升裝置配有簡單的循環系統，包括一臺ZB400 泥漿泵、低功率振動篩，不包括三級固控設備。由于泥漿池可以選配，這里不做分析。

渤海灣修井機作業的側鉆井最大排量約為2 400 L/min，最大泵壓約為20 MPa，按標準[2-3]要求配備的設備功率

式中：ηy為鉆井泵的容積效率，0.95；ηj為鉆井泵的機械效率，0.90；Q 為各井段的排量，L/s；p 為各井段與排量相對應的泵壓，MPa；J為經驗系數，0.80。

根據以上計算，該裝置應配備工作功率在644HP以上的泥漿泵。

根據渤海油田修井機側鉆井統計結果，滿足2 400 L/min 排量要求即可覆蓋目標市場，即處理能力為144 m3/h，低于標準要求的181.5 m3/h，除此之外包括振動篩在內的固控設備也是鉆井作業過程中不可或缺的關鍵設備[4]，在實際使用過程中按照固控系統標準配置即可滿足使用需求。

2.4 鉆井支持系統

鉆井支持系統一般放置在海上石油固定平臺甲板上，主要由柴油發電機組、燃油罐、空氣壓縮機及儲氣罐、電氣傳動控制系統、鉆井液池、鉆井泵及輔助設備、管子堆場、管線及電纜橋架等組成[5-7]，為鉆機提供作業支持的設備和結構。上述鉆井支持系統均可以根據標準進行選配。

3 結論

液壓舉升裝置及其關鍵設備進行完修井作業已經在國內外得到應用，通過本文的分析研究可以得出以下結論。

1）典型340 K 液壓舉升裝置可應用到海上平臺進行側鉆作業，但需對目前配置的循環系統進行改進，并按照作業要求配備固井系統、測井系統、錄井系統。

2）液壓舉升裝置的關鍵設備能力（舉升系統、旋轉系統）能夠覆蓋渤海灣修井機已鉆側鉆井對設備的需求。