石油鉆機的可靠度與維修規(guī)則探析

王基龍，楊中興，王德余

（1.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100028；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300450）

石油鉆機的可靠性主要基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計作為可靠性的基礎(chǔ)，考慮隨機影響因素的可靠性指標(biāo)作為評價石油鉆機可靠性的標(biāo)準(zhǔn)。評估和分析石油鉆機可靠性的過程包括全面的技術(shù)，例如數(shù)學(xué)故障、物理故障、診斷和監(jiān)視與維護(hù)技術(shù)的生產(chǎn)和應(yīng)用以及跨科學(xué)應(yīng)用。石油鉆機可靠性理論的發(fā)展始于1980年代初期。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，它已逐漸擴展到建筑、石油化工和化學(xué)工業(yè)，而石油鉆機可靠性的基本原理可以為石油工業(yè)的管理和維護(hù)決策提供依據(jù)，為確保我國石油工業(yè)持續(xù)有效發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 石油鉆機各部分可靠度計算

1.1 石油鉆機零件使用時間的計算

石油鉆機各部分的使用壽命因材料、使用方法和使用頻率的不同而不同。因此，有必要通過一個特定的計算公式來計算石油鉆機各組成部分的使用壽命：S=井?dāng)?shù)/系統(tǒng)故障數(shù)。在此計算中，S代表無故障石油鉆機各個組件的平均使用時間。例如，可以通過調(diào)查確定鉆機的泵房數(shù)量和系統(tǒng)故障數(shù)量，計算后使用的平均泵房數(shù)量為48口井。

1.2 石油鉆機的可靠性

機電設(shè)備發(fā)生故障的可能性通常隨著使用時間的增加而增加，這降低了設(shè)備的可靠性。在石油鉆機中，這種情況通常用指數(shù)分布法表示，在指數(shù)分布中主要有兩個主要參數(shù)分布：兩個參數(shù)和一個參數(shù)。設(shè)備的生產(chǎn)和組裝過程中會發(fā)生許多錯誤。由于此類錯誤存在于設(shè)備使用的早期階段，因此在計算石油鉆機的可靠性時，更適合使用單參數(shù)指數(shù)分布方法。主要參數(shù)包括：設(shè)備故障率A=1/a（a是設(shè)備規(guī)模參數(shù)的平均值），累積分布公式：F=1-e，分布密度公式： f=e-t，設(shè)備可靠性公式：R=e-t。在石油鉆機維護(hù)期間，通常在計算中使用每個鉆機的可靠性公式。設(shè)備運行一段時間后，可以收集并計算設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)，獲得設(shè)備的可靠性，并對設(shè)備進(jìn)行分析。

2 石油鉆機應(yīng)用設(shè)備與維修模型

2.1 石油鉆采設(shè)備應(yīng)用

由于鉆探工程的質(zhì)量與水平井的開采有著密不可分的關(guān)系，為了更順暢地利用深部水平井，有必要以更加科學(xué)的方式對工程質(zhì)量進(jìn)行評估，并確保工程質(zhì)量。通常情況下，深水平井多級復(fù)合深穿透定向鉆井技術(shù)的動力設(shè)備主要包括定向鉆機、泥漿泵等。其中，定向鉆機可以選擇中煤集團西安研究院開發(fā)的ZDY6000LD履帶式全液壓鉆機，具有自推進(jìn)性好，轉(zhuǎn)速低，扭矩大等特點。鉆機的參數(shù)主要包括最大扭矩6000Nm，最大供給壓力180kN，最大牽引壓力180kN，主軸傾斜角-1020。泥漿泵主要可以選擇BW300/12B三缸臥式、活塞泵。設(shè)備的固定動力排量最大排量為300L/min，最大壓力為12MPa，這是一個可調(diào)節(jié)的機構(gòu)，共有4個檔位，分別對應(yīng)4組排量和極限壓力。鉆進(jìn)時可采用排量為194L/min，極限壓力為9MPa的高速檔。同時，用于深水平井的多級復(fù)合深穿透定向鉆井技術(shù)的鉆井工具主要包括鉆桿，鉆頭和螺紋鉆具。一般情況下，鉆桿長1.5m，外平鉆桿73mm，長3m，73mm鉆桿和73mm非磁性鉆桿，如轉(zhuǎn)向力，進(jìn)給力和拉力等，96mmPDC4翼鉆頭主要用于旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)及后續(xù)定位用于鉆孔時，94/153mmPDC鉆頭和153/193mmPDC鉆頭主要用于旋轉(zhuǎn)擴孔。同樣，在正常情況下，可以使用YHD1-1000測量系統(tǒng)來實現(xiàn)在施工過程中選擇的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由防爆計算機，測頭和數(shù)據(jù)線組成，同時也是在深水平井區(qū)順利應(yīng)用深水平井多級復(fù)雜深穿透定向鉆井技術(shù)的主要內(nèi)容。 YHD1-1000測量系統(tǒng)可以在實際運行過程中測量并記錄相應(yīng)的評估參數(shù)，并同時在顯示屏上顯示相應(yīng)的設(shè)計和實際石化運行軌跡。同時，評估測量系統(tǒng)可以測量深水平井中探頭的特定位置，并計算深水平井的巖石，儲層位置，巖石強度和其他參數(shù)，為后續(xù)參數(shù)處理提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.2 石油鉆機維修模型

石油鉆機主要由12個部件組成，包括轉(zhuǎn)盤、泵室、壓縮機、水龍頭、游溝、齒輪箱、井架、泥漿泵、起重機、底座、絞車和鉆臺。如果石油鉆機部件的可靠性降低，那么石油鉆機整個系統(tǒng)的可靠性系數(shù)將相應(yīng)降低，此時必須對石油鉆機進(jìn)行維修。石油工程中的石油鉆機經(jīng)過不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，并在此基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，因此石油鉆機本身具有很高的自動化性能。它嚴(yán)重依賴計算機，這種設(shè)備本身具有許多特點，例如人力，物力和財力低，運行質(zhì)量高，運行成本低。因為石油工程大量使用這些類型的設(shè)備，所以石油鉆機的磨損也更快，并且需要經(jīng)常的日常維護(hù)。此外，石油鉆機在運行的第一年不需要更換零件，因此不太可能發(fā)生故障。如果石油鉆機在使用后一年內(nèi)發(fā)生故障，則主要原因是安裝或生產(chǎn)。假設(shè)石油鉆機可以正常工作5年，表1中顯示了零件更換模型。

3 石油鉆機的維修規(guī)則

從上面的油井零件更換模型表中可以得出結(jié)論，設(shè)備各個零件的更換時間和更換頻率有很大不同。收集和分析實際數(shù)據(jù)以及有效的公式計算可以從以下幾個方面得出石油鉆機的維護(hù)規(guī)則：

首先，如果在鉆機運行一定時期內(nèi)需要更換新設(shè)備，并且設(shè)備數(shù)量少（少于鉆機總零件的30%），則應(yīng)進(jìn)行小檢查。

其次，如果在一定時期內(nèi)要更換的石油鉆機的零件總數(shù)占石油鉆機總數(shù)的30%～50%，則該石油鉆機必須采用中間維護(hù)規(guī)則。

表1 零件更換時間

最后，如果在一定時期內(nèi)需要在石油鉆機作業(yè)期間更換的石油鉆機零件總數(shù)超過了石油鉆機零件總數(shù)的50%，則必須實施大規(guī)模或完整的解決方案以使用專用設(shè)備。

在特定的操作中，相關(guān)的維護(hù)人員應(yīng)該能夠根據(jù)特定的情況和上述數(shù)據(jù)模型獲得特定的維護(hù)時間和檢查范圍，從而可以最大程度地確保石油鉆機的有效運行。根據(jù)石油鉆機的維護(hù)規(guī)則和上表中的數(shù)據(jù)，可以計算設(shè)備的維護(hù)計劃：在設(shè)備運行的第二年，鉆探頻率為36小時。在36到36+10的時間內(nèi)，石油鉆機共有兩個更換部件，即轉(zhuǎn)盤和壓縮機，因此可以維修當(dāng)前的石油鉆機。在設(shè)備運行的第三年中，當(dāng)鉆井頻率為71時，即從71到71+10期間，必須更換石油鉆機的三個部分，即轉(zhuǎn)盤，浮鉤和壓縮機。鉆井設(shè)備可以維修。在設(shè)備運行的第五年中，當(dāng)鉆井頻率為141時，有必要在141至141+10的期間內(nèi)總共更換石油鉆機的5個部分：泵室、轉(zhuǎn)盤、自由鉤、水龍頭和壓縮機。因此，可以在此時檢查抽油裝置。

4 結(jié)語

一般來說，石油鉆機的可靠性和維護(hù)規(guī)則已成為石油鉆機檢查和維護(hù)的重要標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)人員應(yīng)在實際工作中根據(jù)其他實際情況對石油鉆機的可靠性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。通過相應(yīng)的規(guī)定，對鉆機進(jìn)行維護(hù)，提高鉆機工作質(zhì)量，確保采油業(yè)健康發(fā)展。