低温钻机保温加热系统设计

刘占鹏，李增亮，许益民，田 中，李建军，孙中明

（1.中国石油大学机电工程学院，山东青岛266580；2.山东科瑞机械制造有限公司，山东东营257067；

3.中石化中原石油工程有限公司，河南，濮阳457001；4.渤海钻探工程公司第二钻井分公司，河北任丘065007；5.川庆钻探工程有限公司塔里木工程公司，新疆库尔勒841000）①

低温钻机保温加热系统设计

刘占鹏1，2，李增亮1，许益民2，田 中3，李建军4，孙中明5

（1.中国石油大学机电工程学院，山东青岛266580；2.山东科瑞机械制造有限公司，山东东营257067；

3.中石化中原石油工程有限公司，河南，濮阳457001；4.渤海钻探工程公司第二钻井分公司，河北任丘065007；5.川庆钻探工程有限公司塔里木工程公司，新疆库尔勒841000）①

高纬度地区蕴藏着丰富的油气资源，但该地区气温极低，普通钻机难以适应，需开发－45℃甚至更低环境温度下作业的钻机。依托国外某低温钻机项目，提出钻机在低温地区作业的综合解决方案，并研制出4 000 m低温钻机。现场应用表明，该钻机很好地满足了当地低温环境下的使用要求。

钻机；低温；加热；保温

相关资料表明，目前国内低温钻机设计多从低温材料研发着手，周期较长，成本较高［1-3］。针对此问题，提出了钻机在低温地区作业的综合解决方案：对钻井装备集中保温、加热，仅对暴露在外的井架、游吊系统等采用低温材料制造。

1 钻机保温及加热方案

1） 钻机保温系统分保温房保温、管道保温2部分。钻台区、固控区与二层台等工作场所，采用保温房保温，房体作保温装修；司钻房位于钻台保温房内；空气管线、补给管线、水管线作保温处理；发电机房、电控房、加热房内部作保温装修。

2） 钻机加热系统综合利用柴油暖风机加热、电加热与发电机组余热加热。固控区利用暖风机加热；钻台区利用发电机组余热与暖风机加热；二层台利用电加热器加热；发电机房利用发电机组热辐射加热；加热房利用暖风机热辐射加热；电控房、司钻房利用空调加热；补给管线、水管线利用电伴热带加热。

2 钻机保温系统

2.1 保温房结构设计

1） 固控保温房有14个保温单元，最高单元分上、中、下3层。上层顶棚呈拱形，既防止积雪又增加强度；下层与固控罐底座焊接，双层密封的罐底座结构可实现热空气在其中循环。各层间通过快拆式锁紧机构连接；各单元间采用低温橡胶密封。如图1。

图1 固控保温房

2） 钻台保温房以台面为界分上、下2层（如图2～3）。下层双开门式结构，作业时关闭，与底座箱体形成密闭空间；移运时打开，底座能横穿防喷器与井口。上层顶部四周向内弯曲，可有效减少台面热量散失。暖风机热量与发电机组余热通入下层，热空气由上层顶部溢出，使台面工作环境大为改善。

图2 钻台保温房下层

图3 钻台保温房上层

二层台保温房由防风墙与休息室组成（如图4）。防风墙围绕二层台四周，可有效阻挡高处寒风侵袭，休息室置于其中。休息室密封性好，内部做保温装修。防风墙与休息室内分别安装电加热器，为井架工提供较为舒适的工作场所。

图4 二层台保温房

2.2 保温房排风设计

固控保温房密封性较好，为防止可燃、有毒气体积聚，配备了气体检测系统与排风系统。气体检测系统由气体检测仪、控制器主机及报警灯组成，可实时显示报警并连锁启动排风系统；排风系统由房顶风机组成。

据固控区设备布置情况，保温房顶安装24台防爆轴流风机。溢气量最大的振动筛罐上方安装4台，其他罐上方各安装2台，泵装置上方各安装1台。风机轴承及润滑油脂均满足－45℃低温环境使用要求。

固控保温房容积3 000 m3，要求5 min内能将房内空气更换1次，则每小时换气12次。风机数量为24台。则单台风机最小排风量Qp＝3 000× 12／24＝1 500 m3／h。选用排风量1 700 m3／h、电机功率0.18 k W的防爆轴流风机。

2.3 保温装修热损失计算

聚苯乙烯塑料具有闭泡结构，抗水汽渗透能力强，可有效阻止热传导，并且质轻、耐低温，广泛用于工业保温。选用厚度δ1＝0.05 m的金属面聚苯乙烯夹心板作保温装修材料，导热率λ1＝0.035 W／（m·℃）；保温房墙壁采用δ2＝0.003 m厚钢板制作而成，热导率λ2＝48 W／（m·℃）。

保温墙壁热阻R＝δ1／λ1＋δ2／λ2≈1.428 m2·℃／W；内表面换热组取Ri＝0.11 m2·℃／W；外表面换热阻取Re＝0.04 m2·℃／W。则保温墙壁传热系数K＝1／（Ri＋R＋Re）≈0.633 W／（m2·℃）。

要求环境温度－45℃条件下，房内温度不低于15℃，则内外温差Δt＝15－（－45）＝60℃。

固控保温房散热面积Ag＝1 200 m2，则热损失功率Ps1＝Ag×Δt×K≈45.6 k W。

钻台保温房散热面积Az＝800 m2，则密封情况下热损失功率Ps2≈30.4 k W。

二层台防风墙外表面积Ae＝120 m2，则密封情况下热损失功率Ps3≈4.56 k W（其中休息室散热面积6 m2，热损失功率Ps4≈0.228 k W）。

发电机房外表面积Pf＝480 m3，则热损失功率Ps5≈18.24 kW。

3 钻机加热系统

3.1 保温房空气加热计算

柴油暖风机由加热器和风机组成，加热器以柴油为燃料将空气加热，风机通过管道将热空气送至保温房。房内温控器与传感器可连锁开启暖风机。

要求暖风机10 min内能将房内空气由－45℃加热至15℃。

0℃时干空气密度ρ＝1.29 kg／m3，固控保温房容积V＝3 000 m3，则房内空气质量m＝ρV＝3 870 kg。空气定容比热系数c＝0.718×kJ／（kg·℃），房内外温差Δt＝60℃，则加热空气所需热量Q＝c×m×Δt≈166.7×103k J。加热时间T＝10 min，则加热功率Pj1＝Q／T＝277.8 kW，所需总加热功率PS1＝Pj1＋Ps1＝323.4 k W。考虑到正常工作时房内泥浆会产生一定的热量，配备额定功率160 k W的柴油暖风机2台。

同理，对于容积1 400 m3钻台保温房，加热功率Pj2≈129.64 k W；容积为100 m3二层台保暖房，加热功率Pj3≈9.26 k W。

二层台保温房热损失功率Ps3≈4.56 kW，则所需总热功率Pz3＝Pj3＋Ps3＝13.82 k W。

考虑到二层台热量散失较大，在井架工操作处配备额定功率20 k W电加热器。

二层台休息室容积0.8 m3，则加热功率Pj4≈0.07 k W，所需总加热功率Pz4＝Pj4＋Ps4＝0.3 k W，休息室密封性较好，配备额定功率1 k W电加热器。

发电机房容积500 m3，则加热功率Pj5≈46.3 k W，所需总加热功率Pz5＝Pj5＋Ps5＝64.54 k W。

3.2 发电机组余热利用

发电机组运行时会产生大量热量，主要以缸套水热辐射、机身热辐射和排气热辐射形式散失。如果将这部分热量回收利用，供热能耗将大为降低。

1） 卡特皮勒公司提供的单机功率917 k W（功率因数0.7）发电机组的运行数据［4］（如表1）表明：机身热辐射功率100 k W，大于上文中发电机房所需加热总功率Pz5（64.54 k W），若这部分热量全部散失在房内，不需额外加热；排气热辐射绝大部分被废气带至房外；换热装置配合散热风扇使用，使缸套水热辐射的部分热量得以回收利用，冷却效果更好。

表1 发电机组散热功率

2） 换热装置连接机组与钻台保温房，由换热器、风扇、水泵与水管线组成。水泵带动冷却水循环，通过换热器与机组的缸套水换热，热量经水管线传至钻台保温房，由房内风扇转为热空气送入保温房下层。

机组冷却水出水温度90～100℃，进水温度63～85℃，则可被利用的温差Δt≈20℃。水泵排量Q＝2 m3／h，则每小时参与换热的冷却水质量m≈1.94×103kg（80℃下）。水的比热容c＝4.2 k J／（kg·℃），则每小时换热量Q＝c×m×Δt＝162.96×103k J。换热时间T＝3 600 s，则换热功率Ph＝Q／T＝45.27 kW，即换热器带来了发电机组45.27 k W的热功率。

钻台保温房加热功率Pj2≈129.64 k W，热损失功率Ps2≈30.4k W，所需总加热功率Pz2＝Pj2＋Ps2－Ph＝114.77 kW。考虑钻台保温房上层热量散失较大，配备额定功率160 k W的柴油暖风机1台。

4 管道加热及保温

4.1 加热及保温方案

管道常用加热方式有蒸汽／热水加热和电加热。电加热运行成本低、温控准确，可实现自动化管理。电伴热带加热是最常用的管道电加热方式，有限功率与自限温2种方式，其中自限温伴热带可根据管道温度调节输出功率，保持管道表面恒温。选用自限温电伴热带，并与保温材料配合使用。因聚苯乙烯塑料具前文所述优点，用其作为管道保温材料，选用保温厚度60 mm，如图5。

图5 具有保温层的管线

4.2 伴热及保温计算

钻头在破岩过程中会产生大量热，为避免热量使冻土区井壁失稳，需将循环泥浆冷却至0℃左右再注入井口，泥浆循环管线不需保温；热空气管线作保温处理；固控补给管线与水管线需要伴热和保温才能正常工作［5］。现以外径ø76 mm的补给管线为例作伴热保温计算，选取补给温度0℃。

管道散热系数q＝7.88；管道内外温差Δt＝0－（－45）＝45℃；保温材料导热系数λ＝0.035 W／（m·℃）［6］；管道材料修正系数C＝1；安全系数取n＝1.2。则单位长度管道热损失功率Ps6＝q× Δt×λ×C×n≈14.89 W／m。

选择额定功率Pj6＝12 W／m的自限温伴热带，则单位长度管道热损失与伴热带额定功率比值K＝Ps6／Pj6≈1.24。采用缠绕敷设，缠绕节距取400 mm［6］，可据此计算其他伴热带敷设方式。

5 结语

钻井现场使用情况表明：该钻机完全满足－45℃环境温度下工作和－60℃环境温度下储存的要求，供热条件下保温房内温度不低于15℃。该钻机利用保温、加热的综合解决方案，为钻机操作人员在低温恶劣条件下提供了相对舒适的工作环境。环境温度的提高使机械设备的材料远离低温脆断转变温度，从而进一步提高了设备的可靠性，适度减少了低温材料的使用量，降低了制造成本。

［1］ 汪金桃.低温钻机金属材料性能与工艺研究［J］.石油机械，2008，36（9）：117-120.

［2］ 张东涛，秦晓峰，廖昌健，等.ZJ50／3150DB型低温石油钻机设计［J］.石油矿场机械，2009，38（9）：84-87.

［3］ 张杰，柴占文，常亮，等.低温钻机固控系统保温研究［J］.石油矿场机械，2012，41（06）：33-37.

［4］ 卡特皮勒公司.卡特发电机组操作和保养手册［K］.2002.

［5］ 赵江鹏，孙友宏，郭威.钻井泥浆冷却技术发展现状与新型泥浆冷却系统的研究［J］.探矿工程，2010，37（9）：1-5.

［6］ 赵镇南.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2008.

Design of Preservation and Heating System of Low Temperature Drill Rig

drill rig；low temperature；heating；heat preservation

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.007

1001-3482（2014）11-0028-04①

2014-05-16

刘占鹏（1982-），男，山东滨州人，工程师，主要从事石油钻机的设计工作。

Abstract：The low temperature region is rich in oil resources，but the temperature in the region is extremely low，ordinary drill rig is difficult to adapt，need to meet－45℃or even lower environment temperature operation of drilling rig.Based on a low temperature drilling rig project，the integrated solutions of drilling operation in low temperature area was put forward，the 4000m low temperature drill rig was developed for the Russian market.Field application shows that the drill rig well satisfies the needs of drilling operation in low temperature environment.