石油钻井设备的结构原理与应用分析

关震

摘要：钻井设备由于设备部件多，技术含量高，一直是国内外企业持续深入研究的钻井装备重要内容，也是装备制造和维护服务工作中的核心内容。本文主要就设备的构成、天车防碰装置、顶驱技术等进行讨论。

关键词：石油 钻井 设备 原理 应用

1 、钻井设备主要构成分析

钻井设备（简称钻机）是指石油天然气钻井过程中所需各种机械设备的总称。钻机主要部件必须相互配合才能完成钻机起升、循环和旋转的3项主要工作。按按动力设备的不同通常可分为机械传动钻机、电动钻机和复合钻机三种。主要包括以下系统：

（1）提升系统：主要作用是用来起、下钻柱（或下套管），以实现钻头的钻进送钻等工作。

（2）旋转系统：主要作用是由动力机组驱动转盘，通过转盘方补心带动方钻杆（钻杆和钻铤）、方钻杆再带着钻头旋转进行钻井。

（3）循环系统：主要作用是钻井过程中，通过动力机组带动泥浆泵来循环钻井流体，经过立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆和钻铤，将泥浆池的泥浆送到钻头处，以实现钻井流体将井底的钻屑带到地面。

（4）动力设备：主要作用是为驱动绞车、转盘、钻井泵等工作机工作提供动力。

（5）传动系统：主要作用是把发动机的能量传递或分配给各工作机。

（6）控制系统：为了指挥各系统协调地工作，在整套钻机中安装有各种控制设备。

（7）底座：包括钻台底座、机房底座和泥浆底座等。

（8）辅助设备：主要功能是为了正常钻井作业提供配套支撑。

钻机所必须具有的主要设备共7大部件：绞车、井架、天车、游车、水龙头、转盘、钻井泵。

2 、顶部驱动钻井装置的构成与分析

顶部驱动钻井系统是20世纪末期出现的一种新型钻井系统，目前辽河天意制造的顶驱也已经成为钻井行业的重要力量，现在已成为石油钻井行业的标准产品。顶驱可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。它主要有三个部分组成：导向滑车总成、水龙头-钻井马达总成和钻杆上卸扣装置总成。该系统是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。

2.1 顶部驱动钻井装置的部件组成

（1）水龙头--钻井马达总成（关键部件）；

（2）马达支架/导向滑车总成（关键部件）；

（3）钻杆上卸扣总成（体现最大优点的部件）；

（4）平衡系统；

（5）冷却系统；

（6）顶部驱动钻井装置控制系统；

（7）可选用的附属设备。

顶部驱动钻井装置的主体部件，主要包括：

1、钻井马达；

2、齿轮箱；

3、整体水龙头；

4、平衡器。

2.2 导向滑车总成

整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车一起运动。当钻井马达处于排放立根的位置上时，导向滑车则可作为马达的支撑梁。导轨有单轨和双轨两种。

2.3 钻杆上卸扣装置

主要组成部件：

1、扭矩扳手

2、内防喷器和启动器

3、吊环连接器和限扭器

4、吊环倾斜装置

5、旋转头

扭矩扳手总成提供钻杆的上卸扣的手段。他位于内防喷器下部的保护接头一侧，他有两个液缸在扭矩管和下钳头之间。

钳头有一直径为10in的夹紧活塞，用以夹持与保护接头相连接的钻杆母扣。范围：3½；in--7?in。

钻杆上卸扣装置另有两个缓冲液缸，类似大钩弹簧，可提供丝扣补偿行程125mm。

内防喷器是全尺寸、内开口、球型安全阀式的。带花键的远控上部内防喷器和手动的下部内防喷器形成井控防喷系统，内防喷器采用6?in正规扣，工作压力为105MPa。

2.4 顶部驱动钻井装置的优越性

1、节省接单根时间。顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度的限制也就避免了钻进9米左右接一个单根的麻烦。取而带之的是利用立根钻进，这样就大大减少了接单的时间。按常规钻井接一个单根用3—4min计算，钻进1000米就可以节省4-5h。

2、倒划眼防止卡钻。由于不用接方钻杆就可以循环和旋转，所以在不增加起下 钻时间的前提下，顶部驱动钻井装置就能够非常顺利的将钻具起出井眼，在定向钻井中，这种功能可以节约大量的时间和降低事故发生的机率。

3、下钻划眼。顶部驱动钻井装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。

4、节省定向钻进时间。该装置可以通过28米立根钻进、循环，这样就相应的减少了井下马达定向的时间。

5、人员安全。顶部驱动钻井装置，是钻井机械操作自动化的标志性产品，终于将钻井工人从繁重的体力劳动中解救出来。接单根的次数减少了2/3，并且由于其自动化的程度高，从而大大减少了作业者工作的危险程度，进而大大降低了事故的发生率。

6、井下安全。在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相连，开泵循环，进行立根划眼作业。

7、设备安全。顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，操作动作平稳、可以从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣过赢或不足。最大扭矩的设定，使钻井中出现憋钻扭矩超过设定范围时马达就会自动停止旋转，待调整钻井参数后再进行钻进。这样就避免了设备长时间超负荷运转，增加了使用寿命。

8、井控安全。该装置可以在井架的任何位置钻具的对接，数秒钟内恢复循环，双内防喷器可安全控制钻柱内压力。

9、便于维修。钻井马达清晰可见。熟练的现场人员约12小时就能将其组装和拆卸。

10、使用常规的水龙头部件。顶部驱动装置可使用650吨常规水龙头的一些部件，特殊设计后维修难度没有增加。

11、下套管。顶部驱动钻井装置的提升能力很大（650吨），在套管和主轴之间加一个转换头（大小头）就可以在套管中进行压力循环。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力。

12、取心。能够连续钻进28米，取心中间不需接单根。这样可以提高取心收获率，减少起钻的次数与传统的取心作业相比它的优点明显。污染小、质量高。

13、使用灵活。可以下入各种井下作业工具、完井工具和其他设备，即可以正转又可以反转。

14、节约泥浆。在上部内防喷器内接有泥浆截流阀，在接单根时保证泥浆不会外溢。

15、拆卸方便。工作需要时不必将它从导轨上移下就可以拆下其他设备。

16、内防喷器功能。起钻时如果有井喷的迹象即可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆的连接，循环钻井液，避免事故的发生。

17、其他优点：采用交流电机驱动，减低维修保养费用；特别适用于定向井和水平井，因为立根钻进能使钻杆尽快的通过水平井段的一些横向截面。

3 、天车防碰装置

在石油钻井中，顶碰天车与、卡钻、硫化氢毒气是安全生产中的三大隐患，一直未

得到彻底解决。四十多年来井队使用的机械、气压法、电磁法、液压法等方法的防碰天车装置，通过使用其成效均不好，主要是灵敏度不高、刹车所用时间长、可靠性差，不能彻底解决顶天车的问题。一旦发生顶碰天车与卡钻事故，造成重大经济损失和人员伤亡。

3.1工作原理

该装置结构上加工制造容易，安装使用方便。其工作原理是：当游动滑车上行接触到引绳并继续上行5——10厘米时，引绳即拉动“快速泄压器”的气阀开关，可在0.3秒瞬时切断气源，同时将离合器气囊的高压气放掉。这样滚筒失去动力，立即停止转动，游动滑车也就停止上行，达到防止碰撞天车的目的。因为快速泄压器在0.3秒种瞬时使1200-6000匹马力停止转动，能够起到防顶天车、防卡钻的双重作用。

3.2 井队使用评价

本装置已在多个钻井队已经连续使用超过8年，从未发生过顶碰天车事故。在这期间，曾由井队做过多次试验，游动滑车在距天车4米时，“快速泄压器”可在0.3秒内实现切断气源和快速放气，使滚筒停止旋转，使游动滑车停止上行运动。井队对此装置的评价是“确实安全、简便、实用”，防止顶碰天车的恶性事故发生，可以预防卡钻事故的发生，现已成为钻井安全必不可少的重要设施。

3.3 该装置的优点是：（1）安全、简便、实用，可以实现快速切断钻机滚筒气源，使天车停止运行。（2）该装置不需要使用电源和气压。钻机搬家时不需要拆卸该装置，使用安装方便。（3）可长期使用冬天气路无冻结，并适用于野外恶劣天气环境下应用。快速泄压器具有两大作用：（1）杜绝顶碰天车 （2）杜绝卡钻。