石油钻机提升系统分析与应用

宋 超，崔晓伟，郑晓东，魏双会，张 建

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266520)

0 引 言

石油钻机是指用来进行油气勘探、开发的成套钻井设备，提升系统作为石油钻机的核心，其主要作用是在钻井过程中提升和下放钻柱、控制钻头施加在井底的钻压、下放加固井壁的套管及其他辅助作业[1]。对钻机提升系统进行了分析和调研，以期为我国石油钻机提升系统的发展提供基础性帮助。

1 提升系统分析

钻机提升系统经过长时间的发展，出现了不同形式的类型，按照提升方式的不同，主要出现了两大类：绞车式提升系统和液压式提升系统。这两种提升系统有着不同的提升原理和结构组成。

1.1 绞车式提升系统

绞车式提升系统较为传统，技术成熟，使用率较高，该系统主要由井架、游动系统、绞车等组成[2]，并且出现了单绞车和双绞车提升之分。其中，单绞车提升系统结构形式见图1(a)。双绞车提升系统是将单绞车提升系统的死绳端也变为一台绞车，两台绞车同时提升，结构形式见图1(b)，根据API 8C标准内有关效率计算的要求，通过对绳系效率的计算可以发现，双绞车提升系统在绳系效率上比单绞车提升系统有一定的提高，并且可以进一步增大钻机的提升能力，在一定程度上促进了石油钻机的发展。

图1 绞车式提升系统

1.2 液压式提升系统

图2 液压式提升系统

液压式提升系统较为先进，在陆地及海洋钻井设备上实际使用率较低，该系统主要由液压缸、井架、游动滑车等组成，结构形式如图2，这种提升系统没有动定滑轮之间的钢丝绳缠绕，系统的绳系效率很高，并且，顶驱的提升速度是液压缸运动速度的2倍。

2 提升系统应用

2.1 绞车式提升系统应用

目前大部分陆地和海洋平台上的钻井包都采用了这种提升方式，并且提升能力越来越高，主要介绍几种有代表性的平台。

(1) 海洋石油981半潜式钻井平台，采用一个半井架、天车补偿系统和单绞车提升方式，提升能力907 t，平台可在不超过3 000 m水深的海域进行钻探工作，钻井深度可达10 000 m[3]，如图3所示。

(2) 马士基双井架作业平台，采用双井口井架，配备天车补偿系统，双井口分别采用单绞车提升方式。两台绞车左右两侧对称布置[4]，双井口有主辅之分，提升能力存在差别，马士基建造了数台该类型的钻井平台，如图4所示。

(3) HUISMAN公司的多功能钻井塔，钻井塔取代了传统井架结构，采用双滚筒绞车提升方式，双滚筒绞车具备主动补偿功能，并且配备了快速换绳滑轮组，可根据不同工况变换绳系，以提高提升系统冗余性和效率[5]。该产品技术较为先进，创新点较多，如图5所示。

2.2 液压式提升系统应用

目前，有少数陆地钻机及海洋平台使用液压式提升系统这种方式，由于其较为先进的技术，产品多为国外厂家制造。

(1) 意大利Drillmec公司的液压钻机AHEAD375，伸缩式井架依靠油缸上下运动，天车随井架升降，通过两单根为一立根的方式起下钻，大钩载荷340 t，钻井深度6 000 m，自动化程度高。该钻机采用垂直钻杆架取代传统二层台存放钻杆[6]，如图6。

图5 HUISMAN公司 图6 液压提升式钻机 多功能钻井塔 AHEAD375

(2) 辽宁陆海石油装备研究院有限公司的液压钻机提升能力315 t，钻深5 000 m。提升行程16 m，通过单根的方式起下钻，钻机整体可进行移运，安装转场方便[7]。其产品与DRILLMEC公司产品类似，如图7所示。

(3) HERRENKNECHT VERTICAL公司生产的海洋平台钻井包DEEP DRILLING RIG TERRA INVADER 250 CL，最大钩载250 t，井架高度30m，采用液缸提升方式，行程17.5 m。采用单根的方式进行起下钻[8]。主要应用在自升式钻井平台上，如图8所示。

图7 陆海研究院自动 图8 TERRA INVADER 250CL 化液压钻机

(4) Frigstad公司设计的全球最先进的第七代半潜式钻井平台D90，采用双井口作业方式，配备AKER MH或NOV的液压提升系统。通过液压缸顶升游动滑车来控制顶驱上下运动，井架作为游动滑车的轨道支撑，不承担主载荷[9]，如图9所示。

图9 Frigstad D90平台

3 提升系统比较

表1对绞车式和液压式提升系统进行以下四个方面的比较。

表1 绞车式和液压式提升系统比较

通过对比分析发现，绞车式提升系统因其较为成熟的技术，在陆地和海洋钻机中占有很大的比重，但由于其复杂的结构和较大的重量，使其重心较高，稳定性较差。当今钻机的提升能力越来越强，这就需要结构更大的井架和功率更高的绞车与之匹配，在海洋平台上，井架和底座重量的上升会降低平台可变载荷，不利于平台的长远发展；双绞车的出现对提升钻井绞车的能力起到了重要作用，在一定程度上有利于绞车式提升系统的发展，但双绞车较大的重量、复杂的结构和控制等缺点也制约了其进一步发展。因此，随着石油钻机钻井能力的不断提升，绞车式提升系统的发展瓶颈会越来越突出。

液压式提升系统作为一种新型的提升方式，在这方面具有很好的优势，该提升系统结构简单，井架只是作为游动滑车的轨道支撑，不承担主载荷，重量会降低很多，稳定性也有很大提升，优势比较明显，但液压式提升系统的重难点在于液压系统的研发和制造，现今海工领域的液压元器件基本采用国外产品，成本较高，国内对这种大载荷、大流量的液压元器件研发较少，较为依赖国外产品，研发难度较大。但可以确信的是，液压式提升系统的优势非常明显，会在石油钻机领域占据更多的市场和地位。国内厂家应尽早对该类提升系统布局研发，力争占据一席之地。

4 结 语

根据钻机提升系统提升方式的不同，将钻机提升系统分为了绞车式和液压式提升系统，通过分析两类提升系统的结构形式，调研了国内外两种类型提升系统的应用现状，总结并比较了两类提升系统的优缺点。可以预见，液压式提升系统作为先进性的代表，在今后的石油钻机中会占据越来越重要的地位。