石油钻机提升系统分析与应用

刘德智，蒋洪波，李前佑

（中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

0 引言

油气勘探与开发的过程中应用到的成套钻井设备被称为石油钻机，提升系统作为其中的核心结构在钻井过程中起到不可或缺的重要作用，提升系统需要在提升与下放钻头的过程中对钻头所实施的钻压进行控制，同时还要对井壁的套管进行下放并加固，为促进石油钻机系统的未来发展，将根据上述内容对石油钻机提升系统展开分析。

1 提升系统分析

1.1 绞车式提升系统

绞车式提升系统主要被应用于传统的石油钻机结构形式当中，就目前而言，其所具备的较为成熟的技术基础使得绞车式提升系统依然广泛地活跃在各大石油开采基地[1]。绞车式提升系统的主要结构被分为井架、游动系统及绞车等，同时绞车式提升系统还可以细分为单绞车式提升系统与双绞车式提升系统两种。

其中双绞车式提升系统就是将单绞车式提升系统的死绳端改成为1 台绞车，在运作过程中这两台绞车都会同时进行提升，绞车结构主要由天车、绞车、游车组成，而死绳端只有双绞车才有。从效率层面来进行考量则需要根据API 8C 标准来进行计算，在研究计算的过程中可以发现，双绞车提升系统相对于单绞车提升系统具备更高的效率，也对石油钻机的能力有一定的提升[2]。

1.2 液压式提升系统

虽然液压式提升系统尚未完全普及，其也是目前较为先进的石油钻机提升系统，但是在陆地以及海洋钻井设备上的利用率还较低，其主要结构由液压缸、井架以及游动滑车、构载和死绳端组成。液压式提升系统在结构上并没有在动滑轮和定滑轮之间设置钢丝绳缠绕，所以该系统的绳系效率较高，在结构内的顶驱提升速度基本上是液压缸运动速度的两倍左右。

2 提升系统应用

2.1 绞车式提升系统

绞车式提升系统在陆地与海洋平台上的钻井设备中的使用率较高，并且在提升能力上也有着较为优秀的表现，接下来将针对其中应用频次较高的几大平台进行简要介绍。

（1）石油981 半潜式海洋钻井平台在作业过程中主要采取单绞车提升方式、天车补偿系统以及一个半的井架结构相互配合的方式进行石油钻井，其提升能力为907 t 左右，且石油981半潜式海洋钻井平台是不能够在水深3000 m 以下的海域进行钻探操作的，实际钻井深度可以达到10 000 m 左右。

（2）马士基双井架作业平台则在双井口井架当中配合采用天车补偿系统，这两个井口井架也分别采用了单绞车提升系统，并且这两个单绞车提升系统在运行过程中都保持在左右对称安置的状态。但是双井口井架二者之间存在主次之分，其在提升能力上存在一定的差别，目前在马士基已经建立多台双井架作业平台用于石油钻探。

（3）HUISMAN 公司所研发的多功能钻井塔，该钻井塔所采用并不是传统的井架结构，而是采取钻井塔与双滚筒绞车提升系统相互配合的方式来完成石油开采的，双滚筒绞车其本身在运行过程中具备主动补偿功能，并且为提升整体的运行性能，还专门配备快速换绳滑轮组，根据现场实际开采过程中的不同工况来进行绳系的变化，综合提升多功能钻井塔的运行效率和减小系统冗余性，相对而言由HUISMAN 公司所研发的多功能钻井塔是比较先进的一项石油钻井技术，并且有着较多的创新点，在费用允许的情况下是非常值得推荐的一套设备[3]。

2.2 液压式提升系统

由于液压式提升系统还没有进入全面推广的阶段，只有少数的陆地钻井与海洋平台使用的是液压式提升系统，并且基本上设备与应用经验大部分来自发达国家。将针对其中四个液压式提升系统进行分别阐述。

（1）意大利Drillmec 公司所研发的液压钻机A-HEAD375，该类型液压式提升系统主要采取伸缩式井架与油缸进行上下运动，钻探过程中天车与井架一同升降并且运用两个单根与一个立根相互配合的方式进行起下钻，整体大钩载荷可以达到340 t，而钻井深度可以达到6000 m，具备较高的机械自动化程度，在钻机内部运用垂直钻杆架代替原本的二层台存放钻杆，大大提升了钻井效率和安全性。

（2）辽宁陆海石油装备研究院有限公司所研发的液压钻机，其提升能力可以达到315 t，并且钻井深度可达5000 m，该液压式提升系统提升行程约为16m，并且主要运用单根的方式进行起下钻，钻机的整体也可以进行移动安装，可以将一套器械运用于多个石油钻探场次，在总体结构上还借鉴了意大利Drillmec公司的液压钻机结构形式，向国际先进水平靠拢。

（3）Herrenknecht Vertical 公司所研发的海洋平台钻井包Deep Drilling Rig Terra In-vnder 250 CL，该海洋平台钻井包最大钩载荷可以达到250 t，整体井架高度大约在30 m，所采用的是液压式提升系统，总行程为17.5 m，并且采用的是单根的方式进行起下钻开采，目前这种海洋平台主要被运用在自升式钻井平台当中。

（4）Frigstad 公司研发出当今世界上最先进的第七代半潜式钻井平台D90，其所采用的作业方式主要是双井口井架配合AK-ER MH 液压提升系统的结构来进行开采，或者是运用双井口井架配合NOV 液压提升系统相互配合的方式来进行钻探开采。过程中采用液压缸将游动滑车进行顶升从而对顶驱的上下运动起到控制作用，而两个井口井架则作为游动滑车的轨道支撑，在运行过程中双井口井架并不负责承担主载荷。

3 系统比较

（1）在海洋与陆地钻井当中针对绞车式提升系统的应用水平明显高于液压式提升系统，其在陆地和海洋钻井设备当中的运用比重较大，但是在长期实践过程中发现，由于绞车式提升系统的复杂结构与整体重量较大的原因，使得绞车式提升系统存在稳定性较差且重心较高的缺点[4]。而随着技术的逐步改进，钻机的提升能力也有一定提高，但与此同时也就需要结构更大的井架和功率更高的绞车来进行匹配，例如在海洋平台上，由于井架和底座重量的缘故，往往会导致海洋平台可变载荷的降低，在稳定使用与长远发展上存在一定的劣势。直至双绞车的出现，将石油钻井绞车的能力提升一个档次，一定程度上提升石油钻井开采的效率，但是其所占用的场地面积较大且重量较重，这也在限制这绞车式提升系统的发展，随着开采需求的不断加大，或许绞车式提升系统在未来的发展过程中所产生的瓶颈也会越来越显著[5]。

（2）液压式提升系统虽然在使用率上相比绞车式系统存在较大差异，但是其作为一种新型的提升方式已经在应用过程中展示了良好的性能。液压式提升系统总体结构较为简单，方便开采单位对其进行移动和装卸，而井口井架在液压式提升系统当中所起到的作用也仅仅是作为游动滑车的轨道支撑，是不需要对整个液压式系统进行主载荷的制成的，所以在重量与结构上明显相对于绞车式提升系统是存在较大优势[6]。但由于液压式提升系统在目前尚处于新技术的研发探索阶段，所以国内在研发与制造上经验明显与国际水平不相符，国内比较优秀的石油机械设备制造公司针对液压式系统的研究也大体上停留在借鉴与学习的阶段。而液压式提升系统目前的发展瓶颈不仅仅停留在技术层面之上，还有就是目前国内海洋工业领域所采用的液压元器件也大体来源于国外，在原材料上也不存在良好的优势，研发成本难以得到有效的控制，所以国内海洋工业的崛起与发展对于液压式提升系统的实际研发也有着关键性的作用。

要想真正地扭转现有的局面，行业内部的大体方向至少要从大载荷以及大流量的液压元器件开始发展，逐渐地开始不依靠国外产品来进行生产研发，从而实现为国内石油开采行业提供更为经济高效的设备基础的目的。所以国内厂家应当尽快着手统筹布局液压式提升系统的研究开发，争取在国内市场提前站稳脚跟，并有效促进石油开采行业的蓬勃发展。

（3）在绞车式与液压式提升系统的绳系效率上的比较来看，绞车式是低于液压式的，而从结构组成上来看，液压式提升系统也具有更多的优势，并且液压式提升系统具有相较于绞车式提升系统更好的稳定性。但是绞车式提升系统的应用范围较广且对环境的适应性是比起液压式提升系统更强的，所以液压式提升系统在未来的发展中需要在保证设备精密性的基础上着重发展更强的环境适应性。而从目前的研发环境与成本上来看，绞车式提升系统相对而言技术发展更为成熟，且成本上具备一定的优势，而液压式提升系统虽然在技术上更为先进但也存在着高昂的研发成本。

4 结束语

由于石油钻机提升系统在市面上目前具备绞车式与液压式两种提升方式类型，在针对这两种类型的应用现状、优势和结构形式以及优缺点进行具体分析后，发现液压式石油钻机提升系统的性能表现更为突出，相信会在今后的实践与探索过程中发挥出越来越显著的作用。