海洋钻机提升系统对比分析

周天明， 王安义， 李 勇， 张 鹏， 春 晨

(1.宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心， 陕西 宝鸡 721002；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司， 陕西 西安 710018)

0 引 言

随着海洋油气资源勘探开发力度的不断加大，对石油勘探装备的发展起到了积极的推动作用。钻井装备的自动化、智能化程度不断提高。海洋钻机驱动形式也由单一的电驱动向全液压驱动转变。海洋钻机提升系统也相继出现绞车提升式和液缸举升式两种不同的系统。两种提升系统具有各自的优缺点，而对用户来说，采购配套海洋平台钻机，其作业效率、安全性、操作维护性及采购成本是其考虑的重要方面。因此如何选择海洋钻机提升系统以提高作业效率、安全性、操作维护性及降低采购成本具有重要意义。

1 海洋钻机提升系统技术现状

目前应用最为普遍的海洋钻机提升系统为绞车提升式，主要由绞车、井架、天车、游车、大钩、钢丝绳等设备组成。经过多年的发展，其整体技术已经趋于成熟，作业可靠性也得到现场验证。随着钻井技术的进步和发展及大型液缸制造技术的突破，国外公司又研制利用液缸举升代替传统的绞车提升，主要包括液压油缸、井架、钢丝绳等设备，其中井架主要起扶正导向作用，不承受提升载荷，同时为其他辅助设备提供安装空间。据调研，国外MH及NOV公司研制的液缸举升式提升系统已在半潜式海洋钻井平台上成功应用[1-2]。

2 绞车提升和液缸举升两种提升系统对比分析

海洋钻机配置及客户需求不同，选用的提升系统就会不同。为了优选出最适合目标船型的海洋钻机提升系统，对绞车提升和液缸举升这两种钻机提升系统进行对比分析。

2.1 装机功率

海洋钻机的装机功率是指钻井作业时所需求的最大功率，而钻井作业的功率消耗与作业工况有关，不同作业工况下钻井系统消耗功率不一样。作业工况分正常钻进、起下钻、倒划眼等3种工况，在具体计算时考虑设备的使用系数。以最大钩载为6 750 kN的海洋钻机为例，估算两种提升系统在不同工况下的功率消耗，如表1所示。

表1 两种提升系统在不同工况下的功率消耗 kW

对比结果：在相同工况下，液缸举升式提升系统的功率消耗略大，且最大功率消耗发生在正常钻进工况，大小为5 690 kW。

2.2 钻柱补偿系统配置方案

钻柱补偿系统[3-4]是浮式海洋平台(船)钻机不可缺少的重要组成部分。根据其布置位置可分为天车补偿、游车补偿、绞车补偿、主油缸集成补偿、死绳端独立油缸补偿；根据其补偿形式又可分为被动补偿、主动补偿、主动+被动补偿。优先选用何种配置补偿方案与提升系统有关，如表2所示。

表2 两种提升系统的钻柱补偿系统配置方案

对比结果：绞车提升式提升系统优先选用天车补偿配置方案；液缸举升式提升系统优先选用死绳端独立油缸补偿配置方案。

2.3 系统效率

钻机系统效率决定着钻机功率转化效率。不同的机械传动形式传动效率不同。以同一钻机为例，计算两种提升系统的系统效率，如表3所示。

表3 两种提升系统的系统效率

对比结果：液缸举升式提升系统的能量转化效率高、能量利用率高，其系统效率比绞车提升式提升系统至少提高24%。

2.4 重量重心

重量重心控制是海洋钻井平台设计及建造的重要内容之一。海洋钻机重量重心控制直接影响海洋钻井平台(船)的甲板可变载荷及平台(船)的稳性，甚至会影响到项目的成功与否[5]。以同一钻机为例，计算两种提升系统和不同配套设备的重量，如表4 所示。

表4 两种提升系统和不同配套设备的重量 kg

对比结果：绞车提升式提升系统的钻机重量大，且由于其天车补偿装置布置在井架顶部，重心也高。

2.5 取样作业

在海洋钻探作业中，取样作业是关键作业之一。根据取样作业工艺流程需求，需要配套专门的装置或者在现有配套的设备上进行优化设计来满足取样要求。此外，不同的提升系统针对取样作业工艺，其配套设备也不相同。两种提升系统的取样作业工艺要求如表5所示。

表5 两种提升系统的取样作业工艺要求

对比结果：绞车提升式提升系统需额外定制游车和天车补偿系统，生产周期和成本会大幅增加。

2.6 对船体的影响

不同的提升系统对船体的设计、制造及海洋钻机作业过程有不同的影响，两种提升系统对船体的影响如表6所示。

表6 两种提升系统对船体的影响

对比结果：液缸举升式提升系统噪声小、重心低、冲击小。

2.7 操作维护性

降低工人的劳动强度一直是追求的目标，而为真正实现这个目标就需要配置易于操作和维护的系统及设备。不同的提升系统配套的设备不同，操作维护性也不同。两种提升系统的操作维护性如表7所示。

表7 两种提升系统的操作维护性

对比结果：液缸举升式提升系统对操作维护人员的专业素质要求高，熟悉和掌握的时间长，操作维护性差。

3 结 论

综合分析海洋钻机绞车提升式和液缸举升式两种提升系统，可以得出结论：液缸举升式提升系统在钻柱补偿系统配置方案、系统效率、重量重心、取样作业、对船体的影响方面优于绞车提升式提升系统；绞车提升式提升系统在装机功率、操作维护性方面优于液缸举升式提升系统。在同样工况下，虽然绞车提升式提升系统的功率消耗比液缸举升式提升系统略小，但其系统效率低得多，因此液缸举升式提升系统更加适合海洋平台低能耗的要求。