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顶部驱动钻井工艺浅谈

焦海林 2023/1/21 19:15:01

   (中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司 上海浦东200120)
  
   摘要:顶部驱动钻井是80年代发展起来的一项新技术,是对传统钻井技术的重大突破,在此,着重在顶部驱动钻井技术发展的基础上介绍顶驱钻井系统的原理及组成,通过顶部驱动钻井系统与转盘方钻杆常规钻井系统的工作对比分析发现顶部驱动钻井技术具有:可缩短建经周期;改善钻井工人操作条件;减少钻井事故;降低钻井成本等四方面优点,同时也存在初始投资大,增加钻机负荷,系统复杂维修困难、不能进行钢丝绳作业等问题,最后对于顶部驱动钻井技术提出了几点建议。
   关键词:顶部驱动 钻井设备 控制系统 技术进展
  
   一、顶驱的定义与简介
   1.1顶驱的定义
   顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM),是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。
   1.2顶部驱动钻井系统的前驱
   顶部驱动钻井系统的前驱是动力水龙头装置,动力水龙头由直流电动机或也马达驱动。早先,由于缺乏合适于水龙头的动力机,所以动力水龙头的输出扭矩一般较小,因而早期的动力水龙头得以问世。但这种大型动力水龙头不能为石油钻井界所接受,其原因在于动力水龙头缺乏与之配套使用的钻杆操作装置,不能有效的进行起下钻、接单根等作业。但顶部驱动系统的出现改变了这一局面,顶驱系统不同于动力水龙头,该系统带有钻杆操作装置。
   1.3顶驱简介
   顶部驱动钻井是旋转钻井技术的一项重大突破,传统的转盘钻井方法是通过转盘和方钻杆驱动钻具进行钻进,而顶部驱动钻井取消了转盘和方钻杆,由顶部马达直接驱动钻杆旋转,它可从井架上部空间直接旋转钻杆,沿专用导轨向下送进,完成钻杆旋转钻进,循环钻井液,接立柱,上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率,并已成为石油钻井行业的标准产品。自20世纪80年代初开始研制,现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM),是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。
   顶部驱动装置的出现,使得传统的转盘钻井法发生了变革,诞生了顶部驱动钻井方法。该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用,得到了使用者和市场的认同。它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步;其另一个意义则在于:顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备,从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。
   顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。该装置可起下28M立柱,减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力,可以连续起下钻、循环、旋转和下套管,还可以使被卡钻杆倒划眼。
   1.4 本文的主要工作
   介绍顶驱的系统原理与组成,性能工作特点存在的优势并和转盘系统加以对比,突出顶部驱动钻井系统的优点和发展前景。
   二、顶部驱动钻井系统原理及组成
   2.1顶驱系统原理及组成
   1)钻井马达和水龙头总成
   钻井马达常选用液马达,直流电动机和交流电动机三种形式,电机一般都配有冷却系统。钻井马达提供钻柱旋转的动力。总成还包括传动机构,有行星齿轮传动和普通齿轮传动两种,一些顶驱系统仍采用普通水龙头。
   2)导向滑车总成
   钻井马达和传动机构安装在导向滑车总成上,钻进过程中钻柱所产生的反扭矩由导向滑车传达安装在井架上的导轨上,并由井架承受并克服之。
   3)钻杆操作装置
   这是顶部驱动的关键部件,目前有液动式和机械式两种,液动式包括扭矩扳手、吊环连接器、吊环倾斜器和旋转头等,结构复杂。而机械式是最近问世的,故障率低,使用维护方便。
   4)平衡补偿装置
   有两个液压缸及附件等组成,用来提供类似于大钩提供的减震冲程。
   5)动力和控制系统
   控制系统包括司钻操作控制柜和电气、液压工作回路等。液马达驱动式顶驱系统需要有足够大的液压源,作为马达的动力源。
   6)辅助设备(包括PS-16动力卡瓦,钢丝绳连接器等。)
   顶驱系统上端与大钩吊环相连,下端则直接和钻杆连接,可以用扭矩扳手使二者脱开或连接,顶驱系统随游动系统上下移动,钻井马达通过减速机构直接驱动水龙头中心管,带动钻杆旋转,钻杆的装卸由钻杆操作装置完成。在顶驱钻井方式下,由于取消了方钻杆,可以实现边起边升(或下放)边循环、边旋转,这对于底层条件复杂的井段钻进无疑是十分有利的。<(未完,下一页

  

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