第十章电驱动钻井设备

第十章电驱动钻井设备第一节概述一、用途ZJ70D系列钻机是为满足油田深井勘探开发和出国承包钻井的要求而设计开发的一种SCR直流电驱动钻机。该钻机的总体设计参照了国内外同类电驱动钻机的优点。钻机基本参数符合SY／T5609标准，主要配套部件符合API规范，满足钻井新工艺的要求，技术性能和可靠性达到国际20世纪90年代的先进水平，该钻机还可配用顶部驱动钻井装置。二、技术特点(1)采用当今世界先进的AC—SCR-DC电传动动力系统。绞车、转盘和钻井泵可实现无级调速，获得良好的钻井特性。启动平稳、传动效率高、负荷自动均衡分配。(2)采用国内外成熟的先进技术和结构，并注意符合标准要求，使钻机的标准化、先进性上了一个台阶。(3)采用模块化设计、多种组合方式，增强了钻机通用性、互换性，适应不同用户的需求。(4)台面设备和井架低位安装，依靠绞车动力整体起升，方便安装并节省吊装设备。(5)钻机布置整齐、协调，设备块数少，搬家拆装方便，满足钻机快速移运的要求。(6)钻机可配置液压盘式刹车，带刹可加自动送钻装置，使钻井更加安全、省力、准确。(?)采用了高效固控系统，净化设备集中安装，罐面清爽、干净、整洁。三、电动钻机的发展电驱动钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善、成熟。与机械驱动相比，电驱动具有调速性能好、经济性能高、可靠性强、故障率底、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。电驱动可以通过可编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。1.国内外电动钻机的发展现状国外在1994年已生产出了全自动化钻机样机。现已研制出自动化，智能化电动钻机，在钻井实践中取得了较好的使用效果。(1)美国W-NApache联合公司自动化钻机：其研制的自动化石油钻机，采用动力水龙头钻井方法，配备了自动移运和排放立根系统；采用微机控制系统，以监控钻机操作各工序正常作业；钻井深度为6096m。其特点是钻机的总重量较轻，安装拆卸时间减少50％，采用自动化控制系统，可在lmin之内完成接单根作业，节约钻井时间12％-15％；全钻机只需要2人进行操作。(2)挪威自动化钻机：挪威Temco公司生产的全自动化钻机，采用液压驱动的顶部驱动钻井系统，选用了一种轻型钻机结构，可降低钻井成本；采用机器人进行操作，在钻机中采用了许多新材料和智能技术，使钻井作业全自动化。(3)小井眼自动化石油钻机：采用动力水龙头钻井方式，液压大钳、自动卡瓦、水平堆放钻杆，由机械手进行移运与排放。该钻机自动化程度较高，接单根时间只需要6s。实际应用中，电驱动钻机比机械驱动钻机具有更好的经济效益。我国电动钻机电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期。20世纪80年代末，在借鉴国外先进技术的前提下，生产出我国第一台直流驱动的2J45D陆地电动钻机。20世纪90年代，通过引进国外核心电气控制模拟单元，生产出深井直流咆动钻机，如ZJ50D和ZJ70D。20世纪90年代后期，在引进国外全数字控制技术的基础上，开始全数字钻机电气控制系统的研究，如采用国外数字直流调速器，将模拟控制直流电动钻机升级为数字控制直流电动钻机。全数字电控系统是目前电控系统的主流，它是用微处理器实现软件控制，具有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能。全数字控制系统各环节的控制参数可实时调整，以满足钻井工艺的新要求和钻井工况的实时变化。近几年将交流变频调速技术应用于石油钻采设备上，生产出全数字交流驱动电动钻机。交流驱动电动钻机采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性，且绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速：能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利。新型司钻控制系统控制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注重了操作技巧和钻井参数的优选。国内目前电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。驱动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置品种齐全，可满足用户的不同需求。在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能(即防止上碰下砸功能)，外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同的岩层结构，提高钻井质量。2.电动钻机的发展趋势21世纪科学技术日新月异，在提高钻井效率、降低钻井成本的技术要求不断推动下钻机正在朝自动化、智能化、高适应性、高经济效益、高可靠性、大型化方面发展。1)高适应性随着钻井条件越来越恶劣，出现各种特殊钻井工艺。简单地提高钻井时效已不能满足其要求，而是要通过钻井作业提高采收率、提高勘探开发成功率。未来的钻机必须适应这些特殊钻井工艺的需要，这就要求钻机既要适应各种恶劣的自然环境，同时配套设备应具有以下足够的Q自力，例如钻机的安全系数、提升能力、钻井泵功率、泵压、转盘开口直径等参数都需要提高。2)数字化、信息化、自动化和智能化实现数字化、信息化、自动化、智能化的钻机，需具备完善的司钻控制系统、钻井参数系统、综合录井系统、远程监控系统、在线监测系统、远程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系统、电、气、液集成控制系统、钻台自动化机具系统、井眼轨迹自动化控制系统、随钻测量系统等。未来的交流变频钻机，必将具备远程操作、钻井信息共享、钻井全过程智能化控制功能，从而真正实现远程支持、智能优化钻井。3)高经济性和安全性在起下钻作业中，绞车全过程数字闭环控制，可以最大限度地提高钻机时效，同时，减少发生井下事故和出现井下复杂情况发生的可能性，数控恒钻压自动送钻技术对于提高钻井时效的作用更是有目共睹。利用交流变频调速技术、计算机技术、通信技术等优势提高其运行的经济性和安全性，应成为钻机技术创新的主要发展方向。4)高效移运性通过国产电动钻机参与国际市场竞争的过程可以看到，在其他方面与国外钻机相差不大的情况下，高移运性已成为其重要的考虑因素。提高钻机整体移运性，除注意模块化设计外，还要依靠先进的移运技术即考虑。如何优化钻机结构、提高模块化水平、减少运输车次、降低安装难度等问题。5)大型化为了进一步开发更深地层的油气资源国外已研制出特深井钻机，钻井深度以达到15240m。国内也正在研究万米钻机。由钻机发展的趋势看，电气控制系统将朝着智能化、网络化、开放化、大功率方向发展。(1)智能化，由于相关技术的发展和现代控制理论在钻机电气控制系统的应用，使智能化钻机按照现场实时工况自动完成设计的任务，井通过自诊断功能减少人为的因素和失误，减少设备及工具的故障率，如根据油藏地质变化及时提钻、换钻杆、下钻。随着对钻井过程透明化的进一步提高，随钻诊断(DIAGNOSTICWHILEDRILLING)相关技术的发展，从而可以快速准确地为电气控制系统提供实时数据，结合控制中心安装的控制、预测算法库和原始数据库，为电动钻机智能化的实现提供技术保障，如实现钻头磨损诊断。智能钻具系统(INTELLIGENTDRILLSTRINGSYSTEM)技术使连接所有井下分离部件成为现实，该连接由能传输数据到其他部件且相互没有电气连接的变送器构成。智能钻具系统的双向传输数据速率达2Mb／s，它支持高精度随钻测井仪器，并能协调控制井下机械装置，因此智能钻具系统的开发必将使电气控制系统的智能化日趋完美。(2)网络化。网络化就是通过网络将各控制检测等部件相连或将钻井过程所需资源共享，可分为现场总线网络和外部网络。现场总线网络指电气控制系统的发电控制单元、驱动柜、PLC、HMI等以现场总线相连接，建立企业内网(1NTERANET)，可将多台钻机联网，实现最优化调度。井下网络拓宽了现场总线网络的范畴。井下的每个仪器设备定义为具有惟一地址的节点，每个节点能够检测或中继数据。该网络通过网络协议软件和硬件来完成各分散仪器设备间的信息传输，其采用双向通信方式，不仅能高速传出井下数据，而且可实现地面发命令给井下仪器设备。该网络的建成将极大地提高钻井的可靠性和效率。外部网络指电气控制系统与其外部其他控制系统或上位机以网络相连，通过该网络可实现钻机的远程控制和无人化操作。新近研制的陆上操作中心(ONSHOREOPERATIONCENTER)是一种典型的外部网络实例。陆上操作中心(OOC)作为海洋平台的扩展部分被集成到海洋钻机操作系统中，其可在陆地上通过无线网络监控处于恶劣环境的海洋钻机。(3)开放化。开放化就是电气控制系统软硬件具有互联标准，能有效运行在不同的平台上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即互操作性、可移植性、可扩展性和可互换性。随着计算机软硬件技术的发展，提出了可配置自动钻机系统(CONFIGURABLEAUTO-MATICDRILLINGSYSTEM)。由于开放化系统软硬件的柔性，可以容易改变其基本配置，并可让第三方在原系统配置上参与开发，以实现软硬件真正的即插即用(PLUG＆PLAY)，而且第三方软硬件作为系统的扩展，可实现数据共享，。开放化电气控制系统便于生产管理，可提高钻井效率。电动钻机电气控制系统智能化、网络化、开放化的发展相互协调，对现代钻机的发展必将产生深远的影响。但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所(GRl)与麻省理工学院(MIT)等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。第二节直流电动钻机一、ZJ70D钻机基本性能参数2J70D钻机基本性能参数见表10—l类别数值说明类别数值说明名义钻探范围5000～7000m柴油发电机组合数及输入有功功率4×l000kW最大钩载4500kN柴油机型号及功率G12V190ZLD；1000kW(国产配套)最大钻柱质量220tCAT3512TA~1022kW(进口配套)绞车最大输入功率1470kW直流电动机YZ08／YZ08A800kW(国产配套)大钧提升速度O-1.6m／s型号及功率GE752AR3735kW(进口配套)类别数值说明类别数值说明绞车挡数4+4R无级变速固控系统钻井液有效容量325m3转盘挡数2+2R无级变速柴油罐容量80m3绳系及钢丝绳直径6×7:Φ38mm三油品罐容量15m3钻井泵型号及总功率F-1600：2×1180kW绞车冷却水箱40m3转盘型号及开口直径ZP375；Φ952.5mm工业用水套装水箱100m3井架形式及有效高度K型；45m高压管汇103(通径)×30MPa底座形式及钻台高度双升式；9m二、ZJ70D钻机总体驱动方式ZJ70D系列钻机采用AC-SCR-DC驱动方式，由4台1000kW柴油发电机组作为动力，其发出的50Hz、600V交流电经SCR柜整流后变为0-750V直流电分别驱动绞车和钻井泵的直流电动机。绞车、转盘由2台电动机联合驱动，2台钻井泵分别由各自的2台电动机驱动。电动机为串激直流电动机，控制采用一对二式，即一套SCR柜控制两台直流电动机，本钻机有四套SCR柜(图10—1)，正常使用时，有一套处于备用状态，当SCR柜发生故障时，可及时切换，确保钻井时安全运行。图10-1ZJ70D钻机AC-SCR-DC驱动方式三、ZJ70D钻机布局(1)钻台区：即主机部分。包括井架、底座、绞车、转盘、游吊系统、司钻偏房、井口机械化工具、钻井仪表、风动绞车、液压提升机、猫道及排管架、绞车冷却水箱等。(2)泵房区：包括两套F-1600泵组、高压管汇等。(3)动力及控制区：包括4台柴油发电机组，SCR(MCC)房及电缆架，气源净化设备及辅助发电动机组。(4)油罐区：包括2个28m3柴油罐和1个19m3三油品罐。(5)固控区：由钻井液罐、净化设备、钻井液处理房、100m3水箱等组成。各区域之间油、气、水、电等连接管线铺设在管线槽内，管线槽内采用折叠式、内装电缆线和上钻台管线，可实现搬家不拆电缆和管线，折叠整体运输