石油钻机概论

第二章石油钻机概论钻机是用于油气勘探、开发的一整套钻井设备。第一节钻机的组成一、地面旋转设备主要组成：转盘、水龙头、钻具，顶驱钻机配备有顶驱装置。作用：转动钻具，带动钻头破碎岩石。1.转盘（参见图2-1）（1）转盘的作用钻进时—转动钻具；井底动力时—承受反扭矩；起下钻、下套管时—承托钻杆或套管重量；处理事故时，造扣、倒扣(上提)。（2）转盘的结构①水平轴总成—传递动力水平轴；小伞齿轮；轴承；输入链轮；制动装置(制动棘轮)②转台总成—驱动方钻杆转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方补心；泥浆密宫密封装置。③壳体—连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油）2.水龙头（1）水龙头的作用①承重—承受钻柱重量②旋转—支承旋转的钻具③耐压—输送高压泥浆（2）结构组成与特点①承重部分：提环；壳体②旋转部分：中心管总成主轴承，防跳轴承；扶正轴承（2个）③轴承布置两扶正轴承分置于主轴承两边（图2-2间距大，扶正好）。④耐压：鹅颈管；冲管总成冲管总成为快卸密封结构（易损件）浮动冲管（工作时不转动，有轴向窜动。），Y形液压自密封、快卸结构（参见图3-14）。二、循环系统设备(I-4,II-4,III-4)主要有：钻井泵，钻井液净化、处理调配装置。作用：清洗井底，携带岩屑，保护井壁，冷却钻头。为井下动力钻具提供高压动力液。三、起升系统设备主要有：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井架。作用：起下钻具、下套管，控制钻压。上述三大系统是钻机的三大工作机。四、动力驱动系统有：柴油机组、发动机组、电动机组。作用：提供动力。五、传动系统设备联动机组—动力并车。作用：传递、分配动力。六、控制系统和监测仪表司钻台、液、气、电控制、仪表各种钻井仪表及随钻测量系统（MWD）。七、钻机底座安装钻井设备。钻台底座用于安装井架、转盘，放置立根盒及井口工具及司钻控制台，安装绞车，下方应能容纳必要的井口装置。应有足够的高度、面积和刚性。机房底座用于安装动力机组及传动系统设备。八、辅助设备有供气、水、油、暖设备、井口防喷设备。钻机是所有钻井设备，包括八大（系统）设备：旋转、循环、起升、动力、传动、控制、底座、辅助。八大部件：绞车；转盘；水龙头；大钩；游车；天车；钻井泵；柴油机；十大部件：加—井架；联动机组。第二节钻机分类与特点一、分类1．按井深分①浅井（≤1500m）；②中深井（1500~3000m）；③深井（3000~6000m）；④超深井6000m。2．按驱动设备类型分机械驱动钻机（MD）；电驱动钻机（ED）。3.按驱动方式分单独驱动（各主要机组单独驱动）；统一驱动。4．按主传动副类型分（从动力并车角度分类）①胶带并车传动—胶带钻机；J②链条并车传动—链条钻机；L③锥齿轮—万向轴并车传动—齿轮钻机C。5．按地区和用途分海洋钻机；浅海钻机（适用与0~5m水深或沼泽地区）；陆地常规钻机；丛式井钻机；沙漠钻机；直升机吊运钻机；小井眼钻机（指90%井身直径小于7”或70%井身直径小于5”的井。小钻机易运、钻速高、套管小、成本低。液压驱动、配顶驱钻井装置、自动化高）；连续柔管钻机（连续柔管代替单根钻杆，有绕管的卷筒。成功地用于作业机，如冲洗、人工举升、测井和射孔、挤水泥、井下扩孔、防砂及酸化增产。钻井配合井下动力钻具。）二、钻机特点1.大功率、传动复杂，多工作机联合工作。（例JC45绞车，功率1100kW相当于：10个车间×25台机床×一台车床4kW≈JC45的功率）2.绞车、泵、转盘三大机组不同时工作。3.钻井过程不连续钻进时间短，起下钻时间长，原因换钻头。4.工作地区广阔（平原、山地、沙漠、沼泽、海洋），自然环境恶劣（风、沙、雨、雪），野外流动作业，要求钻机有很强的适应地区、环境的能力和很高的移运性能。第三节钻机基本参数一、基本参数反映钻机工作性能的数量指标称为基本参数。钻机基本参数十个：L（名义井深）；Qmax（最大钩载）；Qds（最大钻柱重）；Ndr（绞车功率）；Z（Zmax）有效绳数；dw（钢绳直径）；Np（泵功率）；Dr（转盘通径）；Hr（底座）；H架。1．名义井深L，主参数。推荐钻深范围，上限为名义井深。（Lmin～Lmax=L）旧系列15、20、32、45、60、80（使用5”钻杆井深）新系列10、15、20、30、45、50、70、90、120（使用”钻杆井深）。2.最大钩载Qmax在标准规定的最大绳数下，下套管或进行解卡等其它特殊作业时，大钩上不允许超过的最大载荷。Qmax决定钻机下套管和处理事故的能力，是核算起升系统零件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的依据。2143.最大钻柱重量Qds在标准规定的最大绳数下，正常钻进或进行起下作业时，大钩所允许承受的最大钻柱在空气中的重量（质量）【也称额定载荷】。Qds＝10q.LkNq—钻柱线密度（单位长度质量），10≈9.8＝g；L-最大井深，km。二、主参数与钻机型号1.主参数①能直接反映钻机的主要性能；②能用以标定钻机型号，并作为设计、选用钻机的依据；③能影响和决定其它参数。我国钻机新标准规定名义钻井深度L为主参数。第一，L直接表明了钻机的最大钻井深度；第二，L影响和决定其它参数的大小；符合我国以钻机钻井深度定型名和井队编号的习惯用法。我国以前用Qds（最大钻柱重量）为主参数。前苏联和罗马尼亚，钻机标准采用最大钩载Qmax作为主参数。美国钻机没有统一的国家标准，各大公司生产的钻机基本上以名义钻深范围（Lmin~Lmax）为主参数。（1320M型钻机，指钻深13000～20000英尺，钻深6100m，NSCO国家供应公司，NationalSupplyCO.）2.钻机型号我国石油钻机国家标准规定了石油钻机的型式与基本参数，适用于石油、天然气勘探开发用钻机。我国钻机型号意义如下：ZJ□□□（厂家代号用一个汉语拼音表示；改型序号用啊拉伯数字表示）链条并车无或为L；胶带并车钻机为J；齿轮传动钻机为C；电驱钻机为D自行车装钻机为Z；半拖挂车装钻机为T新标准增：Y-液压钻机；DJ-交流电驱动钻机；DZ-直流电驱动钻机；DB-交流变频电驱动钻机钻机级别：以100m计的钻机名义钻深范围的上限。钻机代号。例，ZJ32J-2；ZJ45；ZJ60D；ZJ70LDB：兰石厂04年生产，04年8月在胜利钻井四公司安装试车，之后准备到四川打气井（L链条并车、DB交流变频电驱，转盘电驱，其他机驱。）。三、起升系统参数1.绞车输入功率Ndr输入轴最大功率，也称额定功率，绞车主参数。kWV1—起升I档速度，（0.4～0.6m/s）；—游动系统效率；—滚筒轴传动与缠绳效率；—输入轴至滚筒前，传动效率。Q1—起升I档游系载荷kN。Q1=Qds+10GtGt—游车、大钩、吊环、吊卡、钢绳的固定重量。总之，绞车功率取决于I档起升速度和I档起升载荷。drbtdrVQN11tbdr2.起升系统发动机功率N发＝kN.NdrkN—储备系数1.1～1.23.游动系统结构钻井绳数Z，指钻井时采用的有效提升绳数。Zmax指钻机配备的提升轮系所提供的最大有效绳数，用于下套管或解卡作业。例，5×6,游车（轮数）×天车（轮数），Z=5×2=10,死绳、快绳去掉，为有效绳数。正常用5×6，解卡用6×7（Zmax＝6×2=12）,不同钻机结构不同。指游车和天车及有效绳数Z，Zmax。4．钢绳直径dw根据Qmax（最大钩载）的Pfmax（Zmax时快绳拉力）决定。快绳拉力：—游系总载荷—任意井深时钻柱重—游系重最大钩载时，，n=2（安全系数）破断拉力，由选dw。ttfZQPtdstGQQ'tQ'dsQ'LqtGtfZQPmaxmaxmaxmaxfbnPPbPbP5.井架高取决于立根高度。新标准规定井架高能提升28m立根井架。41～53m安全高度，大庆—130,H架＝41m；ZJ45,H架＝43m。6.钻台高度取决于安装井口装置的高度。安装套管头、防喷器、泥浆返出管。例，ZJ45，有4.5m，6m，7.5m。美国电驱钻机钻台高9.6m，安装双闸板、万能防喷器。【2003年12月23日，重庆开县发生天然气井喷事故，受硫化氢中毒，死亡243人。事故之后，要求井队必须安装防喷器，生产防喷器的厂家效益看好。】nWLNr36.0四、旋转系统1.转盘名义直径为转盘主参数Dr，取出大方瓦后，转盘内通径，最大号钻头能通过。2.转速：250～300r/min，有倒档。3.转盘功率（用经验式计算）马力（1马力＝0.735kW）n—转速,r/min；W—单位钻压（t/英寸钻头直径）；L—井深（m）；0.36经验系数。五、钻井泵功率Np(I-5,II-5,III-5)输入轴功率，额定功率。kW—最大泵压，Pa；—对应流量，m3/s；（钻井泵最大流量为：15～25L/s，15~25×10-3m3/s）—泵效，(0.8~0.85).泵工作时对应：最大压力对应最小流量（缸径最小）；对应：最小压力对应最大流量（缸径最大）。改变泵排量：变缸径（换缸套）。3minmax10ppQpNmaxpminQpmaxpminQminpmaxQ