我国钻机问题

1、石油钻机的有关问题,作者：马家骥 2014年2月20日,一、我国石油钻机发展历程 经过六十余年的努力，我国从钻机进口国，已成为钻机 出口国，产品出口到美洲、非洲、中东、亚太等国家和地区。 特别是以成套钻机、顶驱、钻井泵批量出口北美市场，标志 着我国已成为继美国之后又一个钻机制造大国。,2005-2009我国钻修机生产与出口情况,石油钻机发展历程,表1,表2 给出了我国和国外近年生产钻修机统计。,表2,数据表明我国已成为陆地钻修机生产大国,历年钻修机生产统计,中国石油天然气钻机出口规模统计,二、石油钻机标准问题,1、借鉴美国先进技术、符合AP1规范形成我国成套钻机标准。 确定机械钻机以链条并车为

2、基本型。,(1)具体借鉴的National公司 市场容量大 1973年美国286个陆地和40个海洋钻井公司使用1891台钻机中，八大钻机公司占90%,其中National公司最多。,另据“油气杂志”1978年9月一期中估计，全美78年共生产330台钻机National 占一半。,2、钻机主要特点：较好满足钻井工艺要求,比较好体现美国钻机作业效率高的特点 a、绞车功率大 为适应提高起下钻效率要求，进入上一世纪70年代，国民器材公司绞车功率均有提高。 表5 国民器材公司绞车功率变化情况（单位：马力）,美国国民器材1320钻机绞车起升性能图,1320-M绞车高挡提升速度为2.45m/s,b、井深越深

3、配备功率越大,兰石厂于83年引进了National的1320UE与1625UE设计制造技术。,（2）79年标准 作业能力强（与已有钻机比较）,a、最大钩载 通过增加滑轮绳数，并以更低起升速度工作，大部分绞车能够提起相当于2-3 倍名义钻柱重的套管柱。,采用特级犁钢钢芯钢丝绳和API游动效率确定的大钩最大载荷,b、机械钻机采用电爬台，解决高钻台转盘动力上台问题。,作业效率高 a、绞车配备功率相同时，我国钻机钻深能力（此处指79 年标准）小于或等于美国国民器材标准。,作业效率高 b、配备钻井泵与动力机功率大（见表6、7） 表 6,表7,为配备大泵提供了动力条件。动力机配备过大，为液力传动钻机燃油消

4、耗过大埋下隐患。,配备功率大为喷射钻井和特殊井钻井提供设备条件。,美国各型钻机的主要配置,（3）99年修订主要内容 出于出口和对外承包钻井工程有利出发、参考 美国其 它公司绞车的钻深能力，适当增大了各级钻机的能力。,。,3、成套钻机命名：名义钻深/最大钩载 起升系统中的最大钩载和绞车功率，是钻机钻深能力的 必要条件。 因此，我国成套钻机的命名是借鉴国民器材绞车命名加 最大钩载。体现了钻机的最基本的特征。特别是由于下大尺 寸套管柱，需要生产加强型钻机时，主要特征即可在命名中 体现。 比如生产7000米加强型钻机，原钻机命名为ZJ70/4500. 加强型钻机即为ZJ70/5850型。,三、钻机名义

5、钻深能力 钻机的名义钻深是指井眼尺寸为81/2时，该钻机能钻达的井深。 1、钻机的起升系统功能直接影响钻机钻深能力。 在钻机基本参数中的最大钩载、绞车额定功率、游动系统绳数和钢丝绳直径直接限定了钻机的名义钻深能力。 而钻盘开口直径、钻井泵功率主要受井眼尺寸限定。 比如在粗略估算钻机功率时，可见上述这些判断。 （1）对于起升能力，每1000英尺需要100马力。,（2）对于钻井泵功率，需要马力=10D2,2. 钻机名义钻柱负荷的确定,美国有关文章介绍，使用41/2钻杆的钻柱平均重量为30kg/m，此时钻杆重27.5kg/m（18.5磅/英尺）二者之比为1.09. 我国钻机标准规定使用5钻杆（重30

6、kg/m),钻柱平均重量为36kg/m，二者之比为1.2。 实际钻柱重：完钻井眼尺寸8 1/2”使用牙轮钻头钻压为20t。按7柱6 ”钻铤（考虑加扶正器）配，重123kg/m，总长192.15m，即9.15m21根计算最大钻柱=30kg/m 名义井深+（123-30）kg/m192.10m。 实际结果见下表,名义钻柱与实际不符,80年代末美国绞车标注钻井深度时也不再标注钻杆尺寸。 相应标准中也应取消。,3.按钢丝绳破断拉力（安全系数为3）确定的钻机名义钻深能力,4、钻机的最大钩载 钻机起升系统的主要标志之一是最大钩载 （1）钻机最大钩载明显大于各级钻机的名义钻柱重量。,（2）整套钻机出厂时都进

7、行最大钩载静负荷试验。 （3）按照API规定，起升系统部件如大钩包括顶部驱动钻井装置均要进行2倍 的最大钩载型式试验 （4）可见，钻机目前标定名义钻深所构成的钻柱重量，不会给钻机造成强度 方面问题。,5、绞车功率 按照一定作业效率要求，起升名义钻柱时应该配备的功率。,（摘自“钻井基本操作”）,（摘自“国民器材钻机设计准则”）,（1）各级钻机按绞车功率给出的名义钻深能力 国民器材公司绞车定额的标定 大中型绞车的名义定额是在大钩速度为0.457m/s-0.61m/s、 8绳条件下标定的。下面为总效率为75%时各种机械驱动绞车能 提升的钻柱负荷和标定的名义钻深。,从上表可看出，750和1000马力绞

8、车在额定钻深时，作业效率稍有下降。,（吨）,钻机名义钻深能力 下表给出了按钻机名义提升负荷计算出的钻深能力,PDC钻头的用量逐年增加,中石油2011年PDC钻头进尺已占总进尺的84%。,随着PDC钻头（81/2“需钻压3-5吨）推广应用，相比牙轮钻头 （ 81/2“需钻压20吨）用5”钻杆，钻机钻深能力将又增加500米。可见，用5”钻杆，各级大型钻机均能达到名义钻深能力。,（2）采用PDC钻头后，名义钻深能力会有所增加,使用PDC钻头各级钻机的名义钻深能力,6、小结,上述分析表明： 1.钻机钻深能力是指按一定作业效率要求限定的钻井深 度。用5”钻杆各型钻机都能正常钻达所给定的规定钻井深度。 此

9、时，钢丝绳与提升部件的强度均还有一定裕度。 2.建议：现行标准中应删去使用钻杆尺寸一项。,四、如何根据工程设计选用钻机,1、常规作法 按81/2井眼所给井深选用相应钻机，然后再用各级套 管柱空气中重量按小于80%最大钩载校核，当超过时应选大 一级钻机。 2、推荐作法 第一步， 依然是最大井深（ 81/2井眼）钻机名义钻 深。 第二步， 依然是最大套管柱空重80%最大钩载，当 超过时，新造钻机应选加强型，即名义钻深能力不变，只是 起升系统加大一级。已有钻机通过改造起升系统最大钩载能 力，成为加强型。,大吨位长裸眼下套管作业统计表,塔里木3000万吨的主力新建产区块在大北、克深（90亿方）。该区块

10、地质构造复杂，套管层次多，大尺寸套管下深普遍超过5000米，吨位大，现有7000米钻机不能完全满足安全钻井的要求。,3、塔里木油田7000m加强型钻机,按照上述要求，有的已超过70钻机最大钩载的90%，应选用 9000m钻机或选用加强型。,采用加强型ZJ70/5850钻机与ZJ70/4500钻机相比主要改 动内容是天车滑轮数由7改为9，游车滑轮数由6改为8，井架、 底座、大钩能力由4500KN改至5850KN。,两种方案比较,可见，一定钻深能力条件下，只由于下放大套管柱有欠缺，选用加强型方案较好。,推荐加强型钻机的主要出发点,油气储量按埋藏深度统计,本表为地质学家根据全球546个大油田的资料统

11、计而成。 大量生产钻深能力9000m钻机后，有可能导致能力闲置，既加重了钻井承包商的负担，也多占用了资源。,中美2011年有关钻井及钻机动用情况,标准化工作的需要。,五、钻机用钢丝绳问题,1、钻机钢丝绳安全系数偏小 根据APIRP9B有关规定，用于起下钻时，钢丝绳的安全系数为3，用于下套管时安全系数为2。 该规定曾在80年代引起美国健康安全署质疑，指出钢丝绳起升最小安全系数必须大于3。 此意见如被采纳，势必造成滚筒尺寸大加，影响绞车尺寸和移运性，通过采用定期倒换的措施，确保钢丝绳的安全使用，致使API的上述规定延至今天。,2、保证钢丝绳安全的措施,（1）设计上 滚筒直径要兼顾保证钢丝绳寿命、一

12、定的移运性和经济 性，通常应为钢丝绳的20-24倍。 滚筒长度应保证起下立柱时，其上缠绳不超过三层。 滚筒开绳槽。,按此表设计，游动系统为8和10时，能满足缠三层的要求，下套管时，大钻机最大绳数12、14时，仍能保持缠三层。,在设计交流变频绞车时，应参照相应滑轮直径，使滚筒直径适当加大，既能进一步提高钢丝绳寿命，又能在使用顶驱下立柱时，能尽量使钢丝绳还能保持缠三层。,推荐的滑轮直径,（2）使用上 正常钻井时应穿钻井绳数,游动系统效率,不同绳数的起升速度,穿钻井绳时的解卡能力,70、90、120钻机穿钻井绳钻井时，不能用最大钩载值用于解卡。,使用最大钩载下大套管柱时 在根据套管柱选择钻机时，应使

13、套管柱在 空气中的重量0.8Q大。 采用最大钩载下大套管时，应倒换为新钢丝绳，并小心操作，避免冲击。 应保证滑轮绳槽与钢丝绳的匹配，并定期用滑轮绳槽样板进行检查。 按规定进行钢丝绳的倒换。 钢丝绳制造厂，应向用户提供倒换钢丝绳的依据（吨公里数）。,六、钻机游动系统钻井绳数的确定,1、钻机钢丝绳直径、钻井绳数、最大绳数的确定直接影响着钻机 起升作业效率及绞车的重量与尺寸。 美国钻机采用特级犁钢钢芯钢丝绳，其绞车用钢丝绳直径与钻井 、最大绳数见下表。 美国国民器材公司各级绞车的有关参数,钻井绳数普遍采用8，既有高的起升速度、又有好的传动 效率。,六、钻机游动系统钻井绳数的确定,2、钻机国标1806

14、-79中钻井绳数的确定。由于我国当时钢丝绳强度偏低，致使钻 井钢丝绳数均偏大，即便如此，也给设计制造深井钻机带来困难。,本表为制定上述标准时的有关资料。,3、进入上世纪八十年代，咸阳钢丝绳厂引进美国技术，研制生产出了 特级犁钢钢芯钢丝绳，但钻机标准没做相应修订，即降低了钻机起升作业效 率，也影响了钢丝绳的寿命。 为此，笔者建议将各级钻机钢丝绳的钻井绳数与最大绳数做如下调整。,计算表明：采用推荐的钢丝绳绳数，钢丝绳安全系数均满足API的规定。,该建议与2009年的标准对比,两种钢丝绳破断拉力比较,4、采用咸阳压实型特级犁钢钢芯钢丝绳时，安全系数还有提高。,采用压实型特级犁钢钢芯钢丝绳和API游动效率确定的最大钩载,七、关于延长泵易损件寿命问题,1、确保钻井泵空间几何精度要求 2、适当降低使用冲次，应使用可满足所需压力的最大尺寸活塞。,3、按下表给出的间隙值，适时更换缸套,4、阀体阀座同时更换,需配备带弹簧的内卡钳。,5、选用高质量易损件。,八、降低电驱动钻机燃油消耗问题,从燃油量消耗公式出发，提出以下减少燃油消耗的措施。Q=q马力小时 1、提高作业效率 由于交流变频绞车设计参数偏低，加上正常钻井时，使用最大绳数，致使钻井 周期为200天的超深井，起下钻要多用13天。按一天平均烧4吨油计，全井要多烧52吨柴油。 2、通过