浮式钻井平台主要钻井设备选型分析.pdf

2 0 1 1年 第 4 O卷 第 6期 第 1页 石油 矿场 机械 OI L F I ELD E QUI P MENT o o 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 6 0 0 0 1 - 0 4 浮式钻井平台主要钻井设备选型分析 刘 健 ， 齐 明侠 ， 郭晓虎 1 ． 中海石油研究 中心 ， 北京 1 0 0 0 2 7 ； 2 ． 中国石油大学 华东 ， 山东 东 营 2 5 7 0 6 1 摘要 由于受各种因素的影响和约束， 深水钻井设备的选型成为一个难题 。主要分析 了浮式钻井平 台钻井设备参数与钻 井深度的关 系， 包括钻机 最大钩载及顶驱、 绞车、 转盘等参数计算 ， 为深水平 台 钻 井设 备 选型提 供理 论依 据 。 关键词 最大钩载； 顶部驱动钻井装置 ； 井架； 转盘 中图分 类号 TE 9 5 1 文献标 识 码 A An a l y s i s f o r S e l e c t i o n o f Dr i l l i n g Equ i p me nt o n Fl o a t i n g Dr i l l i n g Pl a t f o r m LI U J i a n ， QI Mi n g x i a ， GUO Xi a o h u 1 ． Ch i n a Of fs h o r e Oi t Re s e a r c h Ce n t e r， Be i j i n g 1 0 0 0 2 7， C h i n a； 2 ． C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g yi n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Se l e c t i o n of d e e p wa t e r dr i l l i n g e qui pme n t i s d i f f i c ul t b e c a us e o f i mpa c t a nd r e s t r a i nt o f v a r i o us f a c t or s ． W e ma i nl y a na l yz e d t he r e l a t i o n o f d r i l l i ng e qu i p m e nt p a r a m e t e r s of f l o a t i n g d r i l l i n g pl a t f o r m a nd dr i l l i ng d e p t h， i nc l ud i ng p a r a me t e r s o f c a l c ul a t i on o f m a x i ma l h oo k l oa d， t o p d r i v e s y s t e m ， d r a wwo r k s a n d r o t a r y t a b l e ， wh i c h p r o v i d e s t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r s e l e c t i o n o f d e e pwa t e r d r i l l i ng p l a t f o r m． Ke y wo r d s m a x i ma l ho o k l oa d； t o p d r i v e s ys t e m ； de r r i c k； r ot a r y t a b l e 据估计 ， 全世界未发现的海上油气储量有 9 0 是在水深超过 1 0 0 0 m 的地层中。为适应深水作业 的浮式钻井平台及其钻井设备选型的研究已成为 当 今深水技术的热点问题_ 】 ] 。浮式钻井平台钻井设备 的选择不仅影响到平台的作业能力 ， 同时对平台的 可变载荷及整个作业工艺产生重大影响 ， 因此 ， 合理 地选择平 台钻井设备对发挥平台的最优性能起着至 关重要的作用。笔者以陆上钻井设备的选型为理论 基础 ， 并与国内外钻井平台配置参数 的调研结果类 比， 总结出一套用于浮式钻井平 台钻井设备选 型的 参数计算方法 ， 从而为钻井平 台的钻井设备选 型提 供依据。 1 选 型原 则 1 海 上钻 井 平 台 的 面积 和 空 间 有 限 ， 应 尽量 选择体积小的设备 ， 从而为设备 的布置和操作留有 足够的空间。 2 可 变载荷 是 评 价 平 台的 重 要 指标 ， 钻 井 设 备的选型应保证在满 足钻井能力的条件下 ， 尽 量选 择较轻的设备 ， 以增加平台的可变载荷， 减少补给成 本 ， 提高持续钻井的能力。 3 海上钻井作业成本高 ， 应尽量采用功率大、 效率高的机械设备 ， 并采用先进的工艺提高机械化 和 自动化 水平 。 收 稿 日期 2 0 1 0 1 2 0 8 基 金项 目 国家重大专项“ 深水油气 田开发钻完井工程配套技术” 项 目 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 6 一 O O 1 作者简 介 刘健 1 9 7 3 一 ， 男 ， 安徽界首人 ， 工程师 ， 博士 ， 主要从 事海洋钻采装备研究 。 石油 矿场 机械 2 0 1 1 年 6 月 2 参数 的确 定 2 ． 1 钻 机 最大 钩载 l_ 3 ] 钻机最大钩载 Q 是指钻机在规定 的最大绳数 下 ， 在解卡和下套管等特殊作业时指重表不允许超 过的载荷极限值 ， 包括动载荷 冲击载荷 在 内， 是提 升部件的主参数 ， 也是提升部件及转盘等设备 的选 型依据。 钻机最大钩载值可按式 1 计算 ， 即 Q ≥Kc 0 ． 6 2 8 L4 0 0 k N 1 式 中， L为名义钻井深度， m； K 为钩 载储 备系数 ， 当 L ≤ 4 3 0 m 3 7 5 0 0 f t 时 ， 取 Kc 一1 ． 2 0 ； 当 L 1 1 4 3 0 m 3 7 5 0 0 f t 时 ， 取 Kc 一 1 ． 7 0 。 深水平 台钻井设备钩载选择时不得小于式 1 计算值 ， 且 向上取 AP I 标准值。表 1 给出 了按 照式 1 计算的不同钻井深度下最大钩载的计算值 。 表 1 钻机最大钩载计算值 表 2是对 国内外现有平 台配置参数调研后归纳 出的钩载值 。 表 2 钻 井平台用钻机最大钩载值调研统计数 据 名义井深／ m f t 6 0 9 6 2 0 o 0 0 7 6 2 0 2 5 0 0 0 9 1 4 4 3 0 0 0 0 1 0 6 6 8 3 5 0 0 o 1 1 4 3 0 3 7 5 0 0 1 2 1 9 2 4 0 0 0 o 最大钩载 范围／ k N 4 5 3 6 ～5 8 9 7 5 2 1 6 ～9 3 3 0 5 8 9 7 ～1 1 3 4 0 9 0 7 2 9 0 7 2 ～1 1 3 4 0 1 3 6 0 8 平均最大 钩载／ k N 5 5 5 6 6 6 4 5 8 3 5 5 9 0 7 2 1 0 2 0 6 1 3 6 0 8 通过表 1 ～2相同名义井深下的钩载值对 比得 知 ， 式 1 计算结果与实际值 基本 吻合 ， 可作 为海上 钻机最大钩载值 的计算依据。 表 3给出了部分名义井深下钻机最大钩载值和 该名义井深下宜选用的钻机级别 。 表 3 不 同钻 井深度 下钻 机的最 大钩载 计算值及 推荐 的钻 机级别 钻井深 度／ m 计 算最大钩载／ k N 宜选用的钻机级别 5 00 0 7 OO O 9 0 0 0 1 2 0 00 4 2 48 5 75 5 7 67 2 9 52 3 7 O ／ 4 5 O O 9 O／6 75 0 1 2 0 ／ 9 O 0 0 将 表 3与 S Y ／ T 5 6 O 9 1 9 9 9 石 油钻机型式 与 基本参数 对 比， 可知海上钻井平 台用钻机比陆地上 同等钻深情况下的钻机高一个级别。 对 于天车、 游车 ， 其主参数是最大静载荷 ， 均可 按照式 1 计算确定 ， 从而为天车 、 游车 的选型提供 依据 。 2 ． 2 顶部驱动钻井装置参数 海上钻井费用高 ， 为提高钻井效率 ， 多用顶部驱 动钻井装置代替水龙头和转盘 。顶部驱动装置的主 参数是连续工作扭矩和最大载荷__ 4 。 2 ． 2 ． 1连 续 工 作 扭 矩 的确 定 顶驱的连续工作扭矩为 Mm ≥1 0 L ～5 k N m 2 式 中 ， L 为名 义井 深上 限 ， m。 根据式 2 计算得到不 同井深下顶驱的连续工 作扭矩如表 4 。 表 4 不 同名义钻 井深度下顶驱连续工作扭矩计算值 参考 S Y／ T 6 7 2 6 --2 0 0 8 石油钻 机顶部驱 动装 置 中钻机名义钻深 与连续钻井扭矩规 范 ， 并依 据 “ 海上钻机选型 比陆地上 同等钻深下 的钻机高一级 别” 的结论 ， 得到名义井深与顶驱连续工作扭矩的标 准规范如表 5 。 表 5 海上平台用顶驱钻深与连续工作扭矩 关系 第 4 O卷第 6 期 刘健 ， 等 浮式钻井平台主要钻井设备选型分析 将表 4 ～5相同钻井深度下计算的连续工作扭 矩 与标 准规 范 的连续 工作 扭矩 对 比可 知 ， 由式 2 确 定 的顶驱连续工作扭矩计算值 与标准规范吻合 ， 仅 当钻井深度为 5 0 0 0 m 时， 计算所得的连续工作扭 矩小于标准值， 但 由于顶驱的选型比同等钻深下陆 地钻井用顶驱高一级别， 钻井能力有一定 的余量 ， 因 而实际中也能满足使用要求。 2 ． 2 ． 2 顶驱最 大载荷的确 定 顶驱 的最大载荷表示 顶驱能承受 的最大起重 力， 设计计算时可与大钩载荷一致， 因此可按式 1 确定 。 2 ． 3 绞车参数 绞车是钻机 系统 中用 于起 下钻具 、 套管 、 隔水 管、 水下器 具及悬 持全部 钻具 和钻 头 的重要 提升 部 件 。 通过参考陆地钻机绞车的功率计算 公式 ， 并 与现有的海上平台用绞车功率配置类 比， 修正后得 海上平台用绞车功率与钻井深度 的关系为 P出一K出 0 ． 6 2 8 L 4 0 0 k W 3 式 中 ， Pa 为 绞 车额定 功率 ， k W ； L 为名 义 钻 井深 度 ， m； Ka 为绞车功率计算系数 ， 取 Kd 一0 ． 5 。 根据式 3 计算不同井深条件下的绞车功率 ， 计 算值如表 6 。 表 6 不 同井深 时绞车额定 功率计算值 通过表 6与表 7的对 比可知， 绞车功率 的计算 值与实际配置基本吻合， 可作为浮式钻井平 台钻井 绞 车 的选型 依据 。 2 ． 4转盘 参数 转盘是钻井设备中的重要旋转部件 ， 在钻井过 程中传递足够 的扭矩 和转速 ， 下套管或起下钻时承 受井 中全部套管柱或钻杆柱重力 ， 转盘选型时主要 考虑 以下 因素 。 2 ． 4 ． 1 转 盘 通 孔 直 径 转盘通孔直径是指转盘取出大方补心后转 台内 的通 孔直 径 ， 可 根 据各 级 钻 机 最 大井 深 开钻 用 的最 大钻头直径来决定。海上石油钻井用的转盘必须能 够顺利通过隔水管等水下工具 ， 目前深水钻机 中， 转 盘开 口直径有 0 1 2 5 7 ． 3 mm 4 9 英寸 多用于双 井架辅助井 口的转盘 和 0 1 5 3 6 ． 7 mm 6 0 英寸 2种 。 通过对现役平台的转盘开 口直径参数进行调研 统 计 ， 得 到 钻 井 深 度 与 转 盘 开 口直 径 的 关 系 ， 如 表 8 。 表 8现役平台转盘开 口直径与名义 井深关 系 2 0 1 1年 第 4 O卷 第 6 期 第 4页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 6 0 0 0 4 0 4 螺杆钻具打捞器接头有限元力学分析 陈世 春 。 ， 练章 华 。 王树超 ， 丛长江 ， 乔 勇 1 ． 西南石油大学 油气藏地质及开发工程 国家重点实验室 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 渤海钻探工程公司 塔里木钻井工程公 司， 新疆 库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 建立了打捞器接头及其造扣过程的有限元力学模型。根据 实际情况， 将造扣过程划分为 4种 力学工况， 并将造扣力简化为打捞筒 内的线性分布。经过有限元计算 ， 造扣位置的径 向力最大， 并 在造 扣段 线性 减 小为 零 ， 结 果符 合 实 际情 况 。该 打 捞 器接 头及 其特 T r 2 1 0 4螺 纹 强度 满 足 现 场 使 用要 求 。 关键词 螺杆钻具 ； 打捞 器； 有限元； 接触压力 中图分类 号 TE 9 2 1 文献标 识 码 A Fi n i t e El e m e n t Ana l y s i s o f Co n ne c t i o n o f S c r e w Fi s h i n g To o l CHEN S h i c h u n ， LI AN Z h a n g h u a ， W ANG S h u c h a o 。 ， CONG Ch a n g j i a n g ， QI AO Yo n g 1 ． S t a t e Ke y L a b o f O i l a n d G a s Re s e r v o i r G e o l o g y a n d E x p l o i t a t i o n， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． B o h a i Dr i l l i n g E x p l o r a t i o n De p a r t me n t o f T a r i m Oi l f i e l d Br a n c h Co mp a n y， Ko r l a 8 4 1 0 0 0， C h i n a 由表 8可 知 井深 9 1 4 4 m 3 0 0 0 0 f t 的超深井 ， 需要下人大 型 隔水 管 、 重 型 套 管 ， 这 种 情 况 下 多 选 通 径 为 0 1 5 3 6 ． 7 mm 6 0 英寸 的大型转盘 。 2 ． 4 ． 2 转 盘最大静负荷 转 盘 最 大静 载 荷 是 转 盘 能 够 承 受 的 最 大 垂 直 力 ， 按钻机的最大钩载取值 ， 是转盘的另一个重要参 数 ， 由式 1 计算确定 。 3 结语 海上钻井设备选型受各种 因素的影 响， 其 中钻 井深度是一个重要因素。本文总结 出的钻井设备参 数与钻井深度的关系基本符合现役钻井平台的钻井 设备 配置要求， 故可用来作为浮式钻井平 台钻井设 备的选型依据 。海洋钻机 与陆地钻机并 无大 的区 别 ， 大部分设备可通用 ， 但也有少许 的区别 ①在相 同钻深情况下海上钻井设备多数比陆地钻井设备的 级别 高； ②顶驱的选型 比同等钻深下陆地钻井用顶 驱高一级别 ； ③因为要通过大直径的隔水管等水下 器具， 海上转盘开口直径 比陆地上转盘开口直径大； ④海洋钻井绞车采用 电驱动 ， 可实现无级调速， 绞车 驱动功率大， 最大功率可达 4 4 7 6 k W 6 0 0 0 h p ， 远 比陆地钻机绞车的功率高。 参考文献 [ 1 ] 赵洪山 ， 刘 新华 ， 白立业． 深水 海洋石 油钻井 装备 发展 现状 _ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 5 6 8 7 4 ． E 2 ] 安国亭， 卢佩琼． 海洋石油开发工艺与设备[ M] ． 天津 天津大学 出版社 ， 2 0 0 1 6 4 8 9 ． [ 3 ] 陈如恒． 钻井机械 的设计 计算 [ M] ． 北 京 石油 工业 出 版 社 ， 1 9 9 5 1 2 ． [ 4 ] 李传华 ， 刘鹏 ， 刘百 红． 浅 述 国外 顶部驱 动装 置 的性 能与应用 [ J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 7 3 0 3 3 ． [ 5 ] 张 晓军 ， 戴克文 ， 徐 鹏． 海 洋平 台 9 0 0 0 m 钻 井模 块 绞车 的研制 [ J ] ． 石油 矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 7 7 7 9 ． 收 稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 4 基金项 目 国家 自然科学基金 项 目 5 0 7 7 4 0 6 3 作 者简 介 陈世春 1 9 6 7 一 ， 男 ， 河北唐 山人 ， 高级工程师 ， 博士研究生 ， 主要从 事钻井新技术研究及其管理工作 。