周天明， 王安義， 李 勇， 張 鵬， 春 晨

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞 721002；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司， 陜西 西安 710018)

0 引 言

隨著海洋油氣資源勘探開發(fā)力度的不斷加大，對(duì)石油勘探裝備的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。鉆井裝備的自動(dòng)化、智能化程度不斷提高。海洋鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)形式也由單一的電驅(qū)動(dòng)向全液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)絞車提升式和液缸舉升式兩種不同的系統(tǒng)。兩種提升系統(tǒng)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而對(duì)用戶來說，采購配套海洋平臺(tái)鉆機(jī)，其作業(yè)效率、安全性、操作維護(hù)性及采購成本是其考慮的重要方面。因此如何選擇海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng)以提高作業(yè)效率、安全性、操作維護(hù)性及降低采購成本具有重要意義。

1 海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

目前應(yīng)用最為普遍的海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng)為絞車提升式，主要由絞車、井架、天車、游車、大鉤、鋼絲繩等設(shè)備組成。經(jīng)過多年的發(fā)展，其整體技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，作業(yè)可靠性也得到現(xiàn)場驗(yàn)證。隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展及大型液缸制造技術(shù)的突破，國外公司又研制利用液缸舉升代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絞車提升，主要包括液壓油缸、井架、鋼絲繩等設(shè)備，其中井架主要起扶正導(dǎo)向作用，不承受提升載荷，同時(shí)為其他輔助設(shè)備提供安裝空間。據(jù)調(diào)研，國外MH及NOV公司研制的液缸舉升式提升系統(tǒng)已在半潛式海洋鉆井平臺(tái)上成功應(yīng)用[1-2]。

2 絞車提升和液缸舉升兩種提升系統(tǒng)對(duì)比分析

海洋鉆機(jī)配置及客戶需求不同，選用的提升系統(tǒng)就會(huì)不同。為了優(yōu)選出最適合目標(biāo)船型的海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng)，對(duì)絞車提升和液缸舉升這兩種鉆機(jī)提升系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 裝機(jī)功率

海洋鉆機(jī)的裝機(jī)功率是指鉆井作業(yè)時(shí)所需求的最大功率，而鉆井作業(yè)的功率消耗與作業(yè)工況有關(guān)，不同作業(yè)工況下鉆井系統(tǒng)消耗功率不一樣。作業(yè)工況分正常鉆進(jìn)、起下鉆、倒劃眼等3種工況，在具體計(jì)算時(shí)考慮設(shè)備的使用系數(shù)。以最大鉤載為6 750 kN的海洋鉆機(jī)為例，估算兩種提升系統(tǒng)在不同工況下的功率消耗，如表1所示。

表1 兩種提升系統(tǒng)在不同工況下的功率消耗 kW

對(duì)比結(jié)果：在相同工況下，液缸舉升式提升系統(tǒng)的功率消耗略大，且最大功率消耗發(fā)生在正常鉆進(jìn)工況，大小為5 690 kW。

2.2 鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)配置方案

鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)[3-4]是浮式海洋平臺(tái)(船)鉆機(jī)不可缺少的重要組成部分。根據(jù)其布置位置可分為天車補(bǔ)償、游車補(bǔ)償、絞車補(bǔ)償、主油缸集成補(bǔ)償、死繩端獨(dú)立油缸補(bǔ)償；根據(jù)其補(bǔ)償形式又可分為被動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)+被動(dòng)補(bǔ)償。優(yōu)先選用何種配置補(bǔ)償方案與提升系統(tǒng)有關(guān)，如表2所示。

表2 兩種提升系統(tǒng)的鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)配置方案

對(duì)比結(jié)果：絞車提升式提升系統(tǒng)優(yōu)先選用天車補(bǔ)償配置方案；液缸舉升式提升系統(tǒng)優(yōu)先選用死繩端獨(dú)立油缸補(bǔ)償配置方案。

2.3 系統(tǒng)效率

鉆機(jī)系統(tǒng)效率決定著鉆機(jī)功率轉(zhuǎn)化效率。不同的機(jī)械傳動(dòng)形式傳動(dòng)效率不同。以同一鉆機(jī)為例，計(jì)算兩種提升系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，如表3所示。

表3 兩種提升系統(tǒng)的系統(tǒng)效率

對(duì)比結(jié)果：液缸舉升式提升系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率高、能量利用率高，其系統(tǒng)效率比絞車提升式提升系統(tǒng)至少提高24%。

2.4 重量重心

重量重心控制是海洋鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)及建造的重要內(nèi)容之一。海洋鉆機(jī)重量重心控制直接影響海洋鉆井平臺(tái)(船)的甲板可變載荷及平臺(tái)(船)的穩(wěn)性，甚至?xí)绊懙巾?xiàng)目的成功與否[5]。以同一鉆機(jī)為例，計(jì)算兩種提升系統(tǒng)和不同配套設(shè)備的重量，如表4 所示。

表4 兩種提升系統(tǒng)和不同配套設(shè)備的重量 kg

對(duì)比結(jié)果：絞車提升式提升系統(tǒng)的鉆機(jī)重量大，且由于其天車補(bǔ)償裝置布置在井架頂部，重心也高。

2.5 取樣作業(yè)

在海洋鉆探作業(yè)中，取樣作業(yè)是關(guān)鍵作業(yè)之一。根據(jù)取樣作業(yè)工藝流程需求，需要配套專門的裝置或者在現(xiàn)有配套的設(shè)備上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足取樣要求。此外，不同的提升系統(tǒng)針對(duì)取樣作業(yè)工藝，其配套設(shè)備也不相同。兩種提升系統(tǒng)的取樣作業(yè)工藝要求如表5所示。

表5 兩種提升系統(tǒng)的取樣作業(yè)工藝要求

對(duì)比結(jié)果：絞車提升式提升系統(tǒng)需額外定制游車和天車補(bǔ)償系統(tǒng)，生產(chǎn)周期和成本會(huì)大幅增加。

2.6 對(duì)船體的影響

不同的提升系統(tǒng)對(duì)船體的設(shè)計(jì)、制造及海洋鉆機(jī)作業(yè)過程有不同的影響，兩種提升系統(tǒng)對(duì)船體的影響如表6所示。

表6 兩種提升系統(tǒng)對(duì)船體的影響

對(duì)比結(jié)果：液缸舉升式提升系統(tǒng)噪聲小、重心低、沖擊小。

2.7 操作維護(hù)性

降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度一直是追求的目標(biāo)，而為真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)就需要配置易于操作和維護(hù)的系統(tǒng)及設(shè)備。不同的提升系統(tǒng)配套的設(shè)備不同，操作維護(hù)性也不同。兩種提升系統(tǒng)的操作維護(hù)性如表7所示。

表7 兩種提升系統(tǒng)的操作維護(hù)性

對(duì)比結(jié)果：液缸舉升式提升系統(tǒng)對(duì)操作維護(hù)人員的專業(yè)素質(zhì)要求高，熟悉和掌握的時(shí)間長，操作維護(hù)性差。

3 結(jié) 論

綜合分析海洋鉆機(jī)絞車提升式和液缸舉升式兩種提升系統(tǒng)，可以得出結(jié)論：液缸舉升式提升系統(tǒng)在鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)配置方案、系統(tǒng)效率、重量重心、取樣作業(yè)、對(duì)船體的影響方面優(yōu)于絞車提升式提升系統(tǒng)；絞車提升式提升系統(tǒng)在裝機(jī)功率、操作維護(hù)性方面優(yōu)于液缸舉升式提升系統(tǒng)。在同樣工況下，雖然絞車提升式提升系統(tǒng)的功率消耗比液缸舉升式提升系統(tǒng)略小，但其系統(tǒng)效率低得多，因此液缸舉升式提升系統(tǒng)更加適合海洋平臺(tái)低能耗的要求。