钻井平台设备详解(1)

钻井设备- Swivel & Top driver

前面我们已经知道了，钢丝绳穿过定滑轮组和动滑轮组，动滑轮组因此

可以上下自由的运动。但是问题出来了，上下垂直方面可以很方便的运动，但

是我们钻井，还需要旋转的力，也就是钻杆是旋转的，我们的滑轮组不可能跟

着一起转，否则之间的钢丝绳估计会绞得像麻花。

这是swivel的其中的一个作用，同时我们也知道，钻井需要钻井液，试

着想一想，钻杆在哪里高速的旋转着，我们如何把钻井液-泥浆送到钻杆的中空的空间去呢？这是swivel的另外一个重要作用- 泥浆进入钻杆的最初的通道。如下图，泥浆经高压软管—鹅颈管goose neck—进入swivel。

要起到以上两个作用，swivel的结构就基本上知道一二了。如下面的

彩图，

在swivel的本体中，下部的杆swivel stem通过滑动轴承-锥形和本体

形成相对运动，本体同时承受侧向力和向下的拉力。同时杆的顶部和本体上部

形成密封空间，泥浆经鹅颈管进入此密封空间，在经空心的杆进入钻杆。空心

杆下部为API螺纹接头，可以和钻杆拧接。

好了，我们现在可以把swivel改造一下---给它加上能够使swivel stem旋转

的动力。

如何改造，很简单，加电机和齿轮。怎么加？

我们可以想象一下，既然要使swivel stem旋转，那么我们在swivel stem上加一个大的齿轮，如同汽车的轮子一样，中间杆是swivel stem，轮子是齿轮。在齿轮的一侧再加一个由电机带动的齿轮，它们啮合在一起。这样一来，swivel stem就可以在电机的带动下旋转起来。同样地，为了平横侧向力，

以及增加旋转的扭矩，在齿轮的另一侧也加一个电机带着的齿轮。下图是齿轮箱：

然后加上必要的润滑设施和结构部分，以及导向机构。它有了一个新的名字Top driver，也叫power swivel。很显然，Top driver与swivel的区别，swivel是它的一部分。

事实上，Top driver 要比上面写的复杂的多。

除了swivel以外，它还包含以下几个部分：

1.pipe hander – -用于处理钻杆。

2.riser hander ---用于处理隔水套管riser

3.Extractable dolly ---用于Top-driver的导向，它使得top driver可

以在derrick上的导轨上自由上下滑动。

4.Torque wrench ---可以提供360度的旋转力。

钻井设备- Traveling Block

Traveling Block在前面已经提到，是动滑轮组。在钢丝绳的拉动下，它可以上上下下的traveling，如下图中的红色部分

实际的照片，看起来好大。来自NOV；

定滑轮组和动滑轮组之间的绕线非常重要，要综合一下几个方面：

1.钻井绞车draw works 的绞盘上的钢丝绳与定滑轮组的偏角，以及定滑

轮和动滑轮之间的偏角，以减小钢丝绳的磨损。

2.定滑轮组和动滑轮组之间的平衡。

3.方便更换钢丝绳。

4.Deadline 和deadline anchor的位置。

钻井设备- Crown block

Crown block的中文意思就是安装在钻井架derrick顶部的滑轮组。我们都知道，钻杆都是靠钢丝绳通过滑轮组，吊在钻井架里面的。很显然，一根钢丝绳的抗拉能力不足以吊起几千米长的钻杆。简单的方法就是利用滑轮组来减少单根钢丝绳的受力。力学原理参见初中物理课程。下图就是一个典型的Crown block，右边的滑轮组单独拿出来显示。

根据钻井的深度，定滑轮组中有6-8个滑轮，如果是8个定滑轮，那么加上动滑轮组traveling block中8个动滑轮。钢丝绳经过这么一绕，就有相当于把力分配到了16根钢丝绳上，大大减少了单根所受到的力。

但是，深海钻井架上的crown block结构绝没有那么简单，它还包含了一套钻杆补偿装置，或者说crown block是补偿装置的一部分。如下图所示，图片来自于Aker 公司产品目录。

这个补偿装置可以减少钻头上受力波动，因为浮式钻井平台的特点。它的结构

由以下几个部分组成：定滑轮组 crown block，两个摇臂 rocker arm，两个

气缸cylinder,以及液压控制系统。

Cylinder的活塞杆与中间的定滑轮相连接，另一端固定在井架上。钢丝绳通过

摇臂进入定滑轮组以及动滑轮组，绕线完毕后，经另外一个摇臂出来。

顺便提一下，钢丝绳由一个叫钻井绞车draw works 的设备拉着，这一侧的钢

丝绳叫fast line 另一端通过滑轮组绕线后，固定在一个叫deadline anchor，这一侧的钢丝绳叫dead line。国内钻井有些翻译成“快绳和死绳”，似乎有

点望文生义的感觉，怪怪的。这样一来，通过控制绞车的转动就可以控制traveling block的升降了，自己思考一下。

控制系统包括液压单元HPU，高压气瓶 APV，控制板 Control panel ，

蓄能器 Accumulators，隔离阀 isolation valve，作用如同前面文章中提到的shut off skid。

再深入一点，值得一提的是，海底设备经常需要钻杆，隔水套管来进行

安装。为了确保施工的精度。试想一下，当我们把BOP或者采油树 X-Mass

tree安装在几千米长的隔水套管或钻杆下面的，准备安装在井口的时候，如何

保证BOP或采油树不上上下下的起伏运动呢？

钻井设备- Derrick

从今天开始，我想从自己对钻井设备的认知，参考一些相关的书籍，介

绍一下钻井设备。这部分内容对于绝大多数初学的朋友来讲，都是相对比较陌

生的。就是我们常说的钻井包 Drilling package。国内新造的钻井平台中，我