钻机基本设计方法与需求分析

压驱动方式最先进， 但是技术要求也最高， 目前技术不是很成熟， 电驱动钻机才是目前应用较成熟者， 相比机械驱动， 拥有更多
的优势。 钻机设备在实际工作中工况较为复杂， 且不会达到最大负载荷率， 分析时应考虑多种工况。 最后提出了钻机电力负荷分
析计算方法。
关键词： 钻机； 基本设计； 需求分析
中图分类号： TE9
2 钻机基本设计方法
石油钻机是由动力系统、 传动系统、 起升系统、 压缩 空气源及气动控制系统、 仪器仪表及检测系统、 钻井液循 环及净化系统、 供电系统、 液压系统、 井口工具等系统组 成， 在每个系统中， 各种不同类型部件的组合， 就构成了 各种不同类型的石油钻机 ［1］。 钻机设计应满足以下原则：
2．5 钻机制动方式设计
制动系统是钻机的主要部分， 如配置不当或系统失 灵， 就会造成重大事故， 如游车上碰下砸、 溜钻落井等， 导致人员伤亡、 钻井报废， 所以必须精心设计和选型， 正 确操作， 才能确保安全生产。 钻机制动系统中设计的各种 刹 车 包 括 带 刹 车 、 液 压 盘 式 刹 车 、 EATON 气 动 推 盘 式 刹 车、 水刹车及主电机能耗制动等 ［5］。 根据钻井条件和工艺 的不同选择适当的制动方式。
机电工程技术 2009 年第 38 卷第 08 期
研究与开发
钻机基本设计方法与需求分析 觹
唐海雄 1， 冯 定 2， 胡泽刚 1， 徐 杰 1， 周 魁 2， 黄朝斌 2， 柳 进 2， 李寿勇 2
（1．中海石油深圳分公司， 广东深圳 518067； 2．长江大学， 湖北荆州 434023）
摘要： 分别从井架的选型与设计、 驱动方式和传动方式的选取、 钻机制动方案等几个方面出发， 描述了钻机的基本设计方法。 液
相差不大的产品进行变型设计。 比如用同一钻机主机模 块， 选配橇座模块或车载模块， 从而组装成橇装轻便钻机 或车装轻便钻机。
（4） （2）、 （3） 两种方式的综合应用。 比如用 3 种 滚筒模块设计出 7 种系列绞车， 用 3 种钳夹和 4 种刹车盘 设计出 8 种系列液压盘式刹车。
西 江 23－1 海 洋 模 块 钻 机 采 用 模 块 化 设 计 ， 吊 装 和 搬 迁较容易， 整个平台钻机分成三个大模块： 钻井设备模 块、 钻井服务模块和散料储存撬。 其中钻井设备模块坐落 于一对南北朝向的门型盖梁上， 钻机底座在梁上南北滑 动， 同时钻机也可以在底座东西方向上滑动， 从而使钻机 能移动到平台上任一井口处。 另有钻机为了满足快速搬迁 的功能， 其模块设计更小型化， 使用较小的吊装设备就能 对钻机进行搬迁， 更灵活机动。
2．3 井架类型的选择
井架的主要组成部分有： 主体、 天车台、 人字架、 二 层台、 立管平台、 工作梯等 ［2］。 轻便型井架一般没有天车 台、 人字架、 二层台和立管平台。 钻井井架种类繁多， 除 少数特殊井架外， 按整体结构型式的主要特征可分为塔形 井架、 前开口井架 （K 型）、 A 形井架、 桅形井架四种类型。
各种井架均有特点之处， 结合钻机最大钩载， 有效工 作高度， 钻台面积等因素来选择合适的井架类型。 表 2 为 索尔梅公司井架井架参数。
2．4 钻机驱动方式选取
目前， 在用和在产的石油钻机的驱动型式以机械驱动、 液压驱动、 电驱动和混合驱动 4 种型式为主。 陆地和海上 钻井都要求整套钻机设备不能太笨重， 既能适应钻井的要 求， 又能适应经常转移到新井位的要求。 其中， 动力机组 起着很重要的作用。 迄今为止， 陆地钻机主要的动力机为柴 油机居多； 而海上钻机则以柴油机发电站的电驱动为主 ［4］。
（1）
其中： Q1 为大钩起升 I 档时的游动系统起重量；
V1 为大钩 I 档起升速度， 一般取值 0．4～0．6， 也
可以根据绞车起升 I 档的转速， 滚筒缠绳平均直径及井绳
数计算：
V1 ＝
WR ； Z
ydr 为绞车输入轴至滚筒轴的传动效率； yb 为滚筒的缠绳效率；
觹 国家重大专项项目 （编号： 2008ZX05024－003－002） 收稿日期： 2009－02－17
81
研究与开发
机电工程技术 2009 年第 38 卷第 08 期
yt 为游动系统效率， 一般按下列取值： Z＝8， yt＝0．87； Z＝10， yt＝0．85； Z＝12， yt＝0．82。 （5） 顶驱功率： 依据 ODP 报告中提供的摩阻扭矩计算 结果， 可得到各种钻井工况对顶驱连续扭矩的要求， 根据 扭矩值， 同时考虑井架最大钩载， 可进行顶驱的选取， 从 而得到顶驱的功率。 （6） 钻台高度： 钻台高度指由平台上层主甲板至钻台 面的距离。 它是根据各级钻机要安装的井口装置， 主要是 防喷器组的高度来决定的。 （7） 最大泵压： 最大泵压指钻井泵能长时间输出的最 高工作泵压额定值。 它用泵的安全阀限定， 同最小缸套、 排量相匹配， 但不是按泵功率在最小缸套、 最小排量下计 算出的泵压值。 以 西 江 23－1 海 洋 平 台 模 块 钻 机 为 例 ， 此 台 钻 机 是 为 总 深 度 45628．4m 的 15 口 油 井 设 计 的 ， 其 中 ， 最 深 的 油 井 有 3217m 深 ， 油 井 的 平 均 深 度 也 可 达 3041．9m。 预 计 367 天 内 完 成 15 口 油 井 的 钻 井 任 务 ， 工 作 周 期 为 每 年 67 天 ， 综 合 考 虑 选 用 钻 深 4500m 的 平 台 钻 机 来 完 成 整 个 钻 井 任 务。 结合各标准对钻机主要参数地选取如表 1 所示。
塔形井架总体稳定性好， 承载能力大， 但井架重量 大， 单件拆装工作量大， 高空作业不安全； 前开口井架 （K 形井架） 搬迁方便、 安全、 迅速， 但受运输尺寸限制， 井架本体截面尺寸比塔形井架小， 成开口矩形， 井架内部 空 间 比 较 狭 窄 ［3］； “A” 形 井 架 承 载 能 力 和 稳 定 性 较 好 ， 但因只有两腿， 腿间联系较弱， 使得井架整体稳定性不理 想； 桅形井架， 由于运输条件所限， 井架横截面尺寸不能 太大， 这类井架的承载能力一般都比较小， 只用于车装轻 便钻机和修井机上。
表 2 索尔梅公司井架参数
82
机电工程技术 2009 年第 38 卷第 08 期
研究与开发
（1） 机械驱动 表3
柴油机液力联轴节驱动， 虽然该种驱动型式具有结构简 单、 成本低、 效率高、 并车性 能好等优点， 但是在额定工况 下， 输出转速超过了链条最佳 寿命时的工作转速， 所以近年 来该种驱动型式的石油钻机也 不多见。
考虑钻机的主要技术参数： 名义钻深、 最大钩载、 绞
车额定功率、 绞车挡数、 提升系统绳系、 钻井泵型号及台
数、 转盘开口名义直径、 转盘挡数、 井架型式及有效高
度、 底座型式及高度、 动力传动方式、 柴油发电机组型
号、 机组台数与输出功率、 发电机型号及参数、 辅助发电
机 组 台 数 与 功 率 、 交 流 变 频 控 制 单 元 （VFD）、 输 入 ／ 输 出
电压频率、 独立自动送钻系统、 储液 ／ 气罐等。
通常对钻机基本参数的确定方法如下。
（1） 名义钻井深度 L 的选取： 在标准规定的绳数下，
使用 114mm （4 1 ／ 2″） 钻柱可钻达的最大井深。
（2） 名 义 钻 井 范 围 Lmin～Lmax： 为 该 钻 机 可 经 济 利 用
的 最 小 钻 井 深 度 Lmin 与 最 大 钻 井 深 度 Lmax。 名 义 钻 深 范
（1） 初期的生产井钻完井作业； （2） 后期的生产井的大修和小修作业； （3） 横向和纵向移动， 覆盖所有井槽； （4） 满足后期油藏开发需要进行的侧钻作业； （5） 在预留井槽钻调整井并完井作业。
2．1 钻机总体设计方案与主要技术参数的选取
首先考虑： （1） 钻机主动力装置的选用， 如采用柴 油发电机组或柴油机直驱等作为钻机主动力； （2） 绞车、 转盘和钻井泵的驱动方式， 如转盘采用独立驱动方式， 绞 车由两台交流变频电动机驱动， 经二级斜齿轮减速箱减速 后， 驱动单滚筒， 绞车主刹车采用液压盘式刹车辅助刹车 采用电动机能耗制动等； （3） 采用的井架类型， 以及井 架所配备的底座形式， 井架起升方式等 ［2］。
柴油机液力变矩器驱动石 油钻机， 由于这种钻机具有良 好的载荷自适应能力、 起钻时 间短、 并车效率高等优点， 所 以目前， 世界各国生产和在用 的机械驱动钻机以该种驱动型 式居多。
（2） 液压驱动 由于液压系统具有启动力矩大、 可吸收冲击、 调速方 便和易于实现自动控制等优点。 西方一些国家已经开始研 制全自动液压石油钻机。 （3） 电驱动 稍早点的陆、 海深井钻机上常采用直流电驱动钻机， 由于深海油气井的开发和陆地油气的中、 深钻井的增多， 使得这种直流电驱动钻机逐渐暴露出了缺点。 因为直流电 动机的结构不能满足不产生火花的要求， 尤其是高压气井 的钻进， 这对直流电动机是致命的缺点。 随着变频技术的 发展， 目前大型海洋平台和深井陆地钻机都采用交流变频 电动机， 因为没有火花的产生， 从而就消除了火灾隐患。 而且， 在交流变频电动机的常规形式上引进永磁式电动 机， 功率因数接近 1， 并且适用于大功率、 高速旋转， 而 体 积 却 是 常 规 电 机 的 1 ／ 3～1 ／ 2， 尤 其 在 使 用 顶 驱 钻 井 时 ， 更应该选用交流变频电机驱动的方式。 目前的发展趋势是 采用交流变频驱动， 如表 3 所示。
表 1 西江 23－1 平台钻机主要参数表
2．2 钻机模块化设计
钻机模块化设计主要包括 4 种方式。 （1） 纵 横 全 系 列 模 块 设 计 ： 在 钻 机 基 型 产 品 的 基 础 上， 通过增减或更换某些可互换的模块 ［1］， 纳入新设计的 特殊模块而组成变型产品。 比如跨企业优选部件， 组装成 同一个系列等级的钻机。 （2） 纵向系列模块设计： 在同一用途部件中， 采用主 参数不同的系列模块， 设计出系列化产品。 比如在钻机模 块小一级的产品中采用大 一级模块， 这样肯定不经 济， 所以这种方法在钻机 单件产品或小批量产品中 应用较多。 （3） 跨品种变型模块 设计： 针对钻机总体结构
3 钻机需求分析
3．1 发电机组匹配分析
计算中主要考虑钻机设备消耗的功率， 其它设备也消 耗一部分有功 功 率 和 无 功 功 率 ， 例 如 变 压 器 400V 与 230V 负荷， 其功耗是不一样的。 如一钻机重电站为 4 台
机械驱动、 SCR、 VFD 电驱动钻机性能对比
CAT3516 发 电 机 ， 正 常 工 作 时 为 3 开 1 备 ， 视 在 功 率 为
文献标识码： A 文章编号： 1009－9492 (2009) 08－0081－03
1 引言
随着全球能源需求的增长和一些油田的相继枯竭， 石 油变得越来越难以开采， 从而促进了钻机的不断更新， 表 现为钻井能力越来越强、 功率越来越大、 传动性能越来越 先进、 机械化和自动化程度越来越高等。 尤其是最近出现 的电驱动钻机， 因其优越的性能和高可靠性不断地扩大在 石油开发中的应用。
围下限 Lmin 与前一级的 Lmax 有重叠， 其上限即该钻机的
名义钻井深度， 即 Lmax＝L。
（3） 最大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ载： 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。
（4） 绞车输入功率： 钻井绞车输入轴输入功率的 最
大值。
N绞 ＝
Q1V1 ytybydr
2071kVA， 有 功 功 率 为 1450kW。 cosФ＝0．7； 泥 浆 泵 为 两 台
SCR 驱动， 共四台 800HP 直流 电 动 机 ； 绞 车 为 VFD 驱 动 ，
共 两 台 750HP 电 动 机 ； 顶 驱 为 VFD 驱 动 ， 一 台 800kW 电
动机； 转盘为 VFD 驱动， 共两台 500HP 电动机。
在发电机选择 cosФ＝0．7 的情况 下 ， 根 据 公 式 S2＝P2＋Q2
可 知 ， 单 台 发 电 机 在 最 佳 工 作 效 率 为 0．8 的 情 况 下 可 负 载