低溫鉆機保溫加熱系統(tǒng)設(shè)計

劉占鵬，李增亮，許益民，田 中，李建軍，孫中明

（1.中國石油大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島266580；2.山東科瑞機械制造有限公司，山東東營257067；

3.中石化中原石油工程有限公司，河南，濮陽457001；4.渤海鉆探工程公司第二鉆井分公司，河北任丘065007；5.川慶鉆探工程有限公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000）①

低溫鉆機保溫加熱系統(tǒng)設(shè)計

劉占鵬1，2，李增亮1，許益民2，田 中3，李建軍4，孫中明5

（1.中國石油大學(xué)機電工程學(xué)院，山東青島266580；2.山東科瑞機械制造有限公司，山東東營257067；

3.中石化中原石油工程有限公司，河南，濮陽457001；4.渤海鉆探工程公司第二鉆井分公司，河北任丘065007；5.川慶鉆探工程有限公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000）①

高緯度地區(qū)蘊藏著豐富的油氣資源，但該地區(qū)氣溫極低，普通鉆機難以適應(yīng)，需開發(fā)－45℃甚至更低環(huán)境溫度下作業(yè)的鉆機。依托國外某低溫鉆機項目，提出鉆機在低溫地區(qū)作業(yè)的綜合解決方案，并研制出4 000 m低溫鉆機。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆機很好地滿足了當?shù)氐蜏丨h(huán)境下的使用要求。

鉆機；低溫；加熱；保溫

相關(guān)資料表明，目前國內(nèi)低溫鉆機設(shè)計多從低溫材料研發(fā)著手，周期較長，成本較高［1-3］。針對此問題，提出了鉆機在低溫地區(qū)作業(yè)的綜合解決方案：對鉆井裝備集中保溫、加熱，僅對暴露在外的井架、游吊系統(tǒng)等采用低溫材料制造。

1 鉆機保溫及加熱方案

1） 鉆機保溫系統(tǒng)分保溫房保溫、管道保溫2部分。鉆臺區(qū)、固控區(qū)與二層臺等工作場所，采用保溫房保溫，房體作保溫裝修；司鉆房位于鉆臺保溫房內(nèi)；空氣管線、補給管線、水管線作保溫處理；發(fā)電機房、電控房、加熱房內(nèi)部作保溫裝修。

2） 鉆機加熱系統(tǒng)綜合利用柴油暖風機加熱、電加熱與發(fā)電機組余熱加熱。固控區(qū)利用暖風機加熱；鉆臺區(qū)利用發(fā)電機組余熱與暖風機加熱；二層臺利用電加熱器加熱；發(fā)電機房利用發(fā)電機組熱輻射加熱；加熱房利用暖風機熱輻射加熱；電控房、司鉆房利用空調(diào)加熱；補給管線、水管線利用電伴熱帶加熱。

2 鉆機保溫系統(tǒng)

2.1 保溫房結(jié)構(gòu)設(shè)計

1） 固控保溫房有14個保溫單元，最高單元分上、中、下3層。上層頂棚呈拱形，既防止積雪又增加強度；下層與固控罐底座焊接，雙層密封的罐底座結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)熱空氣在其中循環(huán)。各層間通過快拆式鎖緊機構(gòu)連接；各單元間采用低溫橡膠密封。如圖1。

圖1 固控保溫房

2） 鉆臺保溫房以臺面為界分上、下2層（如圖2～3）。下層雙開門式結(jié)構(gòu)，作業(yè)時關(guān)閉，與底座箱體形成密閉空間；移運時打開，底座能橫穿防噴器與井口。上層頂部四周向內(nèi)彎曲，可有效減少臺面熱量散失。暖風機熱量與發(fā)電機組余熱通入下層，熱空氣由上層頂部溢出，使臺面工作環(huán)境大為改善。

圖2 鉆臺保溫房下層

圖3 鉆臺保溫房上層

二層臺保溫房由防風墻與休息室組成（如圖4）。防風墻圍繞二層臺四周，可有效阻擋高處寒風侵襲，休息室置于其中。休息室密封性好，內(nèi)部做保溫裝修。防風墻與休息室內(nèi)分別安裝電加熱器，為井架工提供較為舒適的工作場所。

圖4 二層臺保溫房

2.2 保溫房排風設(shè)計

固控保溫房密封性較好，為防止可燃、有毒氣體積聚，配備了氣體檢測系統(tǒng)與排風系統(tǒng)。氣體檢測系統(tǒng)由氣體檢測儀、控制器主機及報警燈組成，可實時顯示報警并連鎖啟動排風系統(tǒng)；排風系統(tǒng)由房頂風機組成。

據(jù)固控區(qū)設(shè)備布置情況，保溫房頂安裝24臺防爆軸流風機。溢氣量最大的振動篩罐上方安裝4臺，其他罐上方各安裝2臺，泵裝置上方各安裝1臺。風機軸承及潤滑油脂均滿足－45℃低溫環(huán)境使用要求。

固控保溫房容積3 000 m3，要求5 min內(nèi)能將房內(nèi)空氣更換1次，則每小時換氣12次。風機數(shù)量為24臺。則單臺風機最小排風量Qp＝3 000× 12／24＝1 500 m3／h。選用排風量1 700 m3／h、電機功率0.18 k W的防爆軸流風機。

2.3 保溫裝修熱損失計算

聚苯乙烯塑料具有閉泡結(jié)構(gòu)，抗水汽滲透能力強，可有效阻止熱傳導(dǎo)，并且質(zhì)輕、耐低溫，廣泛用于工業(yè)保溫。選用厚度δ1＝0.05 m的金屬面聚苯乙烯夾心板作保溫裝修材料，導(dǎo)熱率λ1＝0.035 W／（m·℃）；保溫房墻壁采用δ2＝0.003 m厚鋼板制作而成，熱導(dǎo)率λ2＝48 W／（m·℃）。

保溫墻壁熱阻R＝δ1／λ1＋δ2／λ2≈1.428 m2·℃／W；內(nèi)表面換熱組取Ri＝0.11 m2·℃／W；外表面換熱阻取Re＝0.04 m2·℃／W。則保溫墻壁傳熱系數(shù)K＝1／（Ri＋R＋Re）≈0.633 W／（m2·℃）。

要求環(huán)境溫度－45℃條件下，房內(nèi)溫度不低于15℃，則內(nèi)外溫差Δt＝15－（－45）＝60℃。

固控保溫房散熱面積Ag＝1 200 m2，則熱損失功率Ps1＝Ag×Δt×K≈45.6 k W。

鉆臺保溫房散熱面積Az＝800 m2，則密封情況下熱損失功率Ps2≈30.4 k W。

二層臺防風墻外表面積Ae＝120 m2，則密封情況下熱損失功率Ps3≈4.56 k W（其中休息室散熱面積6 m2，熱損失功率Ps4≈0.228 k W）。

發(fā)電機房外表面積Pf＝480 m3，則熱損失功率Ps5≈18.24 kW。

3 鉆機加熱系統(tǒng)

3.1 保溫房空氣加熱計算

柴油暖風機由加熱器和風機組成，加熱器以柴油為燃料將空氣加熱，風機通過管道將熱空氣送至保溫房。房內(nèi)溫控器與傳感器可連鎖開啟暖風機。

要求暖風機10 min內(nèi)能將房內(nèi)空氣由－45℃加熱至15℃。

0℃時干空氣密度ρ＝1.29 kg／m3，固控保溫房容積V＝3 000 m3，則房內(nèi)空氣質(zhì)量m＝ρV＝3 870 kg。空氣定容比熱系數(shù)c＝0.718×kJ／（kg·℃），房內(nèi)外溫差Δt＝60℃，則加熱空氣所需熱量Q＝c×m×Δt≈166.7×103k J。加熱時間T＝10 min，則加熱功率Pj1＝Q／T＝277.8 kW，所需總加熱功率PS1＝Pj1＋Ps1＝323.4 k W。考慮到正常工作時房內(nèi)泥漿會產(chǎn)生一定的熱量，配備額定功率160 k W的柴油暖風機2臺。

同理，對于容積1 400 m3鉆臺保溫房，加熱功率Pj2≈129.64 k W；容積為100 m3二層臺保暖房，加熱功率Pj3≈9.26 k W。

二層臺保溫房熱損失功率Ps3≈4.56 kW，則所需總熱功率Pz3＝Pj3＋Ps3＝13.82 k W。

考慮到二層臺熱量散失較大，在井架工操作處配備額定功率20 k W電加熱器。

二層臺休息室容積0.8 m3，則加熱功率Pj4≈0.07 k W，所需總加熱功率Pz4＝Pj4＋Ps4＝0.3 k W，休息室密封性較好，配備額定功率1 k W電加熱器。

發(fā)電機房容積500 m3，則加熱功率Pj5≈46.3 k W，所需總加熱功率Pz5＝Pj5＋Ps5＝64.54 k W。

3.2 發(fā)電機組余熱利用

發(fā)電機組運行時會產(chǎn)生大量熱量，主要以缸套水熱輻射、機身熱輻射和排氣熱輻射形式散失。如果將這部分熱量回收利用，供熱能耗將大為降低。

1） 卡特皮勒公司提供的單機功率917 k W（功率因數(shù)0.7）發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)［4］（如表1）表明：機身熱輻射功率100 k W，大于上文中發(fā)電機房所需加熱總功率Pz5（64.54 k W），若這部分熱量全部散失在房內(nèi)，不需額外加熱；排氣熱輻射絕大部分被廢氣帶至房外；換熱裝置配合散熱風扇使用，使缸套水熱輻射的部分熱量得以回收利用，冷卻效果更好。

表1 發(fā)電機組散熱功率

2） 換熱裝置連接機組與鉆臺保溫房，由換熱器、風扇、水泵與水管線組成。水泵帶動冷卻水循環(huán)，通過換熱器與機組的缸套水換熱，熱量經(jīng)水管線傳至鉆臺保溫房，由房內(nèi)風扇轉(zhuǎn)為熱空氣送入保溫房下層。

機組冷卻水出水溫度90～100℃，進水溫度63～85℃，則可被利用的溫差Δt≈20℃。水泵排量Q＝2 m3／h，則每小時參與換熱的冷卻水質(zhì)量m≈1.94×103kg（80℃下）。水的比熱容c＝4.2 k J／（kg·℃），則每小時換熱量Q＝c×m×Δt＝162.96×103k J。換熱時間T＝3 600 s，則換熱功率Ph＝Q／T＝45.27 kW，即換熱器帶來了發(fā)電機組45.27 k W的熱功率。

鉆臺保溫房加熱功率Pj2≈129.64 k W，熱損失功率Ps2≈30.4k W，所需總加熱功率Pz2＝Pj2＋Ps2－Ph＝114.77 kW。考慮鉆臺保溫房上層熱量散失較大，配備額定功率160 k W的柴油暖風機1臺。

4 管道加熱及保溫

4.1 加熱及保溫方案

管道常用加熱方式有蒸汽／熱水加熱和電加熱。電加熱運行成本低、溫控準確，可實現(xiàn)自動化管理。電伴熱帶加熱是最常用的管道電加熱方式，有限功率與自限溫2種方式，其中自限溫伴熱帶可根據(jù)管道溫度調(diào)節(jié)輸出功率，保持管道表面恒溫。選用自限溫電伴熱帶，并與保溫材料配合使用。因聚苯乙烯塑料具前文所述優(yōu)點，用其作為管道保溫材料，選用保溫厚度60 mm，如圖5。

圖5 具有保溫層的管線

4.2 伴熱及保溫計算

鉆頭在破巖過程中會產(chǎn)生大量熱，為避免熱量使凍土區(qū)井壁失穩(wěn)，需將循環(huán)泥漿冷卻至0℃左右再注入井口，泥漿循環(huán)管線不需保溫；熱空氣管線作保溫處理；固控補給管線與水管線需要伴熱和保溫才能正常工作［5］。現(xiàn)以外徑?76 mm的補給管線為例作伴熱保溫計算，選取補給溫度0℃。

管道散熱系數(shù)q＝7.88；管道內(nèi)外溫差Δt＝0－（－45）＝45℃；保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)λ＝0.035 W／（m·℃）［6］；管道材料修正系數(shù)C＝1；安全系數(shù)取n＝1.2。則單位長度管道熱損失功率Ps6＝q× Δt×λ×C×n≈14.89 W／m。

選擇額定功率Pj6＝12 W／m的自限溫伴熱帶，則單位長度管道熱損失與伴熱帶額定功率比值K＝Ps6／Pj6≈1.24。采用纏繞敷設(shè)，纏繞節(jié)距取400 mm［6］，可據(jù)此計算其他伴熱帶敷設(shè)方式。

5 結(jié)語

鉆井現(xiàn)場使用情況表明：該鉆機完全滿足－45℃環(huán)境溫度下工作和－60℃環(huán)境溫度下儲存的要求，供熱條件下保溫房內(nèi)溫度不低于15℃。該鉆機利用保溫、加熱的綜合解決方案，為鉆機操作人員在低溫惡劣條件下提供了相對舒適的工作環(huán)境。環(huán)境溫度的提高使機械設(shè)備的材料遠離低溫脆斷轉(zhuǎn)變溫度，從而進一步提高了設(shè)備的可靠性，適度減少了低溫材料的使用量，降低了制造成本。

［1］ 汪金桃.低溫鉆機金屬材料性能與工藝研究［J］.石油機械，2008，36（9）：117-120.

［2］ 張東濤，秦曉峰，廖昌健，等.ZJ50／3150DB型低溫石油鉆機設(shè)計［J］.石油礦場機械，2009，38（9）：84-87.

［3］ 張杰，柴占文，常亮，等.低溫鉆機固控系統(tǒng)保溫研究［J］.石油礦場機械，2012，41（06）：33-37.

［4］ 卡特皮勒公司.卡特發(fā)電機組操作和保養(yǎng)手冊［K］.2002.

［5］ 趙江鵬，孫友宏，郭威.鉆井泥漿冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與新型泥漿冷卻系統(tǒng)的研究［J］.探礦工程，2010，37（9）：1-5.

［6］ 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

Design of Preservation and Heating System of Low Temperature Drill Rig

drill rig；low temperature；heating；heat preservation

TE922

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.007

1001-3482（2014）11-0028-04①

2014-05-16

劉占鵬（1982-），男，山東濱州人，工程師，主要從事石油鉆機的設(shè)計工作。

Abstract：The low temperature region is rich in oil resources，but the temperature in the region is extremely low，ordinary drill rig is difficult to adapt，need to meet－45℃or even lower environment temperature operation of drilling rig.Based on a low temperature drilling rig project，the integrated solutions of drilling operation in low temperature area was put forward，the 4000m low temperature drill rig was developed for the Russian market.Field application shows that the drill rig well satisfies the needs of drilling operation in low temperature environment.