旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)鉆井工具開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王小紅，廖志勇，李占柱

（川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

在鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，安裝、拆卸鉆鋌是一件很費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且需要多人配合有一定安全風(fēng)險(xiǎn)的工作，不管是否配備頂驅(qū)，都存在上述問(wèn)題，為便于了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，將鉆井作業(yè)接頂驅(qū)的方法分成兩部分詳解。

1 無(wú)頂驅(qū)鉆機(jī)接鉆鋌的方法

由于鉆鋌在整個(gè)鉆具的下部分，目前氣井施工所需鉆鋌大部分為7英寸，8英寸，少部分為英寸及其他規(guī)格。一般鉆鋌的配備數(shù)量為（120～200）m，單根鉆鋌重量一般為（1.5～2）t。沒(méi)有配備頂驅(qū)的鉆機(jī)，接鉆鋌（單根，立柱）的方法就是通過(guò)人工推鏈鉗的方式先實(shí)現(xiàn)引扣，最后用B型吊鉗緊扣。拆卸方法基本相同。

（1）接鉆鋌單根的方法。不需要卸掉方鉆桿，用提絲提鉆鋌單根入小鼠洞，然后直接在小鼠洞方面接鉆鋌單根。

（2）接鉆鋌立柱的方法。接兩根及以上鉆鋌首先需要將水龍頭及方鉆桿入大鼠洞；再用提升短節(jié)將單根鉆鋌入小鼠洞，上卡瓦，再提1根鉆鋌入鼠洞用大鉤接鉆鋌，大鉤鎖銷(xiāo)必須打開(kāi)，接第三根時(shí)需要司鉆配合好，上提合適的力量。為了方便接鉆鋌單根或立柱，大鉤必須能自由旋轉(zhuǎn)。

（3）存在的問(wèn)題。接鉆鋌立柱盡管工作多年，但是工人推鏈鉗仍然很費(fèi)力，有時(shí)甚至需要（3～5）人推鏈鉗，上2個(gè)鏈鉗，這當(dāng)然與司鉆技術(shù)有很大關(guān)系。

2 配備頂驅(qū)鉆機(jī)接鉆鋌的方法

接鉆鋌單根的方法。如果沒(méi)打開(kāi)井口，先用提絲吊鉆鋌入小鼠洞，然后用提升短節(jié)替代提絲（必須緊扣），再繼續(xù)在小鼠洞用頂驅(qū)接接第二根鉆鋌最后是第三根鉆鋌。如果井口已經(jīng)打開(kāi)，且有鉆具在井下，則需在井口接單根鉆鋌。

接鉆鋌立柱的方法。在小鼠洞用頂驅(qū)接成立柱，將立柱提到立根臺(tái)上面，鉆頭已經(jīng)入境井則直接在井口接鉆鋌立柱。

（1）存在的問(wèn)題。由于鉆鋌比較重，推單根鉆鋌引扣時(shí)，用雙鏈鉗（3～4）人基本可以推動(dòng)；但是如果接兩根及以上鉆鋌時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)有兩種方法：一種是上面頂驅(qū)牛頭吊卡防松或略微上提一些力量，人工用雙鏈鉗強(qiáng)行推，有時(shí)需要（4～6）人，鏈鉗經(jīng)常推斷，一口井有時(shí)損壞鏈鉗（3～4）把。另一種方法：對(duì)于鉆鋌規(guī)格更大的鉆機(jī)，由于鉆鋌太重（僅7英寸鉆鋌立柱3根重量達(dá)到5.7 t，9英寸及以上的更重），井隊(duì)人員根本無(wú)法推動(dòng)鉆鋌立柱，鉆井隊(duì)用轉(zhuǎn)盤(pán)反轉(zhuǎn)的方法接鉆鋌，這種方法實(shí)際井下風(fēng)險(xiǎn)很大（井下鉆具落井，鉆臺(tái)鉆具甩飛風(fēng)險(xiǎn)），用轉(zhuǎn)盤(pán)正反轉(zhuǎn)上卸扣屬于違章操作，但是無(wú)法解決此類(lèi)問(wèn)題屬無(wú)奈之舉。

（2）風(fēng)險(xiǎn)。主要有3個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)，淤多人在井口或小鼠洞周邊費(fèi)力推鉆鋌，因鉆臺(tái)空間受限及井口工具多，再考慮環(huán)境因素，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；于費(fèi)力、費(fèi)時(shí)、費(fèi)工具，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工效低，一般一口井扳斷多根鏈鉗；盂上扣的鉆具（包括接頭等）存在倒扣的可能。

（3）小結(jié)。沒(méi)有配備頂驅(qū)的井隊(duì)，通過(guò)大鉤的配合，接鉆鋌立柱盡管費(fèi)力工效慢但問(wèn)題不太大。配頂驅(qū)的井隊(duì)，因鉆鋌立柱太慢需要多人推，安全風(fēng)險(xiǎn)大甚至推不動(dòng)，只能采取違章辦法接鉆鋌立柱。因此，現(xiàn)場(chǎng)存在急需解決的問(wèn)題。

3 頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭不能負(fù)重旋轉(zhuǎn)的原因分析

（1）問(wèn)題的提出。配備有頂驅(qū)的鉆井隊(duì)，假設(shè)旋轉(zhuǎn)頭可以負(fù)重旋轉(zhuǎn)（負(fù)重旋轉(zhuǎn)能力逸50 t），從理論上講，則可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)頭正反轉(zhuǎn)負(fù)重轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆鋌的引扣，但是目前市場(chǎng)上還沒(méi)有這種頂驅(qū)，通過(guò)一下分析可以了解旋轉(zhuǎn)頭不能負(fù)重旋轉(zhuǎn)的原因。

（2）頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭負(fù)重旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。頂驅(qū)對(duì)鉆具的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)是通過(guò)主軸驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)頭可以360°正反轉(zhuǎn)，在傾斜液缸的配合下，主要作用是實(shí)現(xiàn)吊卡伸到一定位置取放鉆具。目前市場(chǎng)上所有頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)重鉆具旋轉(zhuǎn)，這是由頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。

（3）小結(jié)。從理論上說(shuō)，可以改進(jìn)頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頭負(fù)重旋轉(zhuǎn)，但這需要對(duì)頂驅(qū)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改動(dòng)，由于自1982年第一部頂驅(qū)產(chǎn)出以來(lái)，還沒(méi)有旋轉(zhuǎn)頭可以負(fù)重旋轉(zhuǎn)的頂驅(qū)，且頂驅(qū)產(chǎn)品已成熟，因此對(duì)成熟產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)需要時(shí)間和實(shí)踐驗(yàn)證，周期長(zhǎng)、費(fèi)用無(wú)法預(yù)測(cè)。所以，解決該類(lèi)問(wèn)題需要換個(gè)思路，可以考慮設(shè)計(jì)配備一種工具來(lái)解決問(wèn)題。

4 旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)鉆井工具設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

既然頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了旋轉(zhuǎn)頭無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)重旋轉(zhuǎn)，否則會(huì)很容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。現(xiàn)場(chǎng)接鉆鋌又存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全風(fēng)險(xiǎn)大且鉆具存在倒扣的可能。因此，可以考慮設(shè)計(jì)一個(gè)工具既實(shí)現(xiàn)鉆具自由旋轉(zhuǎn)，又不損壞頂驅(qū)設(shè)備來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題。基本思路是設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單越好，本著安全實(shí)用且簡(jiǎn)單的原則設(shè)計(jì)一個(gè)工具。經(jīng)過(guò)溝通，旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)的結(jié)構(gòu)初具雛形，由于北京石油機(jī)械廠（長(zhǎng)慶戰(zhàn)略合作單位），設(shè)計(jì)、加工產(chǎn)品，費(fèi)用由北石承擔(dān)。

（1）旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)的技術(shù)特征。要求旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)的基本功能是提升一根短節(jié)，在吊卡提升最大懸重工況下可自由旋轉(zhuǎn)，具有轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、安全可靠的特點(diǎn)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)，可極大地降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提高作業(yè)效率，可有效減少或避免人身傷害的發(fā)生。

（2）旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)所用軸承的選擇。徑向球軸承、軸向圓柱推力軸承為德國(guó)SKF公司生產(chǎn)自潤(rùn)滑產(chǎn)品，軸承可以承受93 t靜載荷，承受40 t動(dòng)載荷不失效。在工廠內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)際達(dá)到100 t靜載荷不失效，提升短節(jié)下部實(shí)現(xiàn)無(wú)阻礙旋轉(zhuǎn)。

5 旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)

（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的人員。機(jī)械工程師、安全管理人員、鉆井技術(shù)工程師，井隊(duì)技術(shù)人員及大班人員，HSE（Health Safety Environ-ment，健康、安全和環(huán)境管理）駐井監(jiān)督員。

（2）試驗(yàn)工況。某鉆井隊(duì)搬家就位后第一次接鉆頭、接鉆鋌下鉆準(zhǔn)備打表層。

（3）試驗(yàn)的HSE工作。準(zhǔn)備試驗(yàn)前召開(kāi)了HSE會(huì)議，參加人員主要是參加試驗(yàn)人員及井隊(duì)操作人員。試驗(yàn)前做了JSA（Job Safety Analysis，工作安全分析），因是用旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)取代原來(lái)固定式提升短節(jié)，屬于一般設(shè)備變更，對(duì)設(shè)備做了變更。分析了風(fēng)險(xiǎn)并制定了消減風(fēng)險(xiǎn)的措施，試驗(yàn)中HSE需旁站監(jiān)督。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

（1）省時(shí)。同比利用常規(guī)提升短節(jié)（不可旋轉(zhuǎn)）提升鉆鋌連接的工藝，作業(yè)效率可以提高100%～200%。由于采用常規(guī)提升短節(jié)不能旋轉(zhuǎn)，當(dāng)提升兩根及以上的鉆鋌時(shí)，人工很難轉(zhuǎn)動(dòng)，只能采用雙鏈鉗大力多人推著轉(zhuǎn)，或用雙B型鉗間隔性的引扣，受B型鉗鋼絲繩行程限制，每次引扣不到半圈，完成一次上扣特別耗時(shí)。采用旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)后，僅需要一人即可利用鏈鉗帶動(dòng)鉆鋌實(shí)現(xiàn)完整圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆鋌轉(zhuǎn)動(dòng)阻力力矩約300 N·m，一個(gè)人很容易轉(zhuǎn)動(dòng)單根鉆鋌或立柱，大大節(jié)省了上扣時(shí)間。

（2）省力。過(guò)去利用常規(guī)提升短節(jié)，如果人工引扣，需要（4～6）人用2個(gè)鏈鉗才能勉強(qiáng)扳動(dòng)鉆鋌立柱，甚至?xí)r常把鏈鉗扳斷，過(guò)去1口井正常損壞鏈鉗（2～4）把。現(xiàn)在利用旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)，1個(gè)人可以很輕松地利用鏈鉗盤(pán)動(dòng)鉆鋌實(shí)現(xiàn)引扣。

7 改進(jìn)與提高

（1）基本情況。前期設(shè)計(jì)資料查詢(xún)、從在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等來(lái)看，旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)是一種新型的提升工具，屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，國(guó)外的該類(lèi)產(chǎn)品目前還沒(méi)有在市場(chǎng)上見(jiàn)過(guò)。該產(chǎn)品可以有效地解決常規(guī)鉆鋌連接時(shí)不能或者難以旋轉(zhuǎn)的瓶頸，規(guī)避了作業(yè)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，帶來(lái)了安全、高效、便捷、經(jīng)濟(jì)的益處。此外，還可以對(duì)于其他類(lèi)似鉆具的連接提供了一種成功的解決方案。在“以人為本、安全生產(chǎn)“為永恒主題的人類(lèi)社會(huì)，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用應(yīng)服務(wù)于、服務(wù)好這個(gè)主題。這是工程技術(shù)創(chuàng)新的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

（2）制造設(shè)計(jì)手段。該旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)采用CAD/CAE技術(shù)設(shè)計(jì)，采用ANSYS及API RP 7G模擬分析及計(jì)算驗(yàn)證，主體采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)合金鋼經(jīng)過(guò)特殊熱處理工藝加工而成，軸承、密封等重要元器件采用德國(guó)、美國(guó)原產(chǎn)國(guó)際知名品牌，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全系數(shù)>5，試驗(yàn)載荷達(dá)到額定載荷的2.5倍，產(chǎn)品通過(guò)了API Spec.7-1認(rèn)證，產(chǎn)品具有質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)易，易于維護(hù)的特點(diǎn)。

（3）改進(jìn)思路。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，需要做2個(gè)方面的改進(jìn)：其一，由于試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)長(zhǎng)度為1150 mm，現(xiàn)場(chǎng)絕大部分提升短節(jié)長(zhǎng)度為2 m，這樣吊卡在短節(jié)本體活動(dòng)空間大，便于扣合吊卡，鉆具組合也便于在二層臺(tái)指梁附件固定。其二，短節(jié)上面的提環(huán)需要取消，短節(jié)的上部分可以加工成母扣。

（4）工具的配備。配備旋轉(zhuǎn)提升短節(jié)的數(shù)量與規(guī)格要根據(jù)鉆機(jī)配備的鉆鋌數(shù)量與規(guī)格來(lái)確定。

8 總結(jié)

根據(jù)鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)的鉆井工具，從設(shè)計(jì)方案的提出、設(shè)計(jì)思路的梳理到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，基本符合新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，從試驗(yàn)效果來(lái)看，解決了現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，后續(xù)需要再改進(jìn)、再試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成熟。