海洋鉆機提升系統對比分析

周天明， 王安義， 李 勇， 張 鵬， 春 晨

(1.寶雞石油機械有限責任公司， 陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心， 陜西 寶雞 721002；3.中國石油集團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力度的不斷加大，對石油勘探裝備的發展起到了積極的推動作用。鉆井裝備的自動化、智能化程度不斷提高。海洋鉆機驅動形式也由單一的電驅動向全液壓驅動轉變。海洋鉆機提升系統也相繼出現絞車提升式和液缸舉升式兩種不同的系統。兩種提升系統具有各自的優缺點，而對用戶來說，采購配套海洋平臺鉆機，其作業效率、安全性、操作維護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提升系統以提高作業效率、安全性、操作維護性及降低采購成本具有重要意義。

1 海洋鉆機提升系統技術現狀

目前應用最為普遍的海洋鉆機提升系統為絞車提升式，主要由絞車、井架、天車、游車、大鉤、鋼絲繩等設備組成。經過多年的發展，其整體技術已經趨于成熟，作業可靠性也得到現場驗證。隨著鉆井技術的進步和發展及大型液缸制造技術的突破，國外公司又研制利用液缸舉升代替傳統的絞車提升，主要包括液壓油缸、井架、鋼絲繩等設備，其中井架主要起扶正導向作用，不承受提升載荷，同時為其他輔助設備提供安裝空間。據調研，國外MH及NOV公司研制的液缸舉升式提升系統已在半潛式海洋鉆井平臺上成功應用[1-2]。

2 絞車提升和液缸舉升兩種提升系統對比分析

海洋鉆機配置及客戶需求不同，選用的提升系統就會不同。為了優選出最適合目標船型的海洋鉆機提升系統，對絞車提升和液缸舉升這兩種鉆機提升系統進行對比分析。

2.1 裝機功率

海洋鉆機的裝機功率是指鉆井作業時所需求的最大功率，而鉆井作業的功率消耗與作業工況有關，不同作業工況下鉆井系統消耗功率不一樣。作業工況分正常鉆進、起下鉆、倒劃眼等3種工況，在具體計算時考慮設備的使用系數。以最大鉤載為6 750 kN的海洋鉆機為例，估算兩種提升系統在不同工況下的功率消耗，如表1所示。

表1 兩種提升系統在不同工況下的功率消耗 kW

對比結果：在相同工況下，液缸舉升式提升系統的功率消耗略大，且最大功率消耗發生在正常鉆進工況，大小為5 690 kW。

2.2 鉆柱補償系統配置方案

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

表2 兩種提升系統的鉆柱補償系統配置方案

對比結果：絞車提升式提升系統優先選用天車補償配置方案；液缸舉升式提升系統優先選用死繩端獨立油缸補償配置方案。

2.3 系統效率

鉆機系統效率決定著鉆機功率轉化效率。不同的機械傳動形式傳動效率不同。以同一鉆機為例，計算兩種提升系統的系統效率，如表3所示。

表3 兩種提升系統的系統效率

對比結果：液缸舉升式提升系統的能量轉化效率高、能量利用率高，其系統效率比絞車提升式提升系統至少提高24%。

2.4 重量重心

重量重心控制是海洋鉆井平臺設計及建造的重要內容之一。海洋鉆機重量重心控制直接影響海洋鉆井平臺(船)的甲板可變載荷及平臺(船)的穩性，甚至會影響到項目的成功與否[5]。以同一鉆機為例，計算兩種提升系統和不同配套設備的重量，如表4 所示。

表4 兩種提升系統和不同配套設備的重量 kg

對比結果：絞車提升式提升系統的鉆機重量大，且由于其天車補償裝置布置在井架頂部，重心也高。

2.5 取樣作業

在海洋鉆探作業中，取樣作業是關鍵作業之一。根據取樣作業工藝流程需求，需要配套專門的裝置或者在現有配套的設備上進行優化設計來滿足取樣要求。此外，不同的提升系統針對取樣作業工藝，其配套設備也不相同。兩種提升系統的取樣作業工藝要求如表5所示。

表5 兩種提升系統的取樣作業工藝要求

對比結果：絞車提升式提升系統需額外定制游車和天車補償系統，生產周期和成本會大幅增加。

2.6 對船體的影響

不同的提升系統對船體的設計、制造及海洋鉆機作業過程有不同的影響，兩種提升系統對船體的影響如表6所示。

表6 兩種提升系統對船體的影響

對比結果：液缸舉升式提升系統噪聲小、重心低、沖擊小。

2.7 操作維護性

降低工人的勞動強度一直是追求的目標，而為真正實現這個目標就需要配置易于操作和維護的系統及設備。不同的提升系統配套的設備不同，操作維護性也不同。兩種提升系統的操作維護性如表7所示。

表7 兩種提升系統的操作維護性

對比結果：液缸舉升式提升系統對操作維護人員的專業素質要求高，熟悉和掌握的時間長，操作維護性差。

3 結 論

綜合分析海洋鉆機絞車提升式和液缸舉升式兩種提升系統，可以得出結論：液缸舉升式提升系統在鉆柱補償系統配置方案、系統效率、重量重心、取樣作業、對船體的影響方面優于絞車提升式提升系統；絞車提升式提升系統在裝機功率、操作維護性方面優于液缸舉升式提升系統。在同樣工況下，雖然絞車提升式提升系統的功率消耗比液缸舉升式提升系統略小，但其系統效率低得多，因此液缸舉升式提升系統更加適合海洋平臺低能耗的要求。