頂部驅動鉆井裝置標準的發展及建議

雷宇，謝宏峰，張紅軍，王博，齊建雄，王洋紳，陜小平，張軍巧

北京石油機械有限公司（北京102206）

0 引言

頂部驅動鉆井裝置（以下簡稱頂驅裝置）是20世紀80年代出現的一種新型鉆井裝置，其出現標志鉆井技術由傳統的方鉆桿直井作業逐漸向利用頂驅裝置進行大斜度、大位移井作業的轉變，被譽為近代鉆井裝備的三大革命性技術成果之一。

1981年，Sedco公司首次提出無方鉆桿的概念，并和美國VARCO公司合作研發了第一臺直流頂驅原型機。直至1998年加拿大Tesco公司和Canrig公司陸續推出了覆蓋不同扭矩和懸重的全系列交流變頻電驅頂驅裝置[1]。我國于1995年研制出了首臺直流電驅頂驅裝置；2003年中國石油天然氣集團公司組織中國石油勘探開發科學研究院與北京石油機械有限公司（以下簡稱北石）合作，在北石實施國產頂驅裝置產業化項目；2004年，中國石油天然氣集團公司推出了國內首臺具備自主知識產權的交流變頻頂驅裝置，填補了我國石油裝備領域的一塊空白。我國頂驅裝置的發展與頂驅標準的發展息息相關，頂驅標準對所涉及的技術進行了全面細致的闡述，滿足油田生產對頂驅裝置規范使用的急需，在延長設備使用壽命，提升作業安全，提高作業效率，降低生產成本等方面都具有積極意義[2]。

1 頂驅裝置標準的概述

縱觀我國頂驅裝置標準發展史，主要分為3個階段：第一階段是從1990年到2008年，在第一臺樣機和大規模產業化這兩個標志性事件下，嚴格按照API Spec 8A—1997和API Spec 8C—2003[3]規定，由北石牽頭制定了我國第一個頂驅裝置的行業標準SY/T 6726—2008，該標準的制定對于控制和提高頂驅裝置的質量、降低風險起到重要的作用[4-5]；第二個階段是從2008年到2012年，我國頂驅裝置在國內外得到了蓬勃發展，為了更好地發揮頂驅裝置安全高效的優點，我國制定了首個關于頂驅裝置安裝、調試與維護的行業標準SY/T 6870—2012；第三個階段從2012年至今，該階段依據API Spec 8C—2012和GB/T 19190—2013的要求，制定了我國第一個國家標準GB/T 31049—2014，對頂驅裝置產品規格、功能要求、制造要求、試驗檢驗要求等提出更為嚴格的規范，旨在推動技術的進步，其具有的技術指導作用將對規范頂驅產品市場起到積極作用。

2 頂驅裝置標準的發展

目前，我國頂驅裝置的標準主要包括GB/T 31049—2014《石油鉆機頂部驅動鉆井裝置》和SY/T 6870—2012《石油鉆機頂部驅動裝置安裝、調試與維護》兩個標準，其中GB/T 31049—2014又是由SY/T 6726—2008發展而來。

2.1 SY/T 6726—2008與GB/T 31049—2014的變化

2.1.1 術語

1）增加頂驅動力單元類型。根據不同動力單元頂驅實際使用效果GB/T 31049—2014增加了“電驅動頂驅”和“液壓驅動頂驅”兩個術語，并建議一般情況下，“液壓驅動頂驅”適合負載較低的作業工況；反之，建議采用“電驅動頂驅”，明確頂驅動力單元類型有助于指導頂驅裝置制造商的研發方向。

2）擴充頂驅裝置功能結構。國家標準GB/T 31049—2014增加了“頂驅下套管”相關術語，此次增補是頂驅裝置標準發展的一次重大改進。頂驅下套管作業是以頂驅為動力源，代替常規的套管鉗進行下套管作業的工藝方法[6-8]。增加頂驅下套管裝置，進一步強化了頂驅實時灌注、循環泥漿，提升下放的高效作業特點。同時將頂驅裝置的作業范圍延伸到套管作業領域，有效規避了套管作業過程中的安全隱患，使頂驅裝置滿足新的鉆井工藝技術需求。

2.1.2 接口尺寸

1）頂驅裝置與鉆機接口。在GB/T 31049—2014中，依據不同鉆機名義鉆深和額定載荷，增加頂驅提環與鉆機游車連接接觸尺寸規定，使得頂驅既可以與鉆機大鉤相連[9]，也可以與鉆機游車相連，增加了頂驅與鉆機的接口，保證頂驅裝置能適配鉆機的發展趨勢。

2）頂驅裝置與鉆具接口。GB/T 31049—2014修改了頂驅與鉆具連接關鍵尺寸要求。隨著鉆井液技術的發展，其組成變得更加復雜，鉆井液通道直徑的重要性凸顯。由表1可以看出，頂驅裝置的內防噴器外徑尺寸和鉆井液通道直徑尺寸直接決定了鉆井液循環通道的壁厚，鉆井液通道壁厚值是影響其強度的最重要參數之一[10-11]，考慮鉆井液通道直徑尺寸，有利于保證鉆井液通道腐蝕余量，更加嚴格地控制頂驅裝置質量，提升鉆井、測井作業效率。

2.1.3 增加滑車的設計要求

規定滑車安全系數。在GB/T 31049—2014標準中引入了新版GB/T 19190—2013的規定，該規定指出滑車的作用是使頂驅沿導軌在鉆機井架上下移動，并保持相對于井架的正確位置，同時承受反扭矩。基于滑車上述定義功能，需根據滑車受主載荷條件（PLC）給出相應的設計安全系數，見表2。

表1 主軸、內防噴器、保護接頭的尺寸

1）在PLCⅠ中，考慮組合載荷：鉆井載荷，包括游動設備和滑車產生的載荷；剎車載荷，包括游動設備和滑車重量乘以不小于2的系數后的效應；伸縮載荷，適用于伸縮式滑車，包含伸出位置和收縮位置的加速度、重量和可能的垂直加速度影響；水平載荷，正常作業時可能牽涉到作用在游動設備上的水平分量。

表2 滑車設計安全系數

2）PLCⅡ中，考慮組合載荷時應與其相應的“操作環境條件”一起考慮。

3）PLCⅢ中，應考慮如下異常載荷：異常垂直加速度，如震擊或鉆桿斷裂，載荷應為游動設備的重量乘以不小于4的系數后的效應；異常環境條件，除了重量之外，還應包括重現期為100年的環境載荷；意外橫搖，這種僅適用浮動平臺，考慮至少35°的靜態橫搖；制動狀態，在安裝或維修游動設備期間，游動設備全部重量由滑車支承。

根據滑車受主載荷條件（PLC）量化規定滑車設計安全系數進一步明確了頂驅滑車設計方向，符合頂驅滑車裝置實際使用情況。

2.1.4 增加主通道出廠壓力試驗

增加主通道出廠壓力試驗是GB/T 31049—2014的另一項重大變動。由于規定了當主通道工作壓力小于等于34.5 MPa，其試驗壓力應為工作壓力2倍；工作壓力大于34.5 MPa，其試驗壓力大于工作壓力1.5倍，但不小于69 MPa，相當于增加了頂驅裝置主通道的設計安全系數，提高了主通道密封要求。由于試驗判定規則十分明確，使得頂驅裝置出廠檢驗更具操作性。

2.2 SY/T 6870—2012標準的制定

SY/T 6870—2012《石油鉆機頂部驅動裝置安裝、調試與維護》是石油天然氣行業標準，該標準的發布是頂驅設備國產化、量產化的一個階段性里程碑，標志著我國同時具備頂驅設備生產制造和維護服務的能力。

該標準的出現完善了我國頂驅裝置的相關標準系列，結合以往頂驅標準共同規定了頂驅裝置從設計生產到維護服務的全生命周期的標準化要求，能夠全面的指導頂驅裝置的生產者和消費者對頂驅裝置的理解。

3 頂驅裝置標準的建議

不同階段出現的標準在各自的時期內發揮著積極的作用，為高效推動我國頂驅裝置國產化、量產化發展提供最為堅實的保障。但在標準實施過程中，也反映了一些實際的問題和需要，這些問題需要可為后續標準修訂提供一些參考。

1）完善頂驅裝置系列產品。隨著我國深井、超深井開采的不斷深入，為了順應市場的需求，細化控制生產制造成本，提高制造效率，建議在產品規格里增加8 000 m、15 000 m頂驅裝置相關參數。

2）提出量化評價指標。建議增加頂驅裝置焊接工藝量化評定指標，明確執行的焊接標準和規范，根據實際作業細化設計安全系數，減低復雜作業事故發生的風險。

3）吸收新的技術成果。建議增加直驅式頂驅[12]、軟扭矩技術[13]、扭擺減阻技術[14-15]相關要求，吸納包容頂驅裝置最新技術成果，有助于新技術的探索和研究，提升我國頂驅裝置的整體技術水平，增強頂驅系列化標準的指導意義。

4 結論

我國頂驅裝置產品的標準主要經歷了行業標準升級國家標準和標準系列化兩個重要階段。

1）標準升級過程提出了增加相應術語、規范連接尺寸、增加設計安全系數、增加產品試驗內容，標準的升級順應我國勘探開發縱向不斷加深、對鉆井裝備需求不斷提高的趨勢，標志我國頂驅產品標準的不斷優化成熟。

2）標準系列化是從設計生產到維護服務的全生命周期的標準化要求，標志著我國頂驅裝置標準與國際先進水平實現對接，有助于更加廣泛的在石油領域推廣頂驅裝置。

同時，在標準具體實施過程中，結合實際出現的問題和使用需求，建議進一步完善頂驅系列；增加頂驅標準中量化評定部分；吸收新的技術成果。這些可為后續標準修訂提供一些參考，提升我國頂驅裝置標準的整體水平。