模塊鉆機起升系統的效率提升研究

李俊宏

（中海油能源發展裝備技術有限公司湛江分公司，湛江 524057）

海洋油氣資源的勘探和開發是接續陸地油氣資源的重要方向。但是，相較于陸地油氣資源開發，海洋環境更加惡劣，對油氣鉆采設備的性能提出了更高的要求。當前，海洋油氣鉆井平臺是海上油氣資源開發不可或缺的設備。油氣鉆井平臺上的模塊鉆機通常固定在井口平臺上，用于進行鉆井、完井和修井作業，與生產平臺共享供電系統和住宿模塊等，最大限度實現資源共享，有效降低成本。石油模塊鉆井設備中起升系統的功能是提升石油天然氣井中的管柱，并控制管柱的運動和對井底的壓力。管柱包括鉆桿、油管、套管和抽油桿等。提升管柱的能量可以是旋轉形式的機械能，也可以是電能或液壓能[1-2]。為了滿足起升系統的效率提升需求，需要從功能單元和功能結構等方面入手進行研究分析，并從系統設計、生產管理等方面提出針對性的措施。

1 石油模塊鉆采設備功能單元和結構

1.1 海上石油鉆采設備形式

與陸地鉆井設備不同，海上鉆井設備需要架設在水平面上，并且對平穩性有著嚴格要求。在平臺和海底之間需要構建一個特別的井口裝置，以有效分隔海水和井筒。海上石油鉆井多以斜井為主，保證海上鉆井平臺的模塊化鉆機可以正常工作。按照結構特點，海上石油鉆采裝置可以分為固定式和移動式。固定式裝置包含重力式和樁基式。移動式鉆采裝置包括座式與浮動式。采用浮動式鉆采平臺時，海底井口與鉆采設備的井口是保持不動的，可以隔絕海水，將海底井口和平臺井口相連，有利于鉆井液回流。通常采用打樁方法將導管打入海底至設計深度，也可以預先在海底鉆出一定深度的井眼，將導管下部固定在井眼中，上部則與平臺模塊化鉆采設備固定。

1.2 功能單元

根據石油鉆采設備提升系統的功能，可以將整個系統劃分為支架功能單元、起下功能單元和制動功能單元3 個部分。支架功能單元用以支撐起下機構，使其在一定高度空間中能夠往復運動，并能夠承受一定的載荷。要滿足這些條件，支架功能單元需要形成一個相對獨立、比較完整的結構。在石油鉆機、修井機中，通常把支架稱為井架。起下功能單元用以起升和下放井中的管柱、起下井口工具等，是提升系統的關鍵部分。起下功能單元需要與井架提升系統有機結合，依靠井架功能單元的支撐，在井架功能單元提供的空間中工作。相對于井架功能單元，起下功能單元具有更加復雜的單元特點。制動功能單元用以剎住或剎慢下放的管柱，控制井中管柱對井底的壓力。制動功能單元與起下功能單元配合，基本能夠完成提升系統的主要功能。

1.3 功能結構

石油鉆采設備執行機構中，提升系統基本采用并聯的結構形式。要實現提升系統功能單元的功能，需要尋求相應的技術物理效應和功能載體。表1 為提升系統的形態學矩陣，通過不同的組合可以得到不同的提升系統結構方案。例如，A1+B1+C2 為常用鉆機的提升系統，A2+B1+C1 為常用修井機的提升系統，A3+B3+C 為連續管柱鉆機、修井機的提升系統[3-4]。

表1 鉆井提升系統形態矩陣

2 模塊鉆機起升系統動力分析

起升系統要求動力系統具有軟特性，而柴油機和三相異步電動機均屬于硬特性，不滿足執行系統的工作要求，需要改善原動機特性，組成新的動力系統。

當原動機為柴油機時，石油鉆井設備的動力系統組合形式包括：柴油機→液力傳動；柴油機→直流發電機→直流電動機；柴油機→交流發電機可控硅整流→直流電動機；柴油機→交流發電機→變頻器→交流電動機。對于后3 種動力系統，雖然原動機為柴油機，但是在石油行業中一般被稱為電驅動。

當使用工業電網時，主要動力系統有：交流電動機→液力變矩器；交流電動機→直流發電機→直流電動機；可控硅整流→直流電動機；變頻器→交流電動機。起升系統的工作效率受制于模塊鉆機起升系統的動力選擇，文章分析3 種主要的動力系統。

2.1 直流電動機驅動

直流電動機與交流電動機相比，具有調速性能好、調速范圍寬以及啟動轉矩大等優點。其銘牌上標有額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉速、勵磁電壓、勵磁電流和勵磁方式等。直流電動機定子中的主磁極產生氣隙磁場，當電樞（轉子）繞組通電后，即在磁場力的作用下轉動[5]。通常直流電動機的主磁極不采用永久磁鐵，而是利用勵磁繞組通直流電流來建立磁場。因此，直流電動機按勵磁方式不同，可分為他勵、并勵、串勵以及復勵4 種不同的形式。它們的主要區別是勵磁繞組與電繞組的關系不同。他勵是勵磁繞組接在獨立的勵磁電源上，并勵或串勵是勵磁繞組并聯或串聯在電樞繞組上，而復勵是同時使用并聯和串聯兩套勵磁繞組。

2.2 柴油機→液力傳動

柴油機加上變矩器組成新的機組后，其驅動特性是柴油機與變矩器聯合工作的外特性，相較于柴油機直接驅動時的特性有了很大改善[6]。柴油機和變矩器的共同工作輸出特性指渦輪軸上的輸出轉矩、泵輪軸上的輸入轉矩和變矩器的效率等與渦輪轉速之間的關系，又可稱作聯合工作外特性曲線。共同工作輸出特性是柴油機與變矩器聯合動力機組的綜合特性，相當于一臺新的動力機，是對工作機進行性能計算和傳動部件設計的基本依據。

2.3 交流電動機變頻

改變供電電源的頻率可以改變電動機的轉速，用這種方法調速效果較好，但是需要使用專門的變頻器。由于變頻器價格昂貴，在應用上受到了一定限制。近年來，隨著變頻技術的發展，價格有所下降，促進了變頻技術的推廣應用。

3 起升系統的效率提升路徑分析

隨著科技的發展，海上鉆井設備功能性逐漸完善，出現了能夠與普通鉆井船實現同樣鉆井、完井和修井功能的模塊鉆機。新型的模塊鉆機智能化、自動化水平得到極大提升，使得鉆井、完井作業更加安全高效的同時節省人力。

3.1 配備雙司鉆操作系統

模塊鉆機配備雙司鉆操作系統，在創新操作方面與以往的正副司鉆模式有著很大的區別[7]。任何一臺司鉆均具有正副司鉆的操作權限和能力，如果2 臺司鉆中的1 臺出現操作故障或者其他緊急情況，另外的司鉆系統可以在短時間內快速接替工作，保證模塊鉆機正常運行，不影響鉆機系統的提升效率。

在網絡設計方面，新型的模塊鉆機起升系統放棄傳統的樹狀控制網絡，使得系統內所有的設備控制模塊同各國環形工業控制網絡進行集成控制。鉆機系統的設備信息共享同一環形高速公路。單一控制模塊故障或升級改造不會影響其他設備的操作和運行，有效提高了設備整體的可靠性，從而保證了起升系統的效率[8-9]。

3.2 改進模塊鉆機的漿液輸送系統

模塊鉆機的傳統鉆井液的加注方式依靠人工進行體積、質量和密度計算，然后由人工進行加注作業。這樣的工序不僅費時費力，而且降低了模塊鉆機起升系統的效率。模塊鉆機上配備自動輸灰混漿系統，能夠實現自動切袋、配料、混合以及廢袋擠壓回收，大幅減輕現場配漿作業的勞動強度。有些模塊鉆機上配備了大馬力的五缸泥漿泵，與傳統的三缸泥漿泵相比，工作功率更大、排量更穩定，輸出的壓力和流量更均勻，保證了起升系統的穩定運行。在采用五缸泥漿泵狀態下，模塊鉆機的整體結構更為優化，達到同等排量的情況下，體積減小超過40%，質量減輕超過30%，運轉噪聲更低，電機周邊實測噪聲小于90 dB。這樣的性能特點使得整個泥漿泵性能更加穩定和強大，給新型模塊鉆機提供了強勁的鉆井液供應，有效保障了起升系統的運行狀態。

3.3 提高模塊鉆機的自動化水平

以往鉆井多依靠人工操作方式，不僅耗費了大量人力，增加工人意外傷害的風險，而且對模塊鉆機的運行造成了一定影響，降低了起升系統的效率[10-11]。為了達到節省人力和提升模塊鉆機工作效率的目的，可以在模塊鉆機上加設自動水平貓道、二層復合式機械手以及鐵鉆工等一系列高端自動化設備，完成起升系統上的鉆桿和套管的抓取與上扣，減輕工人勞動強度，提高作業效率，同時保證鉆井作業安全進行。

3.4 提升模塊鉆機智能化水平

模塊化鉆機的智能化是隨著科技發展不斷演進而來的。目前，根據智能化程度可以將海上石油模塊鉆機分為半智能和全智能鉆機。半智能模塊鉆機需要操作人員通過控制平臺發送指令，完成鉆機的下鉆、提鉆以及套管跟進等流程。全智能模塊鉆機在智能化水平上遠遠超過半智能化鉆機，其下鉆、提鉆以及套管跟進等工作由計算機系統完成指令下達，無須人員介入操作。計算機系統可以根據井內探頭收集和分析鉆采信息，實時調整模塊鉆機的工作狀態，代替人工觀察鉆進數據，使得鉆采過程更加安全和高效。計算機控制系統是整個智能鉆機的大腦，能對各種復雜工況、運行狀態、操作對象的異常變化等進行識別、邏輯分析及決策，實現鉆井施工的精準閉環控制，并且能充分與鉆井、地質和測井等專業大數據進行融合，提高生產效率。

4 結語

按照石油鉆采設備提升系統的功能，可以將整個系統分解為3 個功能單元，即支架功能單元、起下功能單元和制動功能單元。每個單元之間互相協作，保障模塊鉆機的正常運行。模塊鉆機起升系統動力通常采用直流電動機驅動、液力傳動和交流電動機變頻等3 種方式，根據實際需要選擇不同的動力系統。不斷提高模塊鉆機的網絡和自動化水平，可以通過配備雙司鉆操作系統、改進模塊鉆機的漿液輸送系統以及提高模塊鉆機的自動化水平等方式，保證起升系統的工作效率達到最佳狀態。