石油钻机提升系统分析与应用

陆彦博 宋云鹏 李睿明

摘要：钻机提升系统作为石油钻机的核心，在起下钻等作业流程中起着至关重要的作用，按照提升方式的不同将钻机提升系统分为了绞车式和液压式提升系统，对两种提升系统的结构组成进行了分析，并调研了国内外提升系统的应用状况，最后对两种提升系统的优缺点进行了总结分析。可以预见，具备先进性的液压式提升系统会在今后的石油钻机中占据重要地位。

关键词：油钻机；提升系统；绞车式；液压式

1提升系統分析

1.1绞车式提升系统

绞车式提升系统较为传统，技术成熟，使用率较高，该系统主要由井架、游动系统、绞车等组成，并且出现了单绞车和双绞车提升之分。其中双绞车提升系统是将单绞车提升系统的死绳端也变为一台绞车，两台绞车同时提升，根据API8C标准内有关效率计算的要求，通过对绳系效率的计算可以发现，双绞车提升系统在绳系效率上比单绞车提升系统有一定的提高，并且可以进一步增大钻机的提升能力，在一定程度上促进了石油钻机的发展。

1.2液压式提升系统

液压式提升系统较为先进，在陆地及海洋钻井设备上实际使用率较低，该系统主要由液压缸、井架、游动滑车等组成，结构形式如图2，这种提升系统没有动定滑轮之间的钢丝绳缠绕，系统的绳系效率很高，并且，顶驱的提升速度是液压缸运动速度的2倍。

2石油钻机提升系统关键件热处理质量问题分析

目前存在的主要问题是：经过热处理后，工件的塑性指标能够达到要求，韧性靠近下限，而强度偏低。按屈服强度校核的安全系数为2.30～2.40，与所设计的安全系数2.79相比略低，但在使用中从未发生任何事故。

尽管在使用过程中从未发生任何事故，但生产企业为了与国际标准接轨，增加产品在国际市场的竞争实力，决定对该问题进行分析和研究。经过全面、细致的分析表明，石油钻机提升系统关键件强度和韧性不足的根本原因是：最初的设计没有考虑到工件强度和工件尺寸之间的匹配关系（尺寸效应），原设计指标按有关国家标准制订，但该标准中试样尺寸为25mm（淬火介质：油），而实际工件直径都在130mm以上，部分工件尺寸超过200mm。由于工件的尺寸较大，所用42CrMo钢的淬透性不足，受尺寸效应的影响，工件的淬硬层较浅，使工件截面上强度分布不均，且较低，在检测部位1/3R处强度、韧性无法满足技术要求。

针对上述原因，在不改变工件的整体结构、不影响与其它零部件的装配关系的前提下，制定了解决问题的3套方案：

（1）材料方面：选择淬透性好的材料，如选择18Cr2Ni4WA钢，对于该截面尺寸的工件，能完全满足性能要求，但价格远远高于42CrMo钢。

（2）工艺方面：强化淬火冷却。如采用水淬，力学性能也完全满足要求，但易淬裂。通过调查发现，为了防止42CrMo钢大尺寸工件的水淬开裂，也有采用更换淬火介质，既提高了淬硬层深，又避免了淬火开裂，但工艺麻烦，需要经常调整。

（3）工件结构方面：将工件中心掏空，做成空心件，减小工件热处理时的有效尺寸，增大工件淬火冷却时的散热表面。该工件主要承受弯曲载荷，实心结构工件的心部材料，不仅对工件承载（弯曲载荷）不发挥什么作用，而且与空心结构比较，实心工件热处理时除了增加工件的有效尺寸和蓄热量外，还在淬火冷却时减少了一个散热面，使工件淬火时的冷却速度降低，淬硬层变浅，工件的性能难以满足技术要求，如果可以改变成空心件，上述问题有望解决。

3提升系统应用

3.1绞车式提升系统应用

目前大部分陆地和海洋平台上的钻井包都采用了这种提升方式，并且提升能力越来越高，主要介绍几种有代表性的平台。

（1）海洋石油981半潜式钻井平台，采用一个半井架、天车补偿系统和单绞车提升方式，提升能力907t，平台可在不超过3000m水深的海域进行钻探工作，钻井深度可达10000m。

（2）马士基双井架作业平台，采用双井口井架，配备天车补偿系统，双井口分别采用单绞车提升方式。两台绞车左右两侧对称布置，双井口有主辅之分，提升能力存在差别，马士基建造了数台该类型的钻井平台。

（3）HUISMAN公司的多功能钻井塔，钻井塔取代了传统井架结构，采用双滚筒绞车提升方式，双滚筒绞车具备主动补偿功能，并且配备了快速换绳滑轮组，可根据不同工况变换绳系，以提高提升系统冗余性和效率。该产品技术较为先进，创新点较多。

3.2液压式提升系统应用

目前，有少数陆地钻机及海洋平台使用液压式提升系统这种方式，由于其较为先进的技术，产品多为国外厂家制造。

（1）意大利Drillmec公司的液压钻机A-HEAD375，伸缩式井架依靠油缸上下运动，天车随井架升降，通过两单根为一立根的方式起下钻，大钩载荷340t，钻井深度6000m，自动化程度高。该钻机采用垂直钻杆架取代传统二层台存放钻杆。

（3）HERRENKNECHTVERTICAL公司生产的海洋平台钻井包DEEPDRILLINGRIGTERRAIN-VADER250CL，最大钩载250t，井架高度30m，采用液缸提升方式，行程17.5m。采用单根的方式进行起下钻。主要应用在自升式钻井平台上。

（4）Frigstad公司设计的全球最先进的第七代半潜式钻井平台D90，采用双井口作业方式，配备AK-ERMH或NOV的液压提升系统。通过液压缸顶升游动滑车来控制顶驱上下运动，井架作为游动滑车的轨道支撑，不承担主载荷。

4提升系统比较

通过对比分析发现，绞车式提升系统因其较为成熟的技术，在陆地和海洋钻机中占有很大的比重，但由于其复杂的结构和较大的重量，使其重心较高，稳定性较差。当今钻机的提升能力越来越强，这就需要结构更大的井架和功率更高的绞车与之匹配，在海洋平台上，井架和底座重量的上升会降低平台可变载荷，不利于平台的长远发展﹔双绞车的出现对提升钻井绞车的能力起到了重要作用，在一定程度上有利于绞车式提升系统的发展，但双绞车较大的重量、复杂的结构和控制等缺点也制约了其进一步发展。因此，随着石油钻机钻井能力的不断提升，绞车式提升系统的发展瓶颈会越来越突出。

液压式提升系统作为一种新型的提升方式，在这方面具有很好的优势，该提升系统结构简单，井架只是作为游动滑车的轨道支撑，不承担主载荷，重量会降低很多，稳定性也有很大提升，优势比较明显，但液压式提升系统的重难点在于液压系统的研发和制造，现今海工领域的液压元器件基本采用国外产品，成本较高，国内对这种大载荷、大流量的液压元器件研发较少，较为依赖国外产品，研发难度较大。但可以确信的是，液压式提升系统的优势非常明显，会在石油钻机领域占据更多的市场和地位。国内厂家应尽早对该类提升系统布局研发，力争占据一席之地。

结束语：

根据钻机提升系统提升方式的不同，将钻机提升系统分为了绞车式和液压式提升系统，通过分析两类提升系统的结构形式，调研了国内外两种类型提升系统的应用现状，总结并比较了两类提升系统的优缺点。可以预见，液压式提升系统作为先进性的代表，在今后的石油钻机中会占据越来越重要的地位。

参考文献

[1]陈永丽，王爱江，刘彩贤.石油钻机提升系统吊环铸钢件内部缺陷解决方案[J].铸造.2017（01）

[2]路明.探讨海洋钻机提升系统中的设备故障及预处理措施[J].中小企业管理与科技（上旬刊）.2018（08）

（作者单位：中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司）