模块钻机起升系统的效率提升研究

李俊宏

（中海油能源发展装备技术有限公司湛江分公司，湛江 524057）

海洋油气资源的勘探和开发是接续陆地油气资源的重要方向。但是，相较于陆地油气资源开发，海洋环境更加恶劣，对油气钻采设备的性能提出了更高的要求。当前，海洋油气钻井平台是海上油气资源开发不可或缺的设备。油气钻井平台上的模块钻机通常固定在井口平台上，用于进行钻井、完井和修井作业，与生产平台共享供电系统和住宿模块等，最大限度实现资源共享，有效降低成本。石油模块钻井设备中起升系统的功能是提升石油天然气井中的管柱，并控制管柱的运动和对井底的压力。管柱包括钻杆、油管、套管和抽油杆等。提升管柱的能量可以是旋转形式的机械能，也可以是电能或液压能[1-2]。为了满足起升系统的效率提升需求，需要从功能单元和功能结构等方面入手进行研究分析，并从系统设计、生产管理等方面提出针对性的措施。

1 石油模块钻采设备功能单元和结构

1.1 海上石油钻采设备形式

与陆地钻井设备不同，海上钻井设备需要架设在水平面上，并且对平稳性有着严格要求。在平台和海底之间需要构建一个特别的井口装置，以有效分隔海水和井筒。海上石油钻井多以斜井为主，保证海上钻井平台的模块化钻机可以正常工作。按照结构特点，海上石油钻采装置可以分为固定式和移动式。固定式装置包含重力式和桩基式。移动式钻采装置包括座式与浮动式。采用浮动式钻采平台时，海底井口与钻采设备的井口是保持不动的，可以隔绝海水，将海底井口和平台井口相连，有利于钻井液回流。通常采用打桩方法将导管打入海底至设计深度，也可以预先在海底钻出一定深度的井眼，将导管下部固定在井眼中，上部则与平台模块化钻采设备固定。

1.2 功能单元

根据石油钻采设备提升系统的功能，可以将整个系统划分为支架功能单元、起下功能单元和制动功能单元3 个部分。支架功能单元用以支撑起下机构，使其在一定高度空间中能够往复运动，并能够承受一定的载荷。要满足这些条件，支架功能单元需要形成一个相对独立、比较完整的结构。在石油钻机、修井机中，通常把支架称为井架。起下功能单元用以起升和下放井中的管柱、起下井口工具等，是提升系统的关键部分。起下功能单元需要与井架提升系统有机结合，依靠井架功能单元的支撑，在井架功能单元提供的空间中工作。相对于井架功能单元，起下功能单元具有更加复杂的单元特点。制动功能单元用以刹住或刹慢下放的管柱，控制井中管柱对井底的压力。制动功能单元与起下功能单元配合，基本能够完成提升系统的主要功能。

1.3 功能结构

石油钻采设备执行机构中，提升系统基本采用并联的结构形式。要实现提升系统功能单元的功能，需要寻求相应的技术物理效应和功能载体。表1 为提升系统的形态学矩阵，通过不同的组合可以得到不同的提升系统结构方案。例如，A1+B1+C2 为常用钻机的提升系统，A2+B1+C1 为常用修井机的提升系统，A3+B3+C 为连续管柱钻机、修井机的提升系统[3-4]。

表1 钻井提升系统形态矩阵

2 模块钻机起升系统动力分析

起升系统要求动力系统具有软特性，而柴油机和三相异步电动机均属于硬特性，不满足执行系统的工作要求，需要改善原动机特性，组成新的动力系统。

当原动机为柴油机时，石油钻井设备的动力系统组合形式包括：柴油机→液力传动；柴油机→直流发电机→直流电动机；柴油机→交流发电机可控硅整流→直流电动机；柴油机→交流发电机→变频器→交流电动机。对于后3 种动力系统，虽然原动机为柴油机，但是在石油行业中一般被称为电驱动。

当使用工业电网时，主要动力系统有：交流电动机→液力变矩器；交流电动机→直流发电机→直流电动机；可控硅整流→直流电动机；变频器→交流电动机。起升系统的工作效率受制于模块钻机起升系统的动力选择，文章分析3 种主要的动力系统。

2.1 直流电动机驱动

直流电动机与交流电动机相比，具有调速性能好、调速范围宽以及启动转矩大等优点。其铭牌上标有额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、励磁电压、励磁电流和励磁方式等。直流电动机定子中的主磁极产生气隙磁场，当电枢（转子）绕组通电后，即在磁场力的作用下转动[5]。通常直流电动机的主磁极不采用永久磁铁，而是利用励磁绕组通直流电流来建立磁场。因此，直流电动机按励磁方式不同，可分为他励、并励、串励以及复励4 种不同的形式。它们的主要区别是励磁绕组与电绕组的关系不同。他励是励磁绕组接在独立的励磁电源上，并励或串励是励磁绕组并联或串联在电枢绕组上，而复励是同时使用并联和串联两套励磁绕组。

2.2 柴油机→液力传动

柴油机加上变矩器组成新的机组后，其驱动特性是柴油机与变矩器联合工作的外特性，相较于柴油机直接驱动时的特性有了很大改善[6]。柴油机和变矩器的共同工作输出特性指涡轮轴上的输出转矩、泵轮轴上的输入转矩和变矩器的效率等与涡轮转速之间的关系，又可称作联合工作外特性曲线。共同工作输出特性是柴油机与变矩器联合动力机组的综合特性，相当于一台新的动力机，是对工作机进行性能计算和传动部件设计的基本依据。

2.3 交流电动机变频

改变供电电源的频率可以改变电动机的转速，用这种方法调速效果较好，但是需要使用专门的变频器。由于变频器价格昂贵，在应用上受到了一定限制。近年来，随着变频技术的发展，价格有所下降，促进了变频技术的推广应用。

3 起升系统的效率提升路径分析

随着科技的发展，海上钻井设备功能性逐渐完善，出现了能够与普通钻井船实现同样钻井、完井和修井功能的模块钻机。新型的模块钻机智能化、自动化水平得到极大提升，使得钻井、完井作业更加安全高效的同时节省人力。

3.1 配备双司钻操作系统

模块钻机配备双司钻操作系统，在创新操作方面与以往的正副司钻模式有着很大的区别[7]。任何一台司钻均具有正副司钻的操作权限和能力，如果2 台司钻中的1 台出现操作故障或者其他紧急情况，另外的司钻系统可以在短时间内快速接替工作，保证模块钻机正常运行，不影响钻机系统的提升效率。

在网络设计方面，新型的模块钻机起升系统放弃传统的树状控制网络，使得系统内所有的设备控制模块同各国环形工业控制网络进行集成控制。钻机系统的设备信息共享同一环形高速公路。单一控制模块故障或升级改造不会影响其他设备的操作和运行，有效提高了设备整体的可靠性，从而保证了起升系统的效率[8-9]。

3.2 改进模块钻机的浆液输送系统

模块钻机的传统钻井液的加注方式依靠人工进行体积、质量和密度计算，然后由人工进行加注作业。这样的工序不仅费时费力，而且降低了模块钻机起升系统的效率。模块钻机上配备自动输灰混浆系统，能够实现自动切袋、配料、混合以及废袋挤压回收，大幅减轻现场配浆作业的劳动强度。有些模块钻机上配备了大马力的五缸泥浆泵，与传统的三缸泥浆泵相比，工作功率更大、排量更稳定，输出的压力和流量更均匀，保证了起升系统的稳定运行。在采用五缸泥浆泵状态下，模块钻机的整体结构更为优化，达到同等排量的情况下，体积减小超过40%，质量减轻超过30%，运转噪声更低，电机周边实测噪声小于90 dB。这样的性能特点使得整个泥浆泵性能更加稳定和强大，给新型模块钻机提供了强劲的钻井液供应，有效保障了起升系统的运行状态。

3.3 提高模块钻机的自动化水平

以往钻井多依靠人工操作方式，不仅耗费了大量人力，增加工人意外伤害的风险，而且对模块钻机的运行造成了一定影响，降低了起升系统的效率[10-11]。为了达到节省人力和提升模块钻机工作效率的目的，可以在模块钻机上加设自动水平猫道、二层复合式机械手以及铁钻工等一系列高端自动化设备，完成起升系统上的钻杆和套管的抓取与上扣，减轻工人劳动强度，提高作业效率，同时保证钻井作业安全进行。

3.4 提升模块钻机智能化水平

模块化钻机的智能化是随着科技发展不断演进而来的。目前，根据智能化程度可以将海上石油模块钻机分为半智能和全智能钻机。半智能模块钻机需要操作人员通过控制平台发送指令，完成钻机的下钻、提钻以及套管跟进等流程。全智能模块钻机在智能化水平上远远超过半智能化钻机，其下钻、提钻以及套管跟进等工作由计算机系统完成指令下达，无须人员介入操作。计算机系统可以根据井内探头收集和分析钻采信息，实时调整模块钻机的工作状态，代替人工观察钻进数据，使得钻采过程更加安全和高效。计算机控制系统是整个智能钻机的大脑，能对各种复杂工况、运行状态、操作对象的异常变化等进行识别、逻辑分析及决策，实现钻井施工的精准闭环控制，并且能充分与钻井、地质和测井等专业大数据进行融合，提高生产效率。

4 结语

按照石油钻采设备提升系统的功能，可以将整个系统分解为3 个功能单元，即支架功能单元、起下功能单元和制动功能单元。每个单元之间互相协作，保障模块钻机的正常运行。模块钻机起升系统动力通常采用直流电动机驱动、液力传动和交流电动机变频等3 种方式，根据实际需要选择不同的动力系统。不断提高模块钻机的网络和自动化水平，可以通过配备双司钻操作系统、改进模块钻机的浆液输送系统以及提高模块钻机的自动化水平等方式，保证起升系统的工作效率达到最佳状态。