石油钻机的钻柱重量与钩载的区别？石油钻机链

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吴经理 （经理） 手机：  

钻井机械章    钻井机械

石油钻机是指用来进行石油与天然气勘探、开发的成套钻井设备。盘钻机是成套钻井设备中的基本形式,也称常规钻机。此外,为适应各种地理环境和地质条件加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井综合效益,近年来世界各国在转盘钻机的基础上研制了各种类型的具有特殊用途的钻机,如沙漠钻机、丛式井钻机、顶驱钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等特殊钻机.

现代钻机是一套大型的综合性机组,为了满足油气钻井的需要,整套钻机是由若干系统和设备组成的.本章从整体上,简要介绍关于钻机的基本概念和基本知识。

节        钻井工艺对钻机的要求及钻机的特点

  一、钻井工艺对钻机的要求

钻机设备的配置与钻井方法密切相关,目前,世界各国普遍采用的钻井方法是旋转钻井法。即利用钻头旋转破碎岩石，形成井身；利用钻柱将

钻头送到井底；利用大钩、游车、天车、绞车起下钻杆柱；利用转盘

或顶部驱动装置带动钻头、钻杆柱旋转；利用钻井泵输送高压钻井液，带

出井底岩屑，如右图

显然，旋转钻井法要求钻井机械设备具有以下三方面基础能力：

（1） 旋转钻进的能力：钻井工艺要求钻井机械设备能为钻具（钻杆柱和钻头）提供一定的转矩和转速，并维持一定的钻压（钻杆柱捉用在钻头上的重力）。

（2）  起下钻具的能力：钻井工艺要求钻井机械设备应具有一定的起重能力及起升速度（能起出或下入全部钻杆柱和套管柱）。

（3）    清洗井底的能力：钻井工艺要求钻井机械设备应具有清洗井底并携带

岩屑的能力，能提供较高的泵压，使钻井液通过钻杆柱中孔，冲击清洗井底，并将岩屑带出井外。

此外，考虑到钻井作业流动性大的特点，钻机设备要容易安装、拆卸和运输。钻机的使用维修工作必须简便易行，钻机的易损零部件应便于更换。

钻机设备的配置和各种设备的工作能力、技术指标都是根据钻井工艺对钻机的以上三项基本要求确定的。在钻机的基本参数中对转盘的转矩与功率、大钩起重及功率、钻井泵的许用泵压与功率提出了要求。在这三组参数中，转盘的转矩，大钩的起重量，钻井泵的许用泵压，都是受到机件强度限制的。

在强度满足使用要求的条件下，转盘应具有一定的转速；大钩应具有一定的提升速度；钻井泵应具有一定的排量，否则钻井作业就不能顺利进行。对转矩与转速，起重量与升速，泵压与排量的联合要求，就是工作机对功率的要求。为了保证一定的转速、升速、排量，应该供给一定的功率。

二、钻机的特点

根据钻井工艺的要求和钻井场所的特殊性，钻机表现出与一般通用机械不同的特点，概括起来如下：

（1）    为了完成钻进与起下钻等钻井作业，钻机必须是一套大功率的重型联合工作机组。

由于发动机是单一的特性，而工作机与井底钻具则要求具有不同的特性，所以从发动机到工作机与井底钻具间就有着不同的能量转换、运动变化和很长的能量传递路线，这就必然造成了钻机的传动机构庞大、整体效率低，控制机机构复杂、自动化程度低。

（2）    钻井作业是不连续的。

在深井钻井中，起下钻这一非生产性质的辅助操作跃居主要地位，所以，起升机组变成了主要工作机组。起钻时必须付出很大的能量，而下钻时所产生的能量又不能回收，造成了很大的能量损耗。

（3）    钻机的工作场所与一般机器不同。

它是在矿场、山区、沙漠、沼泽地带及海洋上进行流动性作业的。这就要求钻机必须具有高度的运移性，即设备拆、装简易，尺寸和重量适于大块装运或整体拖运。为了适应各地区的载运条件，钻机应具有不同的底座机构形式。

第二节  钻机的组成及类型

一、钻机的组成                   

现代钻机，也就是目前世界各国通用的常规钻机，是一套大型的综合性机组，整套钻机是由动力与传动系统、工作系统、控制系统、辅助系统等若干系统和相应的设备所组成。一般说来，大型的综合性机组应包括：

（1）    动力系统：为整套机组提供能量的设备；

（2）    传动系统：为工作机组传递、输送、分配能量的设备；

（3）    工作系统：按工艺的要求进行工作设备；

（4）    控制系统：控制各系统、设备按工艺要求进行工作的设备；

（5）    辅助系统：协助主系统工作的设备。

钻机也不例外，也应包括这五大系统。所不同的是，钻机的工作系统比较庞大，各机组的工作状况和工作特点各不相同，因而人们按照钻机工作机组的工作特点，把钻机的工作系统分成三部分，即旋转系统、起升系统和循环系统，另外，还把钻机底座单独列为一个系统。这样看来，整套钻机就是由下述八大系统设备组成的，如图1-2所示。

1旋转系统设备                                 

为了转动井中钻具，带动钻头破碎岩石，钻机配备了旋转系统。它主要由转盘、水龙头、钻杆柱及钻头组成。另外，水龙头、钻杆柱和钻头也起着循环高压钻井液的作用。转盘是旋转系统的核心，是钻机的三大工作机之一。

顶部驱动钻机配备了顶部驱动钻井装置，代替转盘驱动钻杆柱和钻头旋转。

2循环系统设备

为了及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁，钻机配备了钻井液循环系统。主要有钻井泵、地面高压管汇、钻井液净化设备和钻井液调配装置（固控设备）等。当采用井下动力钻具钻进时，循环系统还担负着提供高压钻井液，驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具带动钻头破碎岩石的任务。钻井泵是循环系统的核心，是钻机的三大工作机之一。

3．起钻系统设备

为了起下钻具、下套管、控制钻压及钻头送进等，钻机配备了起升系统，以辅助完成钻井作业。这套设备主要有钻井绞车、辅助刹车、游车系统〔如钢丝绳、天车、游动滑车〕大钩和井架组成。另外，还有用于起下操做的井口工具及机械设备〔如吊环、吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移动机构等〕。绞车是起升系的核心，是钻机的三大工作机之一。

上述三大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的三大工作系统统。绞车转盘钻井泵称为钻机的三大工作机。

4.动力驱动系统设备

动力驱动系统设备是指为整套机组〔三大工作机组及其他辅助机组〕提供能量的设备，可以是柴油机及其供油设备，或是交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。

5.传动系统设备

传动系统设备是指连接动力机与工作机，实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式转换设备。它包括减速、并车、倒车及变速机构等。

钻机中常用的机械传动副主要是链条、三角胶带、齿轮和万向轴。此外，不少钻机还采用了液力传动、液压传动、电传动等传动形式。

6.控制系统和监测显示仪表

为了指挥控制各机组协调的进行工作，整套钻机配备有各种控制装置，常用的机械控制、气控制、电控制、液控制和电、气、液混合控制。机械驱动钻机，普遍采用集中统一气控制。现代钻机还配备各种钻井仪表及随钻测量系统，监测显示地面有关系统设备的工作状况，测量井下参数，实现井眼轨迹控制。

7.钻机底座

底座包括钻台底座和机房底座，用语安装钻机设备，方便钻机设备的移运。钻台底座用于安装井架、转盘，放置立根盒及必要的井口工具和司钻控制台，多数还要安装绞车。钻台底座应容纳必要的井口装置，因此，必须有足够的高度、面积和刚性。机房底座主要用于安装动力机组及传动系统设备，因此，也要有足够的面积和刚性，以保证机房设备能够迅速安装找正、平稳工作且移运方便。丛式井钻机底座必须满足丛式钻井的特殊要求。

8.辅助设备

成套钻机还必须具有供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备及辅助起重设备，在寒冷地带钻井时还必须配备保温设备。

二、钻机的类型

世界各国的各大石油公司、各钻机制造厂家按照各自的特点，对石油钻机的分类不尽相同。一般来说，可按以下方法对石油钻机进行分类。

1.    按钻井方法分

按钻井方法的不同可把钻机分为：冲击钻机（也称为顿钻钻机，最初用来打水井。1859年，美国人德雷克把它引入石油钻井）、旋转钻机（其代表是转盘旋转钻机，也成为常规钻机，是目前世界各国通用的钻机）。

2.    按驱动钻头旋转的动力来源分

按驱动钻头旋转动力来源的不同可把钻机分为：转盘驱动旋转钻机、井底驱动旋转钻机（转盘旋转钻机加井底动力钻具）、顶部驱动旋转钻机（转盘旋转钻机加顶部驱动钻井装置）。

3.    按驱动设备类型分

按驱动设备类型的不同可把钻机分为：柴油机驱动钻机（柴油机驱动钻机又可分为柴油机驱动—机械转动钻机和柴油机驱动—液力传动钻机）、电驱动钻机（电驱动钻机又可分为直流电驱动钻机和交流电驱动钻机）。

直流电驱动钻机包括：直—直流电驱动钻机（DC—DC）和交—直流电驱动钻机（AC—SCR—DC）。

交流电驱动钻机包括：交流发电机（或工业电网）—交流电动机驱动钻机（AC—AC）和正在发展中的交流变频电驱动钻机，即交流发电机—变频调速器—交流电动机驱动钻机（AC—VFD—AC）。

4.    按工作机分组分

按工作机分组的不同可把钻机分为：统—驱动钻机、单独驱动钻机、分组驱动钻机。

5.    按主传动副类型分

按主传动副类型的不同可把钻机分为：胶带钻机、链条钻机、齿轮钻机。

6.    按钻井深度分

按钻井深度的不同可把钻机分为：浅井钻机（钻井深度不大于1500m）、中深井钻机（钻井深度为1500～3000m）、深井钻机（钻井深度为3000～5000m）、超深井钻机（钻井深度大于5000m）。

7.    按使用地区和用途分

按使用地区和用途的不同可把钻机分为：海洋钻机、浅海钻机（适用与0～5m水深或沼泽地区）、常规钻机、丛式井钻机、沙漠钻机、直升机吊运钻机小井眼钻机、连续柔管钻机等。

第三节  钻机的基本参数及我国钻机系列标准

一、钻机的基本参数

钻机的基本参数指的是反映钻机基本工作性能的技术指标，也称为特性参数。如名义钻井深度、钻柱重量、钩载等。基本参数是设计、制造、选择、使用、维修和改造钻机的主要技术依据。

钻机的基本参数按系统分类主要由主参数、起升系统参数、旋转系统参数、循环系统参数、驱动系统参数等构成。

1.    主参数

在基本参数中，选定一个最主要的参数作为主参数。主参数应具备以下特征：能最直接的反映钻机的钻井能力和主要性能：对其他参数具有影响和决定作用；可用来标定钻机型号，并作为设计选用钻机的主要技术依据。

我国钻机标准采用名义钻井深度L（名义钻深范围上限）作为主参数。因为钻机的钻井深度影响和决定着其他参数的大小。

1）名义钻井深度L

名义钻井深度L是钻机在标准规定的钻井绳数下，使用 127mm（5in）钻杆柱可钻达的井深。

2）名义钻深范围Lmin～Lmax

名义钻深范围Lmin～Lmax是钻机可经济利用的最小钻井深度Lmin与钻井深度Lmax之间的范围。名义钻井深度范围下限Lmin与前一级的Lmax有重叠，其上限即该级钻机的名义钻井深度。

2.    起升系统参数

1）钩载Qhmax

钩载Qhmax是钻机在标准规定的绳数下，下套管或者进行解卡等特殊作业时，大钩上不允许超过的载荷。

Qhmax决定了钻机下  管和处理事故的能力，是核算起升系统零部件静强度及计算转盘、水龙头主轴承静载荷的主要技术依据。

2）钻柱质量Qstmax

钻柱的质量Qstmax是钻机在标准规定的绳数下，正常钻进或进行起下作业时，大钩所允许承的钻柱在空气中的质量。

        Qstmax=qst·L

式中：  qst —每米钻柱质量，kg；

  L  —名义钻井深度，m。

标准规定： 127mm（5in）钻杆，接 80～100 m的7in 钻铤，平均取qst= 36kg/m。化整及为系列钻机的 Qstmax值。是计算钻机的起升系统零部件疲劳强度和转盘、水龙头主轴承动载荷的主要技术依据。

Qhmax/Qstmax称为钩载储备系数，用Kh 来表示。一般Kh=1.8～2.08。钩载储备系数越大，表明该 钻机下套管、处理事故能力越强；但钩载储备系数过大会导致起升系统零部件过于笨重，不利用搬运。

3）起升系统钻井绳数Z和绳数Zmax

起升系统绳数Z是指正常钻井时游动系统采用的有效提升绳数。绳数Zmax是指钻机配备的游动系统轮系所能提供的有效绳数，用于下套管或解卡等重载作业。

另外，起升系统参数还包括：绞车各挡起升速度V1、V2、……、Vk；绞车挡数K；绞车快绳拉力Pe；钢丝绳直径Dw；绞车额定输入功率Nde；井架有效高度Hm；钻台高度Hdf等；

3.    旋转系统参数

旋转系统参数包括：转盘开口直径Dr；转盘各挡转速n1、n2、……、nk；转盘挡数Kr；转盘额定输入功率Nre等。

4.    循环系统参数

循环系统参数包括：钻井泵额定压力Pe；钻井泵额定流量Qe；钻井泵额定输入功率Npe等。

5.    驱动系统参数

    驱动系统参数包括：单机额定功率N；总装机功率Nt等。

二、我国石油钻机标准系列

为了规范钻机的设计、制造与设备供应，以达到生产、使用的经济合理，并有利于开展国际技术交流与合作，根据油气钻井的实际需要，选定主参数，将主参数系列，也就是将钻机分级。再根据此拟定其它基本参数，形成钻机基本系列。