钻井平台作业自动装置

『壹』 KZDB、XD-DB型交流变频电驱动顶驱式岩心钻机

KZ30DB、XD-35DB型交流变频电驱动顶驱式岩心钻机,由中国地质装备总公司和汶川科学钻探工程中心、核工业地质局等单位合作研制,是一种具有我国自主知识产权的新型电动顶驱式岩心钻机。钻探施工能力N口径分别为5000m、3500m。该钻机由工业电网提供动力源,采用模块化交流变频电驱动单元作为提升、回转、送钻、打捞等执行系统,采用全转矩控制、全机械化作业、全数字化操作的工作模式,融合机、电、液、气、电子及信息化技术为一体,服务于孔深3500m的矿产勘探及能源钻采深部钻探作业。

(一)钻机系统设计

1)采用重载K型钻塔,承载1350kN,导轨行程25m,实现18m立根钻进。

2)顶部驱动钻井系统直接在井架上部驱动钻柱,并沿井架内导轨上下移动,通过交流变频绞车实现减压钻进功能,完成回转钻进、钻井液循环、接立根/单根、上卸扣、倒划眼等操作。

3)采用以AC-VFD-AC交流变频方式驱动钻机主要执行部件(绞车、顶驱、绳索卷扬、转盘)的电机。实现顶驱、绞车等部件全程无级调速,取消机械换挡,传动简单、可靠。

4)采用全数字化交流变频控制技术,通过电传系统PLC、触摸屏和气、电、液及仪表参数一体化设计,实现顶驱、绞车、绳索卷扬、转盘等部件的智能化控制,并可实现远程钻进参数的监控。

(二)钻机主要结构

钻机主要结构部件包括K135钻塔、2.0钻井平台、电驱顶驱系统、电驱主绞车(含盘刹)、电驱绳索绞车(含盘刹)、电控系统、司钻房、井口自动化装置、泥浆泵及固控装置等。

1.钻塔、平台

采用K型钻塔,钻塔净空高度31m,最大钩载1350kN(5×6游车绳系),平台高度2.0m,立根盒容量4000m。钻塔结构如图2-14所示。

图2-14 K型钻塔结构示意图

2.顶驱系统

直驱电驱动高速顶驱作为核心部件(图2-15),具备回转、泥浆循环、加接单根、起下立根、拧卸丝扣等功能。该顶驱获国家发明专利,专利号:ZL201310367876.4。机械部分包括以下3部分:

图2-15 顶驱结构

1)托架-滑车总成,由托架与多组滚子组成。确保顶驱沿着导轨高速运动或者慢速给进的运动限制及抗扭功能。

2)电机-水龙头总成,由变频电机组件与水龙头组件组成。

3)自动摆管装置,由提吊侧摆机构与背钳拧卸机构组成。侧摆机构负责从平台拾取钻杆单根,或从二层台抓取立根;背钳拧卸机构负责单根钻杆或钻杆立根与顶驱主轴之间的丝扣拧卸。

3.主绞车

主绞车采用300kW交流变频电机,通过减速机、卷筒离合器输出扭矩与速度到卷筒,再通过天车、游车实现对顶驱的提升与下放;主卷筒通过电机编码器、制动单元实现能耗制动及零速悬停,通过液压盘刹实现安全制动;通过卷筒编码器可以精确测定顶驱系统在钻塔净空内的运行位置;通过过卷防碰、井架防碰实现对卷筒的安全制动。主绞车结构如图2-16所示。

图2-16 主绞车结构示意图

送钻装置包含:送钻变频电机通过大速比送钻减速机、送钻离合器、减速机、卷筒离合器输出扭矩与转速给主绞车卷筒。

主绞车具有以下特点:

1)传动方式:交流变频电驱动,气胎离合。

2)控制方式:闭环控制,可实现零位悬停。

3)安全模式:过卷防碰,井架钢丝绳防碰,电子防碰。

4)刹车模式:主刹车为液压盘刹,辅助刹车能耗制动。

5)制动形式:驻车制动、工作制动、紧急制动(失电)。

6)送钻控制:小功率变频电机实现自动送钻,可实现3000N调压精度。

7)控制显示:气源、润滑油压力、游车位置与游车速度的显示与报警。

8)互锁功能:主电机与送钻电机启动互锁。

4.绳索取心绞车

绳索取心绞车(图2-17)最大拉力:25000N;最高绳速:200m/min;钢丝绳直径:8mm;容绳量:4000m。该型绞车获国家发明专利,专利号:ZL201310368723.2,其设计特点及功能优势如下。

图2-17 绳索取心绞车

(1)设计特点

1)传动方式:交流变频电驱动,电磁离合器;

2)控制方式:闭环控制,可实现零位悬停;

3)刹车模式:主刹为液压盘刹,辅刹为能耗制动;

4)排列方式:自动排绳、自动换向;

5)控制显示:可检测绳长、绳速、张力。

(2)功能优势

1)具有电磁离合,可实现无动力自由下放;

2)具有液压盘刹,可实现安全制动;

3)具有排绳、张力、绳长等装置,提高打捞成功率。

5.电控系统(AC-VF-AC)

电控系统由动力部分、变频驱动部分以及各执行单元三部分组成。动力装置为网电变压器或柴油发电机组;变频驱动装置为VFD房(Variable-frequency Drive),包含顶驱电机、绞车电机、送钻电机、绳索绞车电机、转盘电机的变频器以及综合控制装置(包含可编程逻辑控制器PLC);执行单元包含各部件的变频电机、传感器、编码器、动力电缆及控制电缆。控制系统布局图如图2-18所示。

6.钻机操作间

钻机操作间是整个钻井现场的“司令部”,如图2-19所示。主要组成部分为电气控制部分和数字化操控界面。除此之外,包含现场多点视频监控、独立检测系统、现场通信装置等。

操作间实现了集中、智能、舒适、安全操控的功能。电气控制部分(元件面板)完成回转、升降转速、扭矩设定,加杆、拧卸、刹车等启停及作业流程;数字化界面包括触摸屏、显示屏等,其功能是在各个人机界面中显示工艺参数及设备运行参数并可进行设定。

7.工作室

除操作间的人机操作界面外,还配有远程监控工作室,设置了钻进参数工控机,可实时监视钻机各个部件的运行状态及主要的钻进工艺参数,包括钻进界面、网络布局、装置布局、趋势图、操作记录、数据记录等,不仅可以实时记录设备运行参数、工艺参数、操作记录等,而且可以存储备份并远程传输。

图2-18 电控系统布局图

图2-19 钻机操作间

8.辅助装置

为配合顶驱取心钻进工艺和单吊卡作业的完整流程,配备了液压吊卡、动力钳、气动卡盘三个机械化井口作业专用辅助装置,以提高作业效率、降低人工劳动强度。

1)液压吊卡(图2-20):用于提吊大直径绳索取心钻杆加接单根、立根,协助起下钻作业,可实现自动开合、自动插销、自动锁紧。该吊卡获国家发明专利,专利号:ZL201310367854.9;

2)动力钳:用于大直径大扭矩绳索钻杆自动拧卸的动力装置;

3)气动卡盘:用于孔口自动夹持大吨位大直径绳索钻杆的装置(图2-21)。

图2-20 液压吊卡

图2-21 气动卡盘

(三)钻机主要技术参数

KZ30DB、XD-35DB型电动顶驱钻机主要技术参数见表2-8。

表2-8 KZ30DB、XD-35DB型电动顶驱钻机主要技术参数

续表

(四)钻机应用实例

XD35DB型钻机,于2012年8月～2013年5月,在江西崇仁相山大型铀矿田为“中国铀矿地质第一科学深钻”提供装备支撑,实现全孔连续取心2818.88m,终孔口径Ф122mm;创造了国内S114大口径绳索取心钻深纪录。

自2012年7月起,KZ30DB型钻机用于设计孔深3350m的四川绵阳汶川科学钻探四号孔(WFSD-4)施工,采用电驱动转盘钻进工艺。

『贰』 海上钻井平台非常大，犹如四十层楼，它是怎样在海上完成组装的

海上钻井平台似乎是“漂浮”在海面上，但真实情况并非如此。这种平台可以分为三类：第一种是钻井平台下方有“长腿”，被固定在海底；第二种；虽然平台是漂浮着，但是被许多根锚链固定住，属于半潜式平台；第三种，平台确实漂浮在海面上，在底部带有动力装置，对抗海水的流动，使平台固定在某一位置，这种平台技术最为先进。

插桩定位 ，通过桩腿的升降在海底“扎根”，并确保船体始终“探出水面”，稳如泰山，学名叫自升式钻井平台 。如果这种平台想要移动，那么就需要小船（学名叫拖轮）拖着走，拖航状态下，平台船体漂浮，桩腿高耸。抵达目标井位后，钻井平台找好位置就开始下放桩腿，重量逐渐由浮力支撑转变为桩腿支撑。在这个过程中，船体上升，离开水面 ，为确保站得住、立得牢，平台将逐步为桩腿周围的压载舱注水，使桩腿深深扎根海底。这个过程通常要持续数十个小时。完成压载后，船体上升至合适高度，正式启动钻完井作业。

出于经济性考量，许多半潜式钻井平台同时配备动力定位系统和锚泊定位系统，通常浅水时用锚泊定位，深水时用动力定位，或以锚泊定位为主，大风浪时使用动力定位协助等方式，实现勘探作业的最优性价比。

『叁』 海上石油钻井平台上组成设备有哪些

没有更详细的了。
主要用于钻探井的海上结构物。上装钻井、动力、通讯、导航等设备，以及安全救生和人员生活设施。海上油气勘探开发不可缺少的手段。主要有自升式和半潜式钻井平台。
①自升式钻井平台
由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。1953年美国建成第一座自升式平台，这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，约占移动式钻井装置总数的1／2。工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致
下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。
②半潜式钻井平台
上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。工作时下船体潜入水中，甲板处于水上安全高度，水线面积小，波浪影响小，稳定性好、自持力强、工作水深大，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达900～1200米
。半潜式与自升式钻井平台相比，优点是工作水深大，移动灵活；缺点是投资大，维持费用高，需有一套复杂的水下器具，有效使用率低于自升式钻井平台。

『肆』 双作业钻机

为满足高效开发非常规油气资源的需要，未来陆地钻机的重要发展方向之一是进一步提高钻机的运移性，发展各式各样的快速移动式钻机，为提高钻井效率，降低钻井成本和风险，未来钻机的两个重要发展方向是提高钻机自动化水平和作业效率，将出现全自动钻机（智能钻机），海洋钻井将发展和推广应用双作业钻机。

F1.1 技术概况

双作业钻机是钻井作业及其辅助作业可同时进行的钻机，Transocean公司于1995年获得了双作业钻井方法的专利。

目前双作业钻机主要有3种类型。

F1.1.1 离线钻机

离线钻机又称一个半井架双作业钻机，有主、辅两座井架，主井架高一些，用于钻井作业；辅井架低一些，用于钻井的辅助作业。由于两座井架一高一低，故称之为一个半井架双作业钻机。辅井架的作业是脱离开主井架，称为“脱机”作业。美国Enertech公司、挪威Aker Solution公司和新加坡Keppel集团公司单独或联合设计生产离线钻机。

F1.1.2 双井架双作业钻机

双井架双作业钻机的“双井架”并不是指在平台甲板上安装两台独立的井架，而是将二者融为一体，一台用作主井架，一台用作辅井架，各有一套提升系统、顶部驱动装置、管子处理系统；“双作业”是指在进行正常钻进的同时，可以并行完成组装、拆卸钻柱以及下放隔水管柱、套管柱和下放与回收水下器具等脱机作业。到目前为止，国外已有挪威Aker Solution公司、美国国民油井华高公司（NOV）、新加波Keppel集团公司和Semb Corp海洋公司、荷兰Huisman设备公司等推出了双井架双作业钻机。按驱动方式，双井架双作业钻机分为液压驱动和电驱动两种，如：Seadrill公司拥有配置挪威Aker Solution公司Dual RamRig^TM双井架双作业钻机（液压驱动）的West Venture号半潜式钻井平台和Transocean公司拥有配NOV双井架双作业钻机的Dhinubhai Deepwater KG2号钻井船。

F1.1.3 双作业箱式钻机

荷兰Huisman设备公司为深水半潜式钻井平台和钻井船设计了一种双作业箱式钻机，井架内装有两台主动式升沉补偿式绞车。为确保安全，还为绞车配备了被动式升沉补偿系统。井架的提升力达10682kN。井架两侧各有一个旋转式钻杆排放架，钻杆立根高度增至41m。该钻机的额定钻深能力达12192m。采用这种井架可减少半潜式钻井平台和钻井船的尺寸，显著提高钻井作业效率（图F1.1）。

图F1.1 双作业箱式钻机

F1.1.4 双作业箱式钻机

Huisman设备公司为Noble钻井公司设计了4艘深水钻井船，配备的钻机均是Huisman设备公司设计的额定钻深能力为12192m的双作业箱式钻机。这4艘钻井船均在建造中，其中额定作业水深为3657m的2艘HuisDrill 12000型钻井船（图F1.2）由新加坡吉宝公司建造，交付时间为2011年；额定作业水深为3048m的另2艘Huisman Globetrotter型钻井船由STX大连集团建造，交付时间为2011年和2013年。

图F1.2 HuisDrill 12000型钻井船

Huisman设备公司还设计了配备双作业箱式钻机的半潜式钻井平台（图F1.3）。

F1.2 应用现状

双作业钻机因能显著提高海洋钻井作业效率，已得到推广应用。据不完全统计，截至2008年一季度末全球在用及在建的、作业水深大于2250m的半潜式钻井平台55座，钻井船41艘，其中应用双作业钻机分别是28座和25艘，分别占51%和61%。由此可见，双作业钻机已经成为第六代深水浮式钻井装置的主流配置。

图F1.3 JBF 14000型半潜式钻井平台

F1.3 发展前景

与普通单作业钻机相比，双作业钻机可提高钻井效率20%以上，双井架双作业钻机总体优于离线钻机。未来20年，双井架双作业钻机将得到进一步发展，结构将更加多样化，自动化程度和作业效率更高，在超深水浮式钻井装置上的配置率将越来越高。