石油钻采设备及工艺3.pdf

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1、石油钻采设备及工艺概论石油钻采设备及工艺概论 3 朱宏武朱宏武 第一章第一章 钻井工艺基本知识钻井工艺基本知识 第三章第三章 起升设备起升设备 第四章第四章 地面旋转送进设备地面旋转送进设备 第五章第五章 钻机的驱动与传动钻机的驱动与传动 第六章第六章 石油矿场用往复泵石油矿场用往复泵 第七章第七章 油田用离心泵油田用离心泵 第八章第八章 石油矿场用压缩机石油矿场用压缩机 第九章第九章 采油工程基本知识采油工程基本知识 第十章第十章 机械采油及设备机械采油及设备 第十一章第十一章 钻采工具及仪表钻采工具及仪表 第十二章第十二章 海洋石油钻采设备海洋石油钻采设备 第三章第三章 起升设备起升设备

2、3 3- -1 1 钻井井架钻井井架 3 3- -3 3 钻井绞车钻井绞车 （含刹车机构、辅助刹车）（含刹车机构、辅助刹车） 3 3- -2 2 天车、游车、大钩和钢丝绳天车、游车、大钩和钢丝绳 本章主要介绍钻机起升系统的结构组成。 重点掌握井架、绞车和游车系统的功用、组 成、钻井工艺要求，及其结构型式和特点和 基本参数。 3 3- -1 1 井架 附、本节复习题附、本节复习题 一、功用、结构组成与要求一、功用、结构组成与要求 二、整体结构类型二、整体结构类型 三、钻井井架整体结构型式对比三、钻井井架整体结构型式对比 四、井架基本参数四、井架基本参数 一、功用、结构组成与要求 1. 功用 1)

3、 安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具（吊钳等）， 在钻井过程中，进行起下钻具、下套管操作； 2) 起下钻过程中，用以存放立根，能容纳立根的总长度 称立根长度。 1）井架本体1：空间桁架结构； 2）天车台5：安置天车和天车架； 3）天车架6：安装、维修天车； 4）二层台4：包括井架工进行起下操作 的二层台，以及存靠立根的指梁； 5）立管平台2：装拆水龙袋的操作台； 6）工作梯3。 2. 结构组成 1）足够的承载能力：保证能起下一定深度的钻杆柱和下放 一定深度的套管柱；其中足够意即，与钻机大钩公称起重 量（最大钻杆柱重量）及大钩最大起重量相适应； 2）足够的工作高度和空间、足够的钻台面积：工作高度

4、越 高，起下的立根长度越长，可以节省时间； 3）拆装方便、安全，移运迅速。 3. 钻井工艺要求 按整体结构型式的主要特征，钻井井架可分为：塔型井架、 前开口井架、A型井架、桅型井架和动力井架5种基本类型。 二、整体结构类型 特征：1）井架本体是封 闭的整体结构，整体稳定性好， 承载能力大；2）整个井架是 由单个构件用螺栓连接而成的 可拆结构。 优点：井架尺寸可不受运 输条件限制，允许井架内部空 间大，起下操作方便、安全； 缺点：单件拆装工作量大， 高空作业，不安全。 1. 塔型井架 塔形井架适用于较少搬迁而 要求承载能力大，稳定性好 的钻机，如海洋钻机、超深 井钻机。 特征： 1）整个井架本体

5、分成45段， 一般各段为焊接的整体结构， 段间采用锥销定位、螺栓联接， 地面或接近地面水平安装，整 体起放，分段运输； 2）受运输尺寸限制，井架本体 截面尺寸比塔型井架小； 3）采用人字架起升，之后人字 架成为井架本体的一部分； 4）一般采用液压千斤顶调整井 架位置，对正井眼中心。 2.前开口（形）井架 优点：由于前开口井架具有结 构简单，移运、搬迁方便、良 好的承载能力和整体稳定性， 而成为应用最广泛的陆地钻机 井架。 不足：因受运输尺寸限制，井 架主体截面尺寸较小，使井架 内部空间比较狭窄。 特征： 1）两根大腿通过天车台、二层台及附加杆件连成“A”字形采 用撑杆或人字架支撑；整个井架在地

6、面或接近地面水平组装， 整体起放，分段运输； 2）大腿可以是空间杆件结构或管柱式结构，其断面依所选用 型材不同，一般分为矩形（角钢）和三角形（管材） 3. A形井架 优点：A形井架的每根大腿都是 封闭的整体结构，承载能力和稳 定性好。井架内部空间大，钻台 宽敞，司钻视野开阔。 缺点：因仅有两腿，且腿间联系 较弱，井架整体稳定性不理想。 由一节或几节杆件结构或 管柱结构组成的单柱式井 架，有整体式和伸缩式两 种；一般采用液缸或绞车 整体起放，整体或分段运 输；工作时向井口方向倾 斜，需利用绷绳保持其结 构的稳定性；结构简单、 轻便，一般只用于车装轻 便钻机和修井机（承载能 力小）。 例如：XJ2

7、50修井机用的就 是形伸缩式桅形井架。 4. 桅形井架 安装于海上浮式钻 井装置上，因设计 计算时必须计入动 力载荷，通称为动 力井架；一般是塔 架或前开口井架， 必须有控制游车运 行的导轨。 5. 动力井架 动力载荷的大小取决于井架的质量和上述振动的周期和振幅。 例如当升沉运动振幅为3米时，其因升沉而产生的动力载荷与 井架重量相当。所以海上钻井井架在设计时必须计入动力载 荷，而因之称这类井架为动力井架。 评价指标：结构经济性、使用性能、制造工艺性。 前开口井架：结构简单，拆装安全、方便，移运迅速，整 体稳定性优于A形井架； A形井架：拆装方便、安全，移运迅速，钻台宽敞，司钻视 野开阔； 塔型

8、井架：制造容易，整体稳定性好，承载能力大，井架 内部空间大，司钻视野较好。 三、钻井井架整体结构型式对比 1. 井架最大钩载：死绳固定在指定位置、用规定的钻井绳数、 没有风载和立根载荷的条件下，大钩的最大起重量，包括游车 和大钩的自重（注意：钻机的最大钩载不包括游车和大钩自 重）； 2. 立根载荷：立根自重及其承受的风载在二层台指梁上产生 的水平方向作用力； 3. 井架高度： 4. 井架有效高度：钻台面到天车梁底面 的垂直高度； 四、井架基本参数 5. 二层台高度：钻台面到二层台面的垂直高度； 6. 二层台容量：二层台（安放在最小高度上）所能存 放钻杆的数量； 7. 上底尺寸和下底尺寸： 8.

9、 大门高度： 9. 动力特性参数： 1）风速； 2）横摇角度及其周期； 3）纵摇速度及其周期； 4）升沉H及其周期； 1、钻机井架的功能有哪些？ 2、钻井工艺对井架有哪些要求？ 3、钻机井架有哪些类型？各有何特点？ 复习题 附、本节复习题附、本节复习题 3 3- -2 2 天车、游车、大钩和钢丝绳天车、游车、大钩和钢丝绳 一、天车和游车一、天车和游车 二、大钩二、大钩 三、钢丝绳三、钢丝绳 天车、 游车、钢丝绳和大钩，通常称为游动系统。 天车、游动滑车用钢丝绳联系起来组成复滑轮系统。 它可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻钻机绞车在 钻井各个作业（起下钻、下套管、钻进、悬持钻具） 中的负荷和起升

10、机组发动机应配备的功率。 一、天车和游车 天车：定滑轮组，安装在井架顶部；由天车架、滑轮、 滑轮轴轴承、轴承座和辅助滑轮等零件组成。 天车架是由钢梁焊接的矩形框架，用以安装天车轮并 与井架顶部相连接。 六个滑轮分为两组，中间由一 个轴套隔开。每个滑轮采用一 个双列圆锥滚子轴承，每个轴 承都有一个单独的润滑油道。 快绳滑轮安装在两组天车滑轮 之间的前方，便于使快绳直接 从井架外侧引向滚筒。 由于快绳一侧滑轮转动速度快 于死绳一侧，所以各轮轴承的 磨损是不均匀的，愈靠近快绳 处滑轮轴承磨损愈厉害。 游车：动滑轮组，在井架内部 作上下往复运动； 游动系统结构：即游车轮数目 天车轮数目 二、大钩 组成

11、：由钩身、钩杆、钩座、 提环、止推轴承和弹簧组成。 钻井工作对大钩的要求： 应具有足够的强度和工作可靠性； 钩身能灵活转动，以便上、卸扣； 大钩弹簧行程应足以补偿上、卸钻杆扣时的距离； 钩口和侧钩的闭锁装置应绝对可靠、启闭方便； 大钩应有缓冲减震功能，减小拆卸立根时的冲击。 三、钢丝绳 各级钻机选用的钢丝 绳应保持钻井绳数和 最大钻柱重量情况下， 安全系数不小于3； 在最大绳数和最大钩 载情况下，安全系数 不小于2。 游动系统钢丝绳有交 叉穿法和顺穿法。 复习题 1、钻机游动系统由哪些部分组成？其特点是什么？ 2、钻井作业对大钩的功能有哪些要求？ 一、功用与结构组成一、功用与结构组成 二、绞车

12、的类型与选用二、绞车的类型与选用 附：本节复习题附：本节复习题 四、四、刹车机构刹车机构 三、三、钻井绞车技术规范钻井绞车技术规范 五、五、辅助刹车辅助刹车 3 3- -3 3 钻井绞车钻井绞车 钻井绞车不仅是起升系统设备，而且也是整个钻机的核 心部件，是钻机的三大工作机之一 。 1功用 1）起下钻具、下套管； 2）钻进过程中控制钻压、送进钻具； 3）借助猫头，上、卸钻具丝扣，起吊 重物及进行其他辅助工作； 4）充当转盘的变速机构或中间传动机 构； 5）整体起放井架。 一、功用与结构组成 1）滚筒、滚筒轴总成，这是绞车的核心部件； 2）制动机构，包括机械刹车和水刹车（电磁刹车）； 3）猫头和猫

13、头轴总成，用以紧卸丝扣、起吊重物；重型钻 机绞车上还包括捞砂滚筒，用以提取岩心筒； 4）传动系统，引入并分配动力和传递运动，对于内变速绞 车除传动轴及滚筒轴、猫头轴外，还包括链条、齿轮、轴 系零件及转盘中间传动轴等； 5）控制系统，包括牙嵌、齿式、气动离合器、司钻控制台， 控制阀件等，属于钻机控制系统的组成部分； 6）润滑系统，包括黄油润滑、滴油润滑和密封传动、飞溅 或强制润滑； 7）支撑系统，有焊接的框架式支架或密闭箱壳式座架。 2结构组成 电磁刹车电磁刹车 猫头轴猫头轴 刹车气缸刹车气缸 离合器排档杆离合器排档杆 刹车鼓刹车鼓 滚筒滚筒 冷却风机冷却风机 气控排档气控排档 箱箱 输入轴输入

14、轴 钻机绞车工作示意图 猫头轴猫头轴 离合器离合器 辅助刹辅助刹 车车 气囊式气囊式 离合器离合器 链轮链轮 牙嵌式牙嵌式 离合器离合器 滚筒滚筒 轴承轴承 链条链条 类型： 1）按轴数分：单轴、双轴、 三轴及多轴绞车； 2）按滚筒数目分：单滚筒和 多滚筒绞车（主滚筒用以起下 钻具，捞砂滚筒用以提升取芯 工具及试油时进行提捞作业）； 3）按提升速度分：两速、三 速、四速、六速和八速绞车。 二、绞车的类型与选用 一台钻机采用何种结构类型的绞车与多种因素有关，主要有： 1）功率大小，主滚筒是否上钻台，如何安装移运； 2）变速方式，绞车内还是绞车外变速，这与整机传动方案有 关，需统一考虑：轻中型多为

15、绞车外变速；重型、超重型钻 井绞车多采用绞车内变速； 3）倒车方式（绞车外还是绞车内倒车）； 4）猫头种类和数量；猫头轴是否惯性刹车；离合器数量及布 置； 5）是否充当传动盘的中间结构、变速结构； 6）润滑方式，黄油、滴油、飞溅或是强制润滑； 7）控制方式（一般采用集中气控制、气排挡）； 8）驱动类型。 钻井绞车的选用： 钻井绞车已制定标准，标准绞车的主参数是名义井深。 标准钻井绞车型号为： JC - 三、钻井绞车技术规范 绞车型式，机械驱动无，电驱动D 绞车级别，以100m计的绞车名义钻深范围的 上限 绞车代号 JC 四、刹车机构 绞车的刹车包括主刹车和辅助刹车。 主刹车是机械式的，称机械刹

16、车或带刹车，或通常所说 的“刹车机构”。 下钻操作过程及滚筒制动力矩下钻操作过程及滚筒制动力矩 1、机械刹车功用与使用要求 功用： 1）下钻、下套管时，刹慢或刹住滚筒， 控制下放速度，悬持钻具； 2）正常钻进时，控制滚筒转动，以调 节钻压，送进钻具。 使用要求：钻井过程中司钻总是手不离刹把，如果刹车机 构不够灵活省力，将加重司钻的体力劳动强度，带来操作 不便。同时刹车不可靠容易引发重大溜钻事故，造成设备 损失，井下事故，甚至危及人身安全。所以机械刹车是绞 车上最重要的部件，因此要求它安全可靠，灵活省力，寿 命长。 2. 结构组成与作用原理 带刹：单杠杆刹 车机构由控制部 分（刹把）、传 动部分

17、（传动杠 杆或称刹车曲 轴）、制动部分 （刹带、刹鼓）、 辅助部分（平衡 梁和调整螺钉）、 气刹车等所组成。 目前国内外在用的石油钻机绞车上，广泛应用着带 刹车系统。 但由于带刹车系统的固有工作特性的限制， 已不能充分满足深井和超深井作业和紧急状态下刹车的 需要，例如:刹车力矩不足，性能不稳定，操作费力， 刹车不灵敏，耐热衰减性能差等，致使在钻井作业或紧 急状态刹车时时有溜钻和顿钻事故发生。 盘式刹车以良好的性能正逐 渐为钻井绞车所接受。由于 带式刹车结构简单，使用方 便，因而今后相当长的时间 内完全有可能是带刹车和盘 式刹车并存。 盘式刹车结构：盘式刹车通常由刹车盘、刹车钳和液压系统 三大部

18、件组成，其中液压系统提供制动能量，刹车钳是执行 元件，刹车盘与刹车钳上的刹车块组成制动偶件。 盘式刹车特点： 与带刹车相比，盘式刹车具有以下优点: 1)刹车平稳、性能稳定、热衰退性较小。 2)散热好，整体刹车盘，内部有水冷内腔，可把连续刹车产 生的热量很快带到刹车盘外面，不使刹车盘过热，摩擦系数 稳定、使用寿命较长。 3)采用高合金钢制造 刹车盘，刹车盘表面具 有较高的硬度，耐磨性 能好，使用寿命长，更 换易损件次数较少。 4)钻井实践表明: 盘式刹车具有充足的 储备刹车力矩，在水 刹车或电磁涡流刹车 出现故障时，也能刹 住最大载荷。 司钻的控制力小， 具有灵敏的操作手感。 5)液压系统工作压

19、力为6.85MPa，最大压力为13.7Mpa，实际 使用只需要四分之一的设计压力就可以刹住最大钻柱载荷， 使用安全可靠。 6)盘式刹车容易控制和掌握，刹车时没有噪音，对环境污染 较少，工人劳动条件改善。 7)更换方便，更换刹车钳最多不超过15分钟，此外，由于刹 车块寿命长，更换次数也大大减少。 8)盘式刹车与自动送钻装置相结合，可实现优良的自动送钻 功能。这种一体化技术，具有优良的钻井性能和钻井质量， 还具有较好的各种技术经济指标。 9)液压控制系统还可实现遥控盘式刹车，这一优点对于井口 存在着危险的井进行钻井是非常重要的，可以确保操作人员 的安全。 10)采用微机监控盘式刹车，如果钻机提升系

20、统出现超速、 超载荷或超位以及钻机功率不足时，盘式刹车可以自动刹车， 确保安全作业。 五、辅助刹车 1、水刹车 作用：在下钻时 刹慢滚筒，保持 钻具以安全的速 度均匀下放。 实质：通过叶片和液流的相互作用， 以吸收下钻时产生的大部分动能 （转化成热能释放掉），从而大大 减轻带刹车的负担。 为了控制合适的 下钻速度，下钻时用 调节水刹车充水量的 方法来改变水刹车的 制动力矩M制。 由于下钻时钻柱载荷随着立根数逐渐增大，所需 制动力矩亦随之增大，故水刹车的水位要相应调高，使 M制增加，以保证滚筒转速不至增大。 2、电磁涡流刹车 原理：利用电 磁感应原理进 行无损制动， 无易损件，制 动性能好，使 用寿命长，操 作维护简单。 特性：中、高速段制动力矩很大且较稳定；通过调节电 位器，改变送入刹车线圈的电流，在理论上，在任何载 荷下可以调得任一需要的下钻速度。 复习题 1、钻机绞车由哪些主要部件组成？ 2、钻机绞车的功用有哪些？ 3、如何选用钻机绞车？ 4、钻机绞车的辅助刹车有哪些种类？各有何特点？ 5、与带刹车相比，盘式刹车具有哪些优点？