第二章旋转钻井设备

第二章旋转钻井设备2.1转盘P93-972.1.1功用与使用要求钻井工作要求转盘具有如下功能；(1)转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速。(2)下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻柱的重量。(3)完成卸钻头、卸扣；处理事故时倒扣、造扣等辅助工作；(4)采用井下动力钻具时，转盘制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。转盘的工作条件十分恶劣，井中钻柱的振动使其承受的载荷极不稳定，冲击振动相当严重，且受到泥浆和油水的污蚀(工作环境最不清洁)。为保证转盘能实现上述功能，正常运转，这就要求：(1)转盘的主轴承有足够的强度和寿命，以保证承受最大套管柱重量，在轴向力和钻杆柱径向力作用下具有足够的寿命(3000小时以上)。(2)转台和锥齿轮能传递钻柱所需的扭矩，能倒转及可靠地制动。(3)密封性好，严防外界的泥浆，油水污液渗入转盘内部污染转盘润滑系统。2.1.2转盘的结构组成和特点转盘实质上是一个特殊的角传动减速器,它主要由:①水平轴总成;②转台总成;③主、辅轴承;④壳体四部分组成。1．水平轴总成水平轴头部装有与转台大锥齿轮相啮合的小锥齿轮，尾部装输入链轮或联接法兰(万向轴输入时)．轴通过一对调心双列滚子轴承(或头部为滚子轴承，尾部为调心双列滚子轴承)和套筒固定在壳体上。套筒的作用是使水平轴部件能进行整体装配。水平轴下方的壳体构成一独立油池使二轴承得到润滑。2．转台总成装有大锥齿轮的转台体如同一又短又粗的空心立轴，借助主、辅轴承座在壳体上。转台中心通孔较大，以便通过钻井时开井所用的最大号钻头。通孔内装有方补心及小方瓦(小方瓦与所采用的方钻杆相配)，方补心通过锁销锁在转台体上。3．主辅轴承主轴承起承载、承转和定位的作用。起下钻时，承受钻柱或套管柱的重量；4．壳体壳体是结构较为复杂的铸钢件，内腔形成两个油池，外形应上便于安装、固定于钻台底座上，动力经水平轴上的法兰或链轮传入，通过锥齿轮传动副驱动转台.借助转台内通孔中的大方瓦，方补心带动方钻杆、钻杆柱和钻头转动，同时，方补心允许方钻杆轴向自由滑动，实现钻杆柱边旋转，边送进。起下钻或下套管时，钻杆柱或套管柱靠卡瓦或吊卡座在转台上。现代钻机的钻井转盘主要结构类似，只是在轴承布置方案、传动副类型及部件具体结构上有所差异。图2-2为广泛采用的一种方案，这种方案的特点是：(1)转台、迷宫盘做成一体，使外界泥浆、油污不易浸入转盘，污染润滑系统。(2)辅助轴承离大齿轮远，转台定位好，保证了锥齿轮副的啮合性能亦使主轴承不致产生过度偏磨。(3)辅助轴承座在下部大螺母支座上。优点是轴承磨损后间隙易调整，以确保转台定位。不足之处在于由于轴承长期承受振动和冲击，大螺母易滑扣，甚至脱落，或因泥浆、污水长期侵蚀而使大螺母拆卸困难，检修不便。因此需要在使用中及时检查大螺母支座，及时调整。2.1.3基本参数表征转盘的基本参数已系列化，见表6-1石油钻机转盘基本参数(摘自JB4304-86)1.通孔直径转盘转台中心孔的尺寸,它决定了第一次开钻时可下入的最大钻头直径（最大钻头直径至少比其小10mm）。是转盘的主参数，它决定了转盘的其它几何尺寸及承载能力。2．中心距Y转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的距离。3．最大静载荷转盘上能承受的最大重量，应与钻机最大钩载相匹配。该载荷为转盘主轴承的计算载荷，决定了主轴承的规格。4．最大工作扭矩转盘在最低工作转速时允许承受的最大扭矩，它决定了转盘的输入功率及传动零件的尺寸。5．最高转速转盘在轻载荷下允许使用的最高转速，一般规定为300r／min。为满足钻井工艺的需要，转盘亦能提供多种转速。一般地通常最低工作转速为50～60r／min，而用于打捞作业或取芯钻进的事故转速为25～30r／min。转盈的维护、使用、保养(教材无)(1)启动转盘前必须打开制动销。(2)启动转盘应平稳操作。(3)末装上转盘链条或转盘万向轴护罩，不准使用转盘。(4)每班都要检查转盘的平、正、稳、紧、油面情况，经常保持外表清洁。(5)不准用转盘崩扣和上扣。(6)每周应仔细检查一次大小油池润滑油清洁情况，及时清洗换油。2.2.1功用及使用要求水龙头通过提环挂在大钩上，随大钩运行而上提下放。2.2水龙头(P97-100)水龙头下部接方钻杆，连接井中钻具；上部通过鹅颈管与长长的水龙带相连，通过它们向钻具中心导入钻井液。水龙头的功用主要是：(1)悬持旋转着的钻柱，承受大部以至全部钻柱重量，并为旋转钻柱提供上部轴承支承。是转与不转的分界。(2)向旋转着的钻柱导入高压钻井液。水龙头是：提升、旋转、循环三大工作机组交汇的“关节”部件对水龙头的要求是：(1)各承载零件，如提环、壳体、中心管等和主轴承必须具有足够的强度、刚度及寿命。(2)高压钻井液密封系统必须工作可靠，寿命长，更换快速、方便。(3)机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封元件的磨损。2.2.2组成及结构特点根据水龙头在钻井工作中的功用，水龙头一般由以下三部分组成(参见图6-3，6-4)：1.承载系统：中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承等。钻柱重量通过方钻杆、中心管、主轴承、壳体、耳轴、提环将载荷传递给大钩。2.钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成。高压钻井液经鹅颈管、冲管流进旋转着的中心管到达钻柱内。冲管上部和下部都设置钻井液密封装置，以防高压钻井液泄漏。3.辅助系统：扶正轴承、防跳轴承及机油密封装置。壳体内腔构成油池，以润滑主轴承、扶正轴承及防跳轴承。上、下机油密封盒主要是防止钻井液及油水漏入油池和机油泄漏，以保证各轴承正常工作。上、下扶正轴承对中心管径向定位，保证其工作稳定：摆动小，以改善钻井液和机油密封的工作条件，延长其寿命。防跳轴承用以承受钻井过程中由钻柱传来的冲击和振动，防止中心管的轴向窜动。各种钻井水龙头，一般由上述三部分组成，其轴承布置方案和冲管总成的结构形式不同形成了多种水龙头具体结构。经长期钻井实践，现代钻机大多采用如图6－5，6-6所采用的轴承布置方案和冲管总成结构。下面具体分析：1)扶正轴承布置方案两扶正轴承分置于主轴承两边(图6-5)，最大限度地扩大了扶正轴承间距A，扶效果好。中心管工作稳定、摆动小，非常有利于钻井液密封和机油密封。防跳轴承布置在上扶正轴承下方或上扶正轴承用锥形滚子轴承起扶正和防跳作用。即在结构紧凑的原则下尽量增大扶正间距。2)浮动冲管、Y形液压自封式密封、快卸结构这种结构形式的特点是：(1)浮动冲管。冲管浮动于鹅颈管过渡接头和中心管之间，工作时不转动，但允许略有轴向窜动，使其磨损均匀。冲管与中心管之间是转与不转的动密封。(2)Y形密封圈与钢制隔环交迭布置。这种密封圈可借助钻井液压力自行封紧。它的唇部在钻井液压力作用下始终贴住冲管外壁，工作过程中，即使在密封圈不断磨损情况下，仍能靠液压涨开唇部而形成密封。(3)密封圈数目少(3－4)。可通过密封盒进行黄油润滑，减小了摩擦和磨损。(4)冲管的径向定位由密封盒保证。密封盒与中心管用定位止口，圆柱面配合定位这样可提高加工及配合精度，保证冲管与中心管有很好的同心性，不易产生离，延长了冲管与密封圈的寿命。(5)快速拆装，更换方便。只需将上、下密封盒压帽旋出，就可取出冲管总成，更换密封圈或冲管。2.2.3特性参数水龙头工作的基本参数见表6-2。1.最大静载荷水龙头主要受力件所能承受的最大载荷，它应等于或大于钻机最大钩载。它是水龙头的主参数。2.最高转速：水龙头许用最高转速(r／min)，它应与转盘的最高转速一致，一般为300r／min。3.最大工作压力水龙头最大工作压力应与钻井泵、高压管汇、水龙带相匹配，一般为35MPa。4.各连接尺寸，几何尺寸见表6-2。水龙头水龙头的维护、使用、保养(1)水龙头搬放、运输必须带护丝。(2)使用前按油尺标记加足机油，盘根应打黄油。(3)使用前检查中心管转动情况，以一人用36英寸链钳转动灵活为合格。(4)钻前进行水压试验100～300大气压，在15分钟内下降不超过3大气压为合格。(5)每次起下钻时，应检查一次油面情况及冲管盘根磨损情况，油温及各部温度不得超过70℃。(6)快速钻进及跳钻严重时应加强检查鹅颈管法兰连接螺栓及各紧固件松紧情况。(7)水龙头运转200小时和700小时后，应分别检查机油清洁程度和换油。(8)拆换冲管及盘根时，应加黄油润滑。(9)润滑各型水龙头的润滑作业分别有具体规定。现以SL7-130型水龙头为例介绍如下:水龙头故障及排出方法2.3顶驱钻井系统P101-1072.3.1组成把常规水龙头和钻井马达相结合，配备一种结构新颖的钻杆上卸扣装置，则组成了顶部驱动装置。从它悬持在游动系统下面直接旋转钻具并沿井架内专用导向下送进，从而取代了转盘和方钻杆，完成旋转钻进，循环钻井液，接钻杆和上、卸钻柱等各种钻井操作。1.水龙头钻井马达总成水龙头钻井马达是顶驱钻井装置的主体部件。它由水龙头、直流电动机或液压马达和减速装置组成，以实现悬持钻具，导入高压钻井液和旋转钻具的功能。2.导向滑车总成钻井马达装在一个特制的导向滑车上，并通过专用连杆挂到水龙头加长的提环销上。导向滑车结构见图6-8，主要由钻井马达座架和滑车框架构成。前者用于固定钻井马达，后者装有导向轮，可沿导轨滚动。导轨装在井架内部，对游车及顶驱钻井系统起导向作用，钻进时导轨承受反扭矩。3.钻杆上卸扣装置钻杆上卸扣装置是顶驱钻井系统的关键部件，它主要由旋转头，钻杆吊卡，液压扭矩钳，吊环联接器及吊环倾斜器组成，见图6-9，6-10，6-11，它可完成接立根，起下钻时上卸立根丝扣及打开与扣紧吊卡等操作。2.3.2顶驱钻井系统特点和转盘旋转钻井方法相比，顶驱钻井系统旋转钻井具有以下特点:1.可显著降低钻井辅助时间，提高钻井效率。顶部驱动钻井系统可实现立根钻进，省去转盘、方钻杆、大鼠洞、避免了转盘钻井接单根时频繁的常规操作，减少了三分之二的钻柱连接时间。2.可避免或减少或易于排除卡钻、埋钻、井漏、井喷等井下事故，大大提高了钻井的安全性。由于顶部驱动钻井系统可以充分循环泥浆，免除了常规转盘钻三分之二左右的接换单根时停止泥浆循环的时间。在任何位置和时间均可以快速方便连接水龙头、钻井马达与钻柱，实现边旋转边循环泥浆，边起下。所以不仅可以有效预防塌孔、压差卡钻、埋钻(如落物，沉沙卡钻等)等事故，而且一旦发生此类事故，可以迅速循环泥浆，进行压井作业。这对于成本高昂的海上钻井和陆地深井，超深井钻井，有着特别重要的意义和作用。3.特别适合于钻定向井、水平井，可显著提高钻机钻定向井、水平井的能力和节约钻井时间，降低钻井成本。由于钻机的钻井能力对于深井和超深井钻机来说，主要取决于绞车的提升能力。而常规钻机在提钻时不能实现倒划眼，在钻斜井和水平井时，提钻时钻柱受到的阻力(滑动摩擦)特别大，而使其有效钻井距离受到很大限制。顶驱钻井系统可以实现倒划眼(即提钻时旋转钻柱)，对于钻大斜度井和水平井，可以大大降低提钻时的摩擦阻力（“滚动”摩擦)。从而成倍增大钻定向井的水平半径(如VARCO公司资料介绍9000m钻探能力钻机钻定向井水平半径可达6000m)。由于顶驱动钻井系统以立根钻进，在钻定向井时减少了测量次数，容易控制井底马达的造斜方位，节约了定向钻井时间。4.顶驱钻井系统可连续取芯27m，改善了取芯条件，提高了岩芯质量。5.具有理想长度的过钻短节，进一步节约辅助时间和增加钻井施工的安全性。由于转盘钻井每次接单根时要把钻具提高井底约9m，以加接单根。而顶驱钻井系统在主轴下部接有理想长度(如2m)的过钻尺寸短节，加接立根时，一般钻柱只需提高3m左右，既节约了约三分之二的提高和下放时间，又因提离井底距小，减少了塌孔的可能性，使钻井施工更加安全。6.钻台上无传动部件，操作更加安全，减轻工人劳动强度，增加了操作安全性。由于立根钻进。避免了转盘接单根时频繁常规操作，减轻了工人劳动强度。同时钻台上除旋转钻柱外，取消了转盘及其传动装置和方钻杆等，使工人操作更加安全，减少了人身事故。2.3.3顶驱装置的发展顶驱装置是在近十年来得到了迅速的推广应用，其发展主要有以下特点:1.顶驱装置向系列化，多样化方向发展初期的顶驱装置用于海洋钻井平台(船)上的