中国石油钻机发展现状分析.docx

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中国石油钻机发展现状分析

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（2）由于传统3缸钻井泵液流脉动率大，钻井液水力能量的连续性差，提供给水力破岩的水马力小，尤其在高压喷射钻井时，不能形成持续、稳定的高压液流，大大降低了水力破岩和携带岩屑的能力，从而影响了钻井速度。

新结构5缸钻井泵水力能量连续性好，效能高，破岩作用和清洗井底岩屑能力强，可以提高钻井速度。

　　（3）传统3缸钻井泵由于波峰大，固井时易出现水头锥进效应，造成水泥浆锥进串槽，严重影响固井质量，甚至破坏油井造成严重的经济损失；在采油注水时，由于波峰大出现锥进现象后将大大降低原油采收率。

而新结构5缸钻井泵由于液流脉动率小，用于固井时钻井液串槽的可能性小，有利于提高固井质量；用于采油时可大大提高原油的采收率和经济效益。

　　（4）传统3缸钻井泵的动力端由于是曲柄连杆机构，在运转中有上下死点，机械效率仅为70％左右，而且耗能大。

新结构5缸钻井泵的动力端由于采用的是斜盘结构，运转时斜盘爬行坡度为20°，没有上下死点，泵和柴油机运转平稳省力，机械效率可达90％。

　　（5）在泵功率相同的情况下，新结构5缸钻井泵的重量只有传统3缸泵的1/2~2/3，并可在设计压力25MPa下持续运转，而传统3缸钻井泵由于上述问题只能在低于设计泵压25MPa下运转（油田往往只能在18～20MPa的泵压下工作），故使用新结构5缸销井泵钻井时钻速比传统3缸泵钻井提高15％～20％，可大大缩短钻井周期和降低钻井成本，这对条件恶劣的油田、沙漠和海上油田更是一大优点。

　　（6）由于新结构钻井泵比传统的钻井泵在相同功率下，体积小，重量轻，泵压高，效率高，运转平稳，节约钢材和能耗，更适合作为油田固井水泥车的固井泵，压裂车的压裂泵和采油注水泵，其发展前景可取代石油、化工、冶金、采矿、发电、印染等领域的传统用泵。

　    2．双缸单作用液压钻井泵   

　　1994年，石油物探局机械厂与天津理工学院联合研制出一种用于WT一50型钻机的YNB一20型双缸单作用液压钻井泵，该泵已成功地钻了数十口井。

　　其性能特点是：

（1）泵功率14.7kW（20hp）。

（2）与传统曲柄连杆机构3缸泵对比，加工零件减少30.63％；泵的重量降为59.23％；在相同出水压力下流量提高50％；泵的成本下降到54.7％。

（3）液压控制系统（HRS）可使油缸能自动往复运动，省去了电或机械控制装置，并能确保钻井泵在野外长期可靠工作。

　　在YNB一20型液压钻井泵的基础上，天津理工学院又研制了一种大功率双缸单作用液压钻井泵，该泵的主要性能参数是：

最大缸套直径200mm；冲程360mm；额定冲数54min一1；最大排量20.35L／min；最小压力16MPa；最小排量9.97L／min；最大压力33MPa；额定功率370kW（500hp）；液压系统压力250bar；液压系统流量824L／min；油缸直径160mm；钻井泵重量小于3000kg。

　　该泵的特点是：

（1）两只液缸垂直布置在直立缸套同一轴线的正上方，各油缸活塞与缸套活塞共用一根活塞杆。

（2）油缸活塞在液压控制系统（HRS）的控制下作连续的匀速直线往复运动。

（3）两个油缸的往复运动交叉，并在换向时彼此提供流量补偿，使两个缸套排液的流量曲线合成一平直曲线。

（4）与传统曲柄连杆机构的3缸钻井泵比省去了空气包。

（5）两只缸套的活塞杆腔由护罩连成一个连通空间，注以清水后可自动清洗缸套壁。

（6）油缸工作时的支座反力通过立柱作用在泵头体上，构成一封闭力系，因此，免除了通常的泵体。

（7）缸套用压板固定在泵头上，可迅速更换缸套活塞组件。

（8）该泵根据不同情况需要可单台工作，也可以两台或3台泵并联而成更大功率的钻井泵。

     若两台泵并联，则泵的功率就变成1000hp，3台泵并联则泵的功率就变成1500hp。

    3．高压隔膜钻井泵    

　　由上海大隆机器厂与郑州轻金属研究院联合研制的3KMl5／20型高压隔膜钻井泵于1995年12月通过国家经贸委、原机械部重大装备司及有关科研院所专家的技术鉴定。

认为该泵技术先进，设计可靠，运行平稳，维修方便，实现了机电一体化，在以固体颗粒的钻井液为介质的领域具有广泛的应用前景。

该泵的研制成功，填补了我国隔膜钻井泵的空白，其技术性能完全可以替代进口设备。

     四、对石油井架现代设计方法进行了研究

　　北京石油勘探开发科学研究院机械所与石油大学（华东）于20世纪90年代初联合对石油井架现代设计方法进行了研究，并在石油井架的动态设计法、可靠性设计法及非线性分析三个方面取得了重要成果。

　　1．石油井架的动态设计法

　　以模型井架为桥梁，并采用试验模态分析和有限元分析相结合的石油井架动态设计原理和方法，适用于石油钻机各种结构型式的井架，对K型井架具有工程实用价值。

　　该方法提出的前开口井架最佳动力计算模型（三维立体梁一杵混合元模型），不仅适用于JJ250／42-K型井架，而且还可应用于各种钩载级别的钻机、修井机的前开口井架。

　　该方法得出的JJ250／42-K型国产前开口井架动态优化具体结构修改方案和修改构件的尺寸规格，可提高其动态性能。

　　2．石油井架的可靠性设计法   

　　该方法得出的ZJ32钻机最大工作载荷概率分布及统计参数，可用于ZJ32钻机井架的可靠性设计，其分析方法适用于各钩载级别的钻机井架。

另外，该方法提出的井架构件截面可靠性设计与分析模式及井架构件抗力的分析规律和统计参数以及开发的计算机软件，为井架构件截面可靠性分析与设计提供了较为科学的方法。

　　3．石油井架的非线性分析   

　　该方法通过模型井架垂直静载试验，测得应力和位移随载荷呈非线性变化。

井架的非线性分析方法和开发的计算机程序可用于井架的非线性静力、动力分析。

　　该研究项目1995年10月通过了原中国石油天然气总公司科技局组织的评审验收，与会专家认为，石油井架现代设计方法的研究成果具有创新性，具有工程实用价值，可为我国石油机械科研、设计、制造单位钻机、修井机的井架设计提供科学的现代设计方法。

    　石油钻机在钻井过程中的振动在有些情况下非常强烈，这不仅影响钻井速度，缩短钻机使用寿命，而且对操作人员的身心健康也会产生有害影响。

因此，研究钻机结构动态特性及其在钻井过程中的动力反应，对钻机的结构设计、参数设计、生产使用及钻机减振改造是十分必要的。

为此，大庆石油学院与大庆钻井三公司共同开展了对在用ZJ-15型钻机的动态特性及其在钻井过程中的动力反应进行了试验研究，以期了解ZJ-15型钻机的动态特性，在钻井过程中能否全开4挡，现有钻机动力传动系统配置是否合理，对现有钻机如何进行减小振动改造等问题。

他们首先采用模态分析技术来对钻机的振动模态进行试验分析。

　　石油钻机是一个结构非常复杂的系统，自由度无穷多，为了便于研究，必须对复杂的钻机系统进行合理的简化。

在钻机的各系统中只有循环系统和动力设备与钻机主体是软连接，其余的系统和部件则是刚性连接并组成钻机的主体。

如起升系统的绞车和旋转系统的转盘都安装在底座支撑的钻台上；起升系统的天车、游车、大钩、钢丝绳以及旋转系统的水龙头、钻具的重量都由井架来承担，井架通过其大腿牢固支撑在底座的两个下船上；起升和旋转的动力设备与传动设备都安装在钻机底座的传动底座部件上；一些辅助设备也都安装在底座支撑的台面上。

可见钻机主体部分构成了以底座为支撑的刚性整性，那么这些设备和部件的质量都可以转化到钻机底座上。

因此，研究石油钻机的振动特性就可以转化为研究钻机底座的等效振动问题，为了研究方便，把钻机底座看成是一个结构比较复杂的咒自由度定常线性系统。

钻机底座对给予的任一激励所作出的响应能包含钻机振动特性的全部信息，可以用来描述系统的动态特性。

　　模态分析技术是用于对机械等工程结构系统进行动力学分析的现代化方法和手段，模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和试验分析，其结构动态特性用模态参数来表征。

在解析分析中，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征向量；在试验分析中，模态参数是试验测得系统的固有频率、阻尼和振型。

对于已经简化的石油钻机系统，由于应用解析法进行模态分析也是异常困难的，而且很难得出准确结果。

因此，通过试验并采用单点激振频响函数法依据单点激振，各响应点拾振的频率响应函数来提取模态参数和对钻机进行模态分析是一种有效方法。

　　钻机振动模态测试系统由激振力锤、拾振器、信号放大器、低通滤波器以及信号采集计算机组成。

信号传递路线见图1一l。

图1-1   底座振动模态测试系统组成

　　根据分析，石油钻机的振动特性可以转化为研究钻机底座的等效振动问题，那么振动测试点都可以布置在钻机底座上。

钻机底座也是一个合结构，它由左、右上船、传动底座、左、右下船、绞车转盘座及4个支架等几大部件组成。

各部分之间用螺栓及销子牢固连接。

底座简化模型见图1—2。

为了全面收集各部件上的信息，底座部件上共布置了24个测点。

1997年9月，采用单点激振多点拾振的方式，对ZJ—15型钻机进行了振动模态测试，激振点取在底座过桥轴附近，拾振点取在如图1—2所示位置。

采集到的信号直接存入计算机硬盘。

　用DASP大容量数据自动采集和处理系统，对现场测试的钻机振动模态数据进行传递函数分析和互功率谱密度分析后表明，钻机底座的钻台面结构整体性能较好，底座后部的左右上船与传动底座之间，底座前部与后部之间整体性能较差，这主要是底座前后两部分刚度不同造成。

　　对测试数据采用复模态多自由度模型进行曲线拟合，拟合后的频率响应特性与传递函数特性基本一致，说明对测试数据用复模态多自由度模型进行模态分析是合理的。

    　　为了避免丢失模态，采用复模态多自由度摸型对所有测点的传递函数进行集总平均，得到平均后的频谱图，见图1—3。

频谱图上每一个峰值代表一个振动模态。

在截止频率为146拖的频率范围内取出18个峰值，因此，确定该钻机的模态阶数为18，即在该截止频率范8内可观测到18阶模态。

各阶模态的固有频率和阻尼比见表1一lO。

图1-3   模态阶数确定

　　钻机在钻井过程中使用的挡位主要是3挡和4挡，现用钻机对应这两个挡位的动力设备及传动系统的运转频率见表1—11，这可能是引起系统共振的振源。

       表1-10   各阶模态的固有频率和阻尼比

模态阶数123456789

频率，Hz6.27418.5622.0229.36335.94837.99644.51752.59460.024

阻尼比，%6.0722.6460.0002.30000.000lO．4456O．06231.32460.0001

模态阶数   101112131415161718

频率，Hz67.9573.5675.7483.578t9l。

43497.35l102.52    114.78   124.21  

阻尼比，%1.2064.7677.8050.0001   O．000lO．20241.0297   0.0001    0.0001  

    表1-11    钻机动力设备及传动系统的转动频率

设备名称柴油机电动机变速箱输入轴变速箱输出轴滚筒轴猫头轴转盘

3挡（Hz）20.012.33      12.3339.5302.7542.5472.649

4挡（Hz）20.012.3312.33317.7195.2014.7384.927

     根据钻机上配置设备的工作转速范围进行分析得出，可能引起钻机强烈振动的频率区间是低阶模态区间，即主要是前3阶模态。

第1阶模态的固有频率为6．274Hz，如果上下15％的范围为共振区，则共振区频率范围为5.333～7.215Hz。

第2阶模态的固有频率为18.56Hz，如果上下15％的范围为共振区，则共振区频率范围为15.773～21.339Hz；由此可见，变速箱输出轴的转动频率17.719Hz在这个共振区频率范围内，这说明该钻机在钻井过程中使用4挡可能发生共振。

第3阶模态的固有频率为22.02Hz，如果上下15％的范围为共振区，则共振区频率范围为18.714～25.318Hz。

柴油机的运转频率为20.00Hz，该值落在了第2阶模态和第3阶模态的共振区中，如果柴油机安装在底座上，也可能引起共振。

因此，钻机上的动力配置，传动装置的运转速度应该避开上述频率范围。

如果不能避开，则需采取减振措施，以防发生共振。

另外，底座的安装连接刚度对振动特性影响很大，操作工人应将底座的各部件牢筒连接。