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一顶部驱动石油钻机发展现状和水平差距分析

2020-10-17 08:37:01

一、顶驱制造基本情况

(一)目前本厂机械装备制造总体情况

主要产品生产 FR3150DJ顶驱钻井装置

(二)技术创新与新产品研发制造情况

通过本项目的研究,研制成功了交流变频驱动顶部驱动钻井装置,并进行了厂内模拟试验与现场工况应用,主要形成了如下几个方面的成果:

1、电控系统冗余工作原理:

软冗余系统由 A 和 B 两套 PLC控制系统组成。开始时, A 系统为主, B 系统为备用,当主系统 A 中的任何一个组件出错,控制任务会自动切换到备用系统

B 当中执行,这时, B 系统为主, A 系统为备用,这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和 IM153 接口模块的整体切换。

系统运行过程中,即使没有任何组件出错,操作人员也可以通过设定控制字,实现手动的主备系统切换。

2、形成了八项专利技术:

( 1)、顶部驱动钻井装置的倾摆式自夹紧背钳,申请号:

ZL

.8。

( 2)、内套插入式顶部驱动钻井装置,申请号:

ZL

.7。

( 3)、单导轨总成,申请号:

ZL

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.6。

( 4)、自夹紧背钳反扭矩插入式顶部驱动钻井装置,申请号:

ZL

.0。

( 5)、用于石油钻井的顶部驱动钻井装置的电机 ,申请号:

265.1。

( 6)、顶部驱动钻井装置的上卸钻具装置,申请号:

6265.6。

( 7)、顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统,申请号:

4279.8。

( 8)、顶部驱动钻井装置性能测试系统,申请号:

2148.x。

创新点

1、内套插入式箱体结构:

该结构利用内套的端部轴肩并结合与箱体轴孔部位的过赢配合,使两者结合为牢固地整体,构成双负荷通道的基础,提高了助推力轴承的使用寿命;再通过合理的连接法兰及套筒体结构,将背钳上卸扣的扭矩传递到箱体之上,避免了回转密封的侧向受力问题,提高了回转密封的可靠性和密封件寿命。

2、液压驱动对夹式环形背钳

该背钳结构设计新颖,钳牙的夹紧、松开动作都在液压的驱动下完成,操作快捷迅速,松开到位且保持位置不变,避免了顶驱钻进过程中钳牙动作缓慢以及钻进过程中钳牙伸出对钻杆的损伤。

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3、主电机轴轴深齿轮结构:

该结构是将主电机传动轴和轴深部位的的第一级主动齿轮作成一体,避免了电机齿轮二次装配时存在的同轴度误差,保证了齿轮的啮合精度,以提高齿轮的使用寿命。

4、单销、锁舌结构的单导轨总成结构:

导轨分成几节,便于运输;每节之间采用单销、锁舌的结构连接,安装快捷,拆卸方便,减少了高空作业。单导轨下端与井架底部的结构相联接,有三维调整,便于对正井口;反扭矩只作用在井架底部,使得井架受扭矩时变形很小,不需要对井架进行加固。

5、备份控制系统结构设计

该设计是控制系统采用了冗余备份系统,分温备份和冷备份两种形式;温备份系统设计是如果 A 系统在运转过程中出现问题,系统会在

0.8 秒内自动跳转至 B 系统;冷备份系统设计是运转的系统如有问题,手动切换到另一个系统;这一结构设计提高了电控系统安全性和可靠性。

6、一体化结构设计:

液压系统位于顶驱主体之上,结构紧凑,体积小;没有了执行元件较长的液压管线,系统压力大大的降低,安全、可靠、节能。

7、顶驱综合性能测试装置设计:

该装置将额定载荷测试与扭矩测试综合到一起,既可以按照标准分别测

试,也可以进行拉 -扭组合测试,能够最大程度的模拟钻井实际工况,提高产品

出厂质量。

二、顶部驱动石油钻机发展现状和水平差距分析

1、国外顶部驱动钻井装置发展现状

自美国 Varco–BJ公司研制的第一套顶部驱动钻井装置投入使用以来,挪威

的 Maritime Hydraulics 公司、法国的 ACB–Bretfor 公司和 TRITENN公司、美国的

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NationalOilwell 公司和 Bowen 公司、加拿大的 CANRIG公司和 Tesco公司等都研

制顶驱。其中 Varco 公司和 National Oilwell 公司已经基本上形成了交流变频电驱动顶驱系列。应当说,顶驱装置排在首位的是美国 Varco 公司,该公司生产

TDS-65型 AC–SCR–DC电驱动顶部驱动系统提升载荷为 7500kN,TD–8SA型交流变频驱装置提升载荷为 6500kN。美国 Oilwell 公司研制的 PS2-750型顶驱系统,其载荷为 7520kN。

美国的 Varco-BJ公司是世界上第一个研制顶驱的公司,已先后开发了 10

多种规格顶驱。近两年来,该公司将原有产品及最新研究成果归纳为 7 个规格系列。所有产品均采用电驱动型式,其中 TDS-8SA型、 TDS-9SA型、 TDS-10SA型和 TDS-11SA型顶驱,采用交流变频电驱动型式,使用交流电动机;而TDS-1 型、 TDS-4H 型或 TDS-4S 型和 TDS-6S型顶驱,则采用 AC-SCR-DC电驱动型式、使用直流电动机; TDS-9SA型 TDS-11SA型顶驱采用两个 AC电动机,而其余 5 种型号顶驱则采用一个电动机。

National Oilwell 公司生产、型和型,研发了型和 PSZ 750型两种双速传动机构顶驱,形成了 5 种规格顶驱。

Bowen 公司研发了 TD120P型、 TD350P型、 TD250P型顶驱,基本上形成了

种规格中小型系列顶驱。该系列顶驱可用于钻井和修井,使用方便。该系列顶驱采用液压驱动型式,采用两台定排量活塞式液压马达同时驱动。液压系统由柴油机、液压泵、液压管线、热交换器、油箱、控制系统等组成。司钻可根据仪表盘上显示的数据进行钻井操作。

Tesco公司原来只生产 150HMI 型、 500HS型、 500HC型等 3 种规格液压驱动顶驱。

 1996 年开始生产交流变频电驱动顶驱,已开发了 150HMI 型、500HC/HCI型、 650HC/HCI型、 500ECI型和 650ECI型等 5 种规格顶驱系列。

500ECI型和 650ECI型两种规格的 AC变频电驱动顶驱,均采用美国 Kaman 公司PA44型永磁同步电动机,输出功率 1324kW(2 × 900hp)。两种顶驱的齿轮传动比

分别为

14.66:

1、18.33:l,质量分别为 7257kg、8165kg,高度分别为

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5.98m、

6.67m,宽度分别为

1.37m、

1.42m。

 ECI系列产品代表了更先进的高性能电动顶部驱动钻井装置。CANRIG公司专门为陆地钻机研制井架勿须加高或加固、导向装置为可折叠和便

于运输安装的各型顶驱 ,既生产 AC–SCR–DC电驱动顶驱,又生产 AC变频电驱动顶驱。共有 3 类 11 种型号。

Maritime Hydraulics 公司生产 PTD系列轻便式顶驱和 DDM 系列重型顶驱,

8 种规格。

 PTDS350型、 PTD410型、 PTD500型、 DDM650HY型和 DDM650HY

(750)型等 5 种规格顶驱采用液压驱动; DDMS00DC/DDM650L–DC型、 DDM650DC

(750)型 DDM650DC“ Frontier ”

(750)型等 3 种规格顶驱采用 AC-SCR-DC电驱动。

法国 Alsthom 公司的子公司 Acb 公司,研究开发了 BRETFOR顶驱,水龙头冲管直径为

76.2mm,采用液压马达驱动钻柱旋转,利用遥控液压元件进行控制。

2、国内顶部驱动钻井装置发展现状

我国是世界上继美国、挪威、加拿大、法国之后第五个生产顶驱的国家。

我国顶部驱动技术经历了引进、吸收、消化到自主设计制造的过程。

 1991 年,中国石油天然气总公司北京石油勘探开发科学研究院石油机械研究所与宝鸡石油机械厂开始联合研制顶部驱动钻井装置。

1995 年 8 月生产出我国首台 DQ-60D 顶部驱动钻井装置,并于同年运往新疆塔里木胜利钻井公司 60501 钻井队。

1997 年 11 月 30 日在塔里木进行工业试验,完成一口井深 5590m 的大斜度定向井。该井日产原油

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363.7m3,天然气

13.77m3,xx 压力

24.13MPa。至此,我国成为继美国、挪威、加拿大、法国之后第五个生产顶驱装置的国家。

3、顶驱发展趋势

20 世纪 80 年代初第一台顶驱问世至今,顶驱一直是当今石油钻井的重大前沿技术与装备,已经成为深井、复杂井施工的必选装备之一,全世界已有上千台顶驱装置用于海洋、陆地深井和定向井。在海外钻井工程的投标中,是否配备顶驱系统成了能否中标的重要条件之一。

目前,顶驱系统 (TDS)开始从海洋石油钻机向陆地钻机发展;从直流电动机驱动为主向液压传动和交流变频电动机驱动方向发展;向简单化轻便化方向发展,质量减轻,尺寸减小,满足修井机和轻型钻机的要求。此外,不少厂家正在不断提高顶部驱动系统功率、扩大交流变频电驱动顶驱的规格范围。

4、国内外顶部驱动石油钻机技术水平差距分析

国内顶驱总体发展水平是,从 1000 米到 12000 米的顶驱全部可以生产,总体质量技术水平已与国际水平基本相当。部分生产厂家通过吸收国际先进水

平,开展技术创新,在局部设计上已达到国际先进水平,解决了国外顶驱普遍存在的中心管漏油问题。

三、顶驱石油钻机装备需求分析

顶部驱动钻井装置技术含量高、操作维护复杂,是当今最先进的钻井驱动装备之一,已成为现代钻机的重要配置。随着国际石油市场开发的热潮,顶驱需求量剧增;目前,海上钻井船或平台几乎全部装备了顶驱,陆地石油钻机也越来越多地装备了顶驱。结合国家 “十二五 ”钻机更新数量和钻机的标配情况,期间顶驱装置总需求量不少于 200 套,中石化内部顶驱配置率相对较低,预计未来几年会有一定的市场。

四、顶驱石油钻机装备发展规划

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1、研发制造规划 “十二五 ”期间,研制 FR4500DJ、FR2250DJ、 FR1350Y等型号的系列顶驱。

2、研制钻机数量和销售收入

“十二五 ”期间研制并销售各类顶驱钻机 40 台,销售收入产值 4 亿元,实现利润 8 千万元。

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