ZJ90/6750 DB-S四单根立柱高效钻机关键技术研究

针对塔里木油田"新疆大庆"建设需要,实现深井和超深井钻井提速增效,研制了ZJ90/6750DB-S四单根立柱高效钻机。结合国内常规9000 m电驱动钻机的研发成功经验,提出了超长结构井架的起升及作业稳定性、超长游车行程下的滚筒缠绳容量技术保障以及超长钻杆立根稳定排放等三大技术难题,形成ZJ90/6750DB-S四单根立柱高效钻机独有的三大新技术,即57.5 m超高K型井架设计技术、适应四单根立柱作业的绞车容绳与排绳技术、不同规格四单根立柱靠放技术。油田现场应用表明,该钻机总体工作性能可靠,在钻深到达5500 m之前比常规钻机提速约15%以上,钻深达到5500 m以后比常规钻机提速约30%左右,钻井速度和作业时效得到了显著的提高。

9000 m四单根立柱超深井钻机井架研制

为满足塔里木山前地区深井和超深井钻井提速增效要求,研制了9000 m四单根立柱钻机井架,该井架最大额定静钩载6750 k N,有效高度57.5 m,井架设计中充分考虑了4单根1立柱37.5 m钻柱的排放、起下钻作业要求,采用ANSYS软件对井架在各恶劣工况下的强度及稳定性进行了有限元分析,确保了井架安全可靠性。厂内最大额定静钩载试验和油田现场应用情况表明,井架达到了设计要求,满足了油田现场4单根1立柱钻井模式的需要。

8000 m四单根立柱自动化钻机研制

目前,石油钻机多采用三单根立柱进行钻井作业,管柱处理多以手动操作为主。为了提高钻井效率、降低钻井成本、改善工人作业环境、提高钻井作业安全性,研制了8000 m四单根立柱自动化钻机。从钻机总体方案、关键系统方案、关键技术及试验等方面对该钻机进行技术分析。通过试验证明,8000 m四单根立柱自动化钻机适应能力强、自动化程度高、作业效率高、作业安全。该钻机为石油勘探开发提质增效提供了有力的装备保障,具有良好的推广价值。

陆地超深井四单根立柱高效钻机

目前传统陆地石油钻机多采用立柱长度为28. 5 m的三单根立柱进行钻井作业,为了实现超深井的钻井提速提效,采用立柱长度约38. 0 m的四单根立柱进行钻井作业,可以提高游车高速运行区段,减少钻机起下钻频次,提高钻井效率。从井架高度、绞车滚筒容绳量、井架起升系统、立根靠放可靠性及钻井钢丝绳选型等方面对四单根立柱钻机关键技术进行分析,得出解决关键技术的可行方法。现场应用结果表明:超深井四单根立柱钻机明显提高了钻井效率,缩短了钻机周期,比三单根立柱钻机全井起下钻综合提速15%左右。四单根立柱钻机的研制成功为复杂深井的钻井提速提效提供了新的技术支撑,其应用前景十分广阔。

四单根立柱超深井钻机井架液压辅助起升机理

ZJ90/6750DB-S四单根立柱超深井钻机的井架是国内最高的K型井架,超高重载特性使得其起升难度非常大;同时钻机的自动化升级改造,配套多套自动化装备,进一步增加了井架的重力、起升重力矩和难度。为更好地解决四单根立柱钻机井架起升难题,利用有限元方法开展了井架起升载荷及井架起升强度计算分析,在不改变井架主体结构尺寸的前提下,提出了通过增大初始起升角度来降低井架最大起升载荷的方案,并成功研制了液压高支架以辅助井架起升。现场应用情况表明:液压高支架辅助井架起升安全可靠,解决了升级后四单根立柱钻机重载超高井架的安全起升难题。研究结果为超高重载井架的起升作业提供了重要的理论和实践支撑。

四单根立柱钻机关键技术研究与提效分析

四单根立柱钻机采用四单根一立柱的钻井模式,通过加长钻柱立根,降低起下钻频次,增加立根高速运行时间,实现钻井综合作业效率的提高。与常规三单根钻机相比,四单根钻机在超长井架设计、大容绳滚筒缠绳技术保障及超长钻柱立根稳定排放等方面存在较多难题。鉴于此,详述了四单根立柱钻机所具备的各项关键技术,并结合9 000 m四单根钻机提出超深井四单根钻机关键技术和保障钻井效率提高的综合措施,措施后,与三单根立柱钻机相比,其钻井综合作业效率最高提速23. 97%,平均提速19. 00%。研究内容可为四单根钻机进一步推广应用和深井与超深井钻机钻井综合提效提供技术基础。

ZJ90/6750DB-S陆地四单根立柱超深钻机井架稳定性分析

为了在恶劣复杂环境下安全高效地实施四单根立柱钻井作业,必须对增长后的四单根立柱超深井钻机井架的强度及稳定性进行计算分析,通过ANSYS APDL模块编写四单根立柱钻机前开口K型井架模型,利用参数化编程的方法分别求解井架在最大钩载、额定钩载、风载及立根荷载下,不同荷载和组合工况时的受力分布规律。同时对井架进行稳定性屈曲分析,得出临界失稳载荷。研究结果表明,四单根立柱超深井钻机井架在各种组合工况下的最大危险应力易出现于井架大腿直段与斜段相交处,需对这些位置进行加强,减小应力集中,加强后的安全系数得到显著提升。研究可为井架的使用寿命及安全性提升提供参考。

四单根立柱超深井钻机井架起升

ZJ90/6750DB-S型四单根立柱超深井钻机井架高度高、起升重力矩大,起升难度大。采用理论公式法和有限元法分别计算井架起升载荷,相互验证2种方法的计算结果,确保计算的可靠性。对风载耦合下井架的起升强度进行有限元分析,确保井架起升强度满足设计规范要求。现场应用中,实际测得的井架起升过程中最大大钩载荷以及井架最大应力与计算结果相近,井架实现安全起升,验证了计算的准确性。解决了超高、重载井架的安全起升问题。

四单根立柱钻机井架动力学分析

塔里木油田山前地区地层复杂,井深普遍在7 000 m以上,起下钻频繁,因起下钻造成的波动压力而导致的井下复杂事故也明显增加,致使建井周期和费用大幅度增加,为此研制了9 000 m四单根立柱超深井钻机。首先用三维设计软件对四单根立柱钻机井架进行实体建模,然后应用ANSYS对井架进行动力学分析,主要包括模态分析、谐响应和瞬态响应等。分析结果表明,天车、二层台和辅助二层台位置在前开口方向上的位移大于在井架两侧方向上的位移,需要注意井架在低频段的前倾变形;人字架处的各向位移很小,说明人字架在钻井过程中不会产生较大的受迫振动。在瞬态冲击载荷的作用下,二层台的响应位移最大,响应时间最长,需加强支撑。动力学分析为四单根立柱钻机井架的优化设计、强度校核和安全性评定提供了依据。

超深井钻机创新技术及其发展趋势

针对塔里木盆地等复杂的地质结构区域,研发了适用于超深复杂井的8 000m钻机和四单根立柱9000m超深井钻机,对钻机关键部件进行了创新设计,对高承载井架和底座进行了优化,全新设计了采用压实股钢丝绳的一体化单轴绞车。采用了转矩和承载能力更大的转盘及其驱动装置、大功率高压钻井泵、智能化顶驱和兼容性强的顶驱下套管装置等。现场应用表明,相比于常规8 000、9 000m钻机,设备成本可降低20%左右,钻井生产运行费用降低37%,而9 000m四单根立柱钻机可降低起下钻作业时间20%以上,并在一定程度上规避了常规钻机在复杂地层压力控制难的问题。阐述了超深井钻机的优势和亟待解决的问题。