1.石油钻机的组成
栏目:冶金设备 发布时间:2020-10-23 21:38

  1―人字架;2―天车;3―井架;4―游车;5―水龙头提环;6―水龙头;7―保险链;8―鹅颈管;9―立管;10―水龙带;11―井架大腿;12―小鼠洞;13―钻台;14―脚架;15―转盘传动;16―填充钻井液管;17―扶梯;18―坡板;19―底座;20―大鼠洞;21―水刹车;22―缓冲室;23―绞车底座;24―并车箱;25―发动机平台;26―泵传动;27―钻井泵;28―钻井液管线―钻井液池;33―固定钻井液枪;34―连接软管;35―空气包;36―沉沙池;37―钻井液枪;38―振动筛;39―动力机组;40―绞车传动装置;41―钻井液槽;42―钻井绞车;43―转盘;44―井架横梁;45―方钻杆;46―斜撑;47―大钩;48―二层平台;49―游绳;50―钻井液喷出口;51―井口装置;52―防喷器;53―换向闸门

  起升系统设备:为了起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、下套管等,钻机还必须配备一套起升系统设备,它主要由以下设备组成:主绞车、辅助绞车(或猫头)、辅助刹车、游动系统(包括钢丝绳、天车、游动滑车和大钩)以及悬挂游动系统的井架组成。另外,还有起下钻操作使用的工具及设备(吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根移动机构等)。(4) 动力驱动系统设备:

  以上便是适应钻井工艺的要求而形成的钻机各系统和部件,它们有机地结合成一整套钻机,协调地完成生产任务。

  世界各国的各大石油公司、各钻机制造厂家按照各自的特点,对石油钻机的分类不尽相同。一般来说,可按以下方法对石油钻机进行分类。

  交流电驱动钻机包括:交流发电机(或工业电网)—交流电动机驱动钻机和正在发展中的交流变频电驱动钻机,即交流发电机—变频调速器交流电动机驱动钻机o

  地面旋转设备是旋转钻机的重要组成部分,其主要功用是旋转钻柱、钻头、破碎岩石、形成井眼。它主要包括

  转盘是旋转钻机的关键设备,也是钻机的三大工作机之一。转盘实质上是一个大功率的圆锥齿轮减速器。在钻进过程中,转盘的作用是把发动机的动力通过方瓦传给方钻杆、钻杆、钻铤和钻头,驱动钻头旋转,从而实现进尺,钻出井眼。在起下钻和下套管过程中,需要把管柱卡在转盘上进行卸扣。因此,始终保持转盘处于良好的工作状态,是快速优质钻井的必备条件之一。

  (1)具有足够大的扭矩和多挡的转速。转矩用于转动钻柱带动钻头破碎岩石;高挡转速用于快速钻进,低挡转速是为了满足打捞、对扣、倒扣、造扣或磨铣落于井底的刮刀片、牙轮或其他物件等特殊作业的要求。

  1―壳体;2―大圆锥齿轮;3―主轴承;4―转台;5―大方瓦;6―大方瓦与方补心锁紧机构;7―方补心;8―小圆锥齿轮;9―圆柱滚动轴承;10―套筒;11―快速轴(水平轴)12―双列向心球面滚子轴承;13―辅助轴承;14―调节螺母。

  水平轴总成主要由链条驱动的动力输入链轮或万向轴驱动的连接法兰、水平轴、小锥齿轮、轴承套和底座上的小油池组成。水平轴由两副轴承支承,靠近小锥齿轮的轴承是向心短圆柱轴承,它只承受径向力。靠近动力输入端的轴承是双列调心球面滚子轴承,它主要承受径向力和不大的轴向力。在水平轴的另一端装有双排链轮或连接法兰。小锥齿轮与水平轴装好后,与两个轴承一起装入轴承套中,再将轴承套连同套内的各件一起装入壳体。大、小锥齿轮之间的间隙可通过轴承套与壳体之间的调整垫片予以调节。

  转台总成主要由转台迷宫圈、转台、固定在转台上的螺旋齿大锥齿轮、主轴承、辅轴承、下座圈、大方瓦和方补心等组成。转台体如同一根又粗又短的空心立轴,借助于主轴承座将螺旋齿大锥齿轮安装在壳体上。转台迷宫圈(两道环槽)装在转台外缘上,与壳体上的两道环槽形成动密封,防止钻井液及污物进入转台并损坏主轴承。转台是一个铸钢件,其内孔上部为方形,以安装方瓦,下部为圆形。

  ③在转盘开动前,锁紧装置上的操纵杆或手柄应在不锁紧位置,以防止转盘启动时损坏转盘内的零部件,制动块和销子转动应灵活,制动应可靠;

  ⑦检查链轮是否有轴向位移,如果有,则用螺栓固紧轴端压板,然后装上转盘链条护罩或万向轴护罩,未装上护罩前不得使其运转;

  ⑧使转盘平稳启动,慢慢合上气阀手柄或转盘离合器,检查转台是否跳动,并检查圆锥齿轮的啮合情况,检查声音是否正常,应无咬卡和撞击噪声。

  ③每班检查油池内油面是否符合要求,必须以停车5mb后检查的油位为准,检查油的清洁情况,如油脏要及时换油,检查油池和轴承温度是否正常;

  ⑧当转盘承受较大冲击载荷后(如卡钻、顿钻)应注意检查运转声音有无异常;

  ⑨定期检查输入轴端的万向轴连接法兰(或链轮)是否有轴向窜动,如有,应拧紧轴端压板螺钉;

  ①锥齿轮副和所有轴承均采用飞溅润滑,润滑油每2个月更换1次,每周检查1次油的清洁情况,油脏应随时更换,换油时应使用轻质油彻底清洗油池,然后注入工业齿轮油润滑;

  水龙头是钻机的旋转系统设备,又起着循环钻井液的作用。它悬挂在大钩上,通过上部的鹅颈管与水龙带相连,下部与方钻杆连接。它一方面要导输来自钻井泵的高压钻井液,将其引入旋转钻井柱内注入井底洗井,另一方面还要承受井内钻具的全部重量,悬挂钻柱并保证钻具自由旋转。因此,水龙头是旋转钻机中提升、旋转、循环三大工作机中相交汇的关键设备,是连接旋转系统、起升系统和循环系统的纽带。

  (1)水龙头的各承载件(如中心管、主轴承、提环、提环销等)要有足够的强度、刚度和寿命,并且要求连接可靠,其承载力应不小于钻机的最大钩载。

  普通水龙头的结构主要由“三管”、 “三(或四)轴承”、“四密封”组成。“三管”即鹅颈管、冲管、中心管; “三轴承”即主轴承、上扶正轴承、下扶正轴承,所谓四轴承结构,即除上述三轴承外,还有一个防跳轴承; “四密封”即上、下钻井液密封和上、下机油密封。下面以较典型的SL—450水龙头为例,介绍水龙头的结构组成及特点。

  1一鹅颈管;2—上盖;3一浮动冲管总成;4一泥浆伞;5—上辅助轴承;6—中心管;7一壳体;8—主轴承;9-密封垫;10—下辅助轴承;11ー下盖;12一压盖;13一方钻杆接头;14一护丝;5一提环销;16一缓冲器;7一提环

  SL—450水龙头的结构如图2—4所示。该水龙头包括固定部分、旋转部分和密封部分。固定部分由外壳、上盖、下盖、鹅颈管、提环等组成;旋转部分由中心管、接头、主轴承、上扶正(防跳)轴承和下扶正轴承组成;密封部分由上、下钻井液密封总成和上、下机油密封盘根装置组成。

  ②外壳是一个中空的铸钢件,用螺栓分别与上、下盖连接,构成润滑和冷却水龙头主轴承和扶正轴承的密闭壳体和油池。外侧面装有3个防止吊环撞击外壳的橡胶缓冲器

  ③上盖是铸钢件。其上部加工成法兰,用于安装鹅颈管。其下部是圆形,用螺栓与壳体上部连接,构成壳体上盖,在圆盖中心孔处装有扶正(防跳)轴承和两个反向安装的自封式u形上机油弹簧密封圈,以防壳体内部油液外漏和外界泥浆及其他脏物侵入壳体内部。圆盖上有一个螺纹孔,用来添加油液和固定油标尺,油标尺的丝堵(呼吸器)上有一个折角通孔,用以排除壳体内热气,降低润滑油温度。

  ④鹅颈管是一个中空的合金钢铸件,在其下部的异型法兰上加工有左螺纹,通过上钻井液盘根压盖与冲管总成连接。

  ⑤下盖是一个圆形铸钢件,用螺栓与壳体连接,在其中心孔处安装下扶正轴承和3个自封式u形弹簧密封圈。下盖上有两个排油孔,用于更换壳体内的油液,排油孔的丝堵带有磁性,用以吸附壳体内的金属屑。

  ①中心管是用合金钢锻造并经热处理后加工而成,它是水龙头旋转部分的重要承载部件。它不仅要在旋转的情况下承受全部钻柱的重量,而且其内孔还要承受高压钻井液压力。中心管上端连接冲管总成,下端母扣与保护接头连接,保护接头再与方钻杆上端连接。中心管上、下端螺纹均为左旋,以防止钻进时松扣。

  ②主、辅轴承中的主轴承为圆锥滚子轴承,承载能力大,寿命长。下扶正轴承为短圆柱滚子抽承。上扶正(防跳)轴承是圆锥滚子轴承.它能同时承受较大的轴向力和径向力,并兼有扶正和防跳双重作用。下扶正轴承的作用是承受中心管转动时的径向摆动力.使中心管居中,保证密封效果。因此,上、下扶正轴承距离较远时扶正效果较好。上扶正轴承在上机油盘根下,下扶正轴承在下机油盘根上,分别由上盖和下盖用螺栓压紧。

  该水龙头采用浮动式冲管结构和快速拆装的u形液压自封式冲管盘根盒总成。浮动式冲管盘根是将上、下冲管盘根装于盘根盒中,构成上、下盘根盒组件。盘根分别套在冲管上、下端面处的外径上,通过密封盒压盖分别与鹅颈管和中心管组装为一体。上钻井液密封盒组件由上密封盒压盖、上密封盒、上密封金属压套、u形自封式盘根、金属衬垫、弹簧圈和。形密封圈组成。金属压套上有花键与冲管上部的花键

  相匹配,保证冲管不能转动,但能够上、下窜动。弹簧圈用于将压套、盘根及衬垫固定在冲管上及上盘根盒内。上盘根盒组件通过上盘根盒压盖上的左旋螺纹与鹅颈管上的异型法兰连接。下钻井液盘根盒组件由下钻井液盘根盒压盖、盘根盒、4个u形白封式盘根、4个金属隔环、1个下O形密封压套、O形密封圈和在盘根盒上的1个黄油嘴组成。下密封盘根盒组件通过下盘根盒压盖上的左旋螺纹安装在中心管上,因此下钻井液盘根盒组件是旋转的,而冲管不转,为了减少盘根与冲管间的磨损,必须定期通过下盘根盒上的黄油嘴注入润滑脂。盘根盒中的u形盘根要注意安装方向,上盘根朝向鹅颈管,下盘根朝向中心管。盘根装置

  其上部机油盘根组件包括2个u形橡胶密封圈和橡胶伞;它的功用是防止油池内机油从中心管溢出和钻井液及脏物进入壳体内部。机油盘根和橡胶伞都转在盖内,由上盖法兰压紧,只承受低压。下部机油盘根组件包括3个U形自封式橡胶密纣圈和石棉板,用下盖压紧,其作用是在中心管旋转时密封油池下端防止漏油,只承受低压。此外,在多处需要密封的两个连接件之间均装有。形密封圈,以保证密封。

  除了普通水龙头,还有两用水龙头。与普通水龙头相比,两用水龙头只是多了一个风马达。风马达通过变速箱驱动中心管快速转动,完成在接单根作业时快速上扣动作。风马达气原来自钻机气控制系统,可以满足接单根时上扣的需要。

  顶部驱动钻井系统是取代转盘钻进的新型石油钻井系统,英文缩写为TDS(Top Driv-edrilingSystem)。顶驱钻井系统自20世纪80年代问世以来发展迅速,尤其在深井钻机和海洋钻机中获得了广泛应用。顶驱钻井系统现在已发展到最先进的一体化顶部驱动钻井系统,该系统显著提高了钻井作业的能力和效率,并已成为钻井行业的标准产品。通常,人们把配备了顶驱钻井系统的钻机称为顶驱钻机,考虑到顶驱钻井系统的主要功用是钻井水龙头和钻井马达功用的组合,故将其列为钻机的旋转系统设备。

  顶驱钻井系统是一套安装于井架内部空间,由游车悬持的顶部驱动钻井装置。常规水龙头与钻井马达相结合,并配备一种结构新颖的钻杆上卸扣装置,从井架空间上部直接旋转钻柱,并沿井架内专用导轨向下送进,可完成旋转钻进、倒划眼、循环钻井液、接钻杆(单根、立根)、下套管和上卸管柱丝扣等各种钻井操作。与转盘—方钻杆旋转钻井法相比较,顶驱钻井系统具有以下主要特点:

  起下钻时,顶部驱动钻井装置具有使用28m立柱倒划眼的能力,可在不增加起钻时间的前提下,顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。在定向钻井过程中,可以大幅度地减少起钻总时间。使用顶部驱动钻井装置下钻时,可在数秒内接好钻柱,立刻划眼,从而减少了卡钻的危险。系统具有遥控内部防喷器,钻进或起钻中如有井涌迹象,可在数秒内完成旋扣和紧扣,恢复循环,并安全可靠地控制钻柱内压力。

  顶驱钻井系统主要包括:钻井马达—水龙头总成、钻杆上下卸扣装置、导轨—导向滑车总成、平衡系统、冷却系统、控制系统和附属设备等,如图2-5所示。

  钻井马达是顶驱钻井系统的动力源,根据马达的类型可将顶驱分为液马达顶驱、AC—SCR—DC顶驱和AC-VF-AC变频顶驱。图2-5所示为Varco公司生产的TDS—11SA型顶驱系统(AC—SCR—DC驱动),马达上装有双头电枢轴和垂直止推轴承。气刹车用于马达的惯性刹车,承受钻柱扭矩,并有利于定向钻井的定向工作。气刹车由一个远控电磁阀控制,其气源来自于钻机气控制系统。

  TDS—11SA型顶部驱动钻井装置的单速变速箱主要由大齿齿轮、小齿齿轮、箱体、主轴和钻井马达等部件组成。变速箱是一个单速齿轮减速装置,水龙头主止推轴承装在齿轮箱内,主轴由主止椎轴承支撑,主轴通过一个锥形衬套连接大齿轮,并支撑钻杆上卸扣装置。通过3~4hp的马达驱动润滑油泵,润滑油通过主止推轴承、上轴承,再经齿轮间隙、水冷或风冷的热交换器连续循环,并对齿轮进行强制润滑。油泵、油热交换器和油滤清器安装在传动箱外壳上。

  水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部。主轴的上部台阶座落在主止推轴承上,用以支承钻柱的负荷。水龙头密封总成装在钻井马达上方,由标准冲管、组合盘根、联管螺母组成。联管螺母使密封总成作为一个整体运动,使水龙头密封总成能够承受42MPa的工作压力。盘根盒为快速装卸式,与普通水龙头相同,只要松开上、下压紧盘根帽,即可快速拆装、更换冲管和盘根。

  顶驱钻井系统将钻井马达和钻井水龙头组合在一起,除了具有转盘和常规水龙头的功能以外,更重要的是它配备了一套结构新颖的钻杆上卸扣装置,从而实现了钻柱连接、上卸扣操作的机械化及自动化,使钻机旋转系统设备焕然一新。

  扭矩扳手作为卸扣之用,通过吊架将其悬挂于旋转头上。扭矩扳手位于内防喷器下部的保护接头一侧,两个液缸连接在扭矩管和下钳头之间,下钳头延伸至保护接头外螺纹下方。钳头的夹紧活塞用来夹持与保护接头相连接的钻杆内螺纹。扭矩管内的母花键同上部内防喷器下方的公花键相啮合,为液缸提供反扭矩。卸扣时,启动扭矩扳手,便使其自动上升并与内防喷器上的花键相啮合,在得到程序控制压力后,夹紧液缸开始动作,夹紧活塞的夹持爪夹住钻杆的母接头。当液缸中的液体压力上升至夹紧压力时,另一程序阀自动开启,并将压力传给和扭矩臂相连的两个扭矩液缸(冲扣液缸)使保护接及上轴旋转 25°,完成冲扣动作。再启动钻井马达旋扣,完成卸扣操作,钻杆上卸扣装置另有两个缓冲液缸,类似大钩弹簧,可提供螺纹补偿行程125mm。整个作业由司钻按动控制台上的电按钮便可自动完成。

  如图2—7所示,内防喷器由带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器组成,属于全尺寸、内开口、球形安全阀式的井控内防喷系统。上、下内防喷器形式相同,接在钻柱中,可随时将顶部驱动钻井装置同钻柱相连起来使用。内防喷器还有一个功用:即当上卸扣时,扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键相啮合即可传递扭矩。在井控作业时,可以将下部内防喷器卸开留在钻柱当中。顶部驱动钻井装置还可以用一个中间转换接头,将钻柱和下部内防喷器连接起来。

  在扭矩扳手架上安装有两个双作用液缸,液缸的动作由司钻通过控制台上的电开关和电磁阀来控制。液缸推动位于上部内防喷器—侧的圆环。同液缸相连接的启动手柄与圆环相啮合,可以远控开启或关闭上部内防喷器。

  吊环和钻杆吊卡 吊环连接器通过吊环将下部吊卡与主轴相连,主轴穿过齿轮箱壳体,齿轮箱壳体又同整体水龙头相接。吊环连接器额定负荷650t,可配350-650t提升能力的标准吊环。一般钻井配用3.35m、350t的吊环和中开钻杆吊卡,留出一定的空隙装固井水泥头,固井时要用4.57m长吊环。吊环配对使用,以保持最佳平衡效果。

  吊环倾斜装置上的吊环倾斜臂位于吊环连接器的前部,由空气弹簧启动,钻杆上卸扣装置上的1.7m长吊环在吊环倾斜装置启动gS的作用下可轻松摆动,提放小鼠洞内的钻杆。启动器由电磁阀控制。该装置的中停机构便于井架工排放钻具作业。吊环倾斜装置的主要功用是:①吊鼠洞中的单根;②接立根时,不需井架工在二层台上将大钩拉靠到二层台上。

  顶驱钻井装置旋转头如图2—8所示。:当钻杆L知扣装詈在起钻中随钻柱部件旋转时,能始终保持液路、气路的连通。在固定法兰体内部钻有许多油气通道,一端接软管口,另一端通往法兰,向下延伸到圆柱部分的下表面。在旋转滑块的表面部分有许多密封槽,槽内也有许多流道,密封槽与接口靠这些流道相通。当旋转滑块位于固定法兰的支承面上,密封槽与孔眼相对接时,滑块和法兰不论是旋转还是在任意固定位置,都始终会有油气通过。旋转头可自由旋转和定位。当旋转头锁定在24个刻度中任意刻度位置时,则通过凸轮顶杆和自动返回液缸对凸轮的作用,使旋转头自动返回到预定位置。

  导轨—导向滑车总成由导轨和导向滑车框架组成。导轨装在井架内部,通过导向滑车或滑架对顶驱钻井装置起导向作用,钻井时承受反扭矩。20世纪80年代顶驱系统多为双导轨,90年代改为单异轨,单异轨顶驱系统结构更加轻便。导向滑车上装有导向轮,可沿导轨上、下运动,游车固定在其中。当钻井马达处于排放立根位置上时,导向滑车则可作为马达的支撑梁。

  平衡系统又称为液气弹簧式平衡装置,平衡系统总成如图2—9所示。平衡系统有两个作用:一是防止上卸接头时损坏螺纹:二是在卸扣时,可帮助外螺纹接头从内螺纹接头中弹出。这就为顶驱钻井装置提供了一个类似于大钩的1520皿的减震冲程。因顶驱系统太重,大钩弹簧的弹性力对顶驱钻井系统起了缓冲作用,所以,顶驱钻井系统不安装大钩。平衡系统包括两个相同油缸及其附件,以及两个液压储能器和一个管汇及相关管线。油缸一端与棺体水龙头相连,另一端或与大钩耳环连接,或直接连到游车上。这两个液缸还与导向滑车总成马达支架内的液压储能器相通。储能器通过液压油补充能量并保持一个预设的压力,其压力值由液压控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。

  平衡系统的活塞杆上端与游车连接,油缸下端与水龙头连接。油缸上腔始终通高压油,下腔抽缸产生的向上拉力作用在水龙头上,一直提着水龙头。两个相同的油缸产生的向上拉力的合力要比顶驱钻井装置和立根的自重大一些,当上、卸螺纹完成时,蓄能器排放出压力,供给油缸工作。随着蓄能器内的油液逐渐放出,油压会逐渐降低,油缸的拉力也就逐渐减少。当油缸的拉力小于顶驱钻井装置和立根本身重量(忽略导轨的摩擦力)时,上提过程由加速变为减速,最后停止上移。当提起整个钻柱时,钻柱和顶驱钻井装置的重量大于油缸向上的拉力,油缸被拉下来,缸内油液被排出,大部分返回蓄能器储存。

  顶驱钻井装置的控制系统主要由司钻仪表控制台、控制面板、动力回流等组成。控制系统相当于为司钻提供了一个控制台,通过这个控制台实现对顶驱钻井装置自身的控制。司钻仪表控制台由扭矩表、转速表、各种开关和指示灯组成。顶驱钻井装置可实现的基本控制功能为:吊环倾斜、远控内防喷器、马达控制、马达旋扣扭矩控制、紧扣扭矩控制、转换开关等。

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