2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment
0 引言
石油钻机从转盘单根钻井发展到顶驱立根钻井，钻井效率有了显著提高。然而，如何快速高效地建立根成了制约钻井效率进一步提高的关键。目前，建立根通常采用2种方式。一种是钻井开始之前通过占用井口的方式提前建好本次钻深所需的立根，可以配套常规风动绞车，亦可配套管柱处理系统。这种方式建立根需要占用井口，建立根和钻井不能同时进行，需要额外的建立根作业时间，工作效率低[1-3]，常见于各种陆地钻机。另一种是采用双井口管柱处理系统建立一套不占用井口的离线建立根系统。这种方式解决了钻机管柱排放、输送和井口作业的自动化问题，改善了现场作业环境，减轻了操作人员的劳动强度，但系统结构复杂，成本高，操作繁琐[4-6]，故多应用于自动化程度要求高及作业效率高的海洋平台上。
据此，宝鸡石油机械有限责任公司于2009年针对NDC用户自主研发了一种应用于陆地钻机的双小鼠洞离线建立根系统，并在多台钻机上试验推广。该系统实现了陆地钻机建立根与钻井同时进行，减少了作业等待时间，大大缩短了工作周期，提高了工作效率，并且整个系统结构简单，操作方便，成本低。
1 总体方案双小鼠洞离线建立根系统创新性地采用双小鼠洞钻台面布局，即在钻台面相对井口中心线正前方设置有Ⅰ号小鼠洞，在钻台面相对井口中心线一侧(左右皆可)设置有Ⅱ号小鼠洞，2个小鼠洞内安装的小鼠洞管主体结构相同，能够缓冲钻杆下放的冲击力和收集钻杆携带的钻井液，不同的是：Ⅰ号小鼠洞内安装的小鼠洞管通过顶部设置的滚杠与半圆座能够实现垂直和倾斜2种工作模式，满足不同的钻井工况需求；Ⅰ号小鼠洞左、右两侧井架上分别安装1套十字转向滑轮，在Ⅰ号小鼠洞正前方的钻台面上设置有坡道，坡道左、右两侧分别安装有左风动绞车和右风动绞车，从这2个风动绞车引出的钢丝绳分别对应绕过各自一侧的十字转向滑轮，2根钢丝绳末端通过吊卡吊绳总成与钻杆吊卡连接；在Ⅱ号小鼠洞外侧钻台面上安装有液气大钳或铁钻工，用于钻杆的上、卸扣操作。采用双小鼠洞离线建立根系统实现了不占用井口建立根，并且缩短作业等待时间，大大提高了作业效率。
2 关键技术 2.1 双小鼠洞钻台面布局双小鼠洞离线建立根系统在钻台面的布局采用新型双小鼠洞形式，布局如图 1所示。在钻台面相对井口中心线正前方设置有Ⅰ号小鼠洞，在钻台面相对井口中心线一侧设置Ⅱ号小鼠洞，2个小鼠洞内分别安装有小鼠洞管；井口两侧的井架上分别设置有1套十字转向滑轮，在Ⅰ号小鼠洞正前方的钻台面上设置有坡道，坡道左、右两侧分别安装有左风动绞车和右风动绞车，从左、右风动绞车引出的钢丝绳分别对应绕过各自一侧的十字转向滑轮，2根钢丝绳末端通过吊卡吊绳总成与钻杆吊卡连接，实现对钻杆的上、下升降；在Ⅱ号小鼠洞外侧的钻台面上安装有能够进行伸长或收缩动作的液气大钳，用于2个小鼠洞处钻杆的上、卸扣操作[7]。
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| 图 1 双小鼠洞钻台面布局 Fig.1 The layout of the double-mouse hole drilling floor 1—左风动绞车；2—坡道；3—小鼠洞管；4—Ⅰ号小鼠洞；5—右风动绞车；6—十字转向滑轮；7—钢丝绳；8—Ⅱ号小鼠洞；9—液气大钳。 |
2.2 斜直两用环保型小鼠洞管
目前，顶驱钻井以其高效性逐步成为主流。但是，一旦顶驱发生故障时，需要转盘水龙头钻井作为补充。不同的是，铁钻工或液气大钳上、卸扣时要求钻杆尽可能直立，而钻杆打井时要求钻杆有一定的斜度便于快速认扣。但是，现有的小鼠洞管不能适用于2种作业工况的斜直两用要求，可能导致长时间停钻，降低了作业效率。该系统Ⅰ号小鼠洞内安装的斜直两用小鼠洞管解决了此问题。
小鼠洞管本体为一空心圆管，小鼠洞管上端安装有法兰，在法兰下表面沿直径方向对称焊接有1对滚杠，2个滚杠分别安装于钻台面左、右两侧的一对半圆座内，整个小鼠洞管可绕着滚杠的轴心实现一定角度的倾摆。小鼠洞管下部外圆周卡装有卡箍，卡箍通过倾斜或垂直支架与连接架连接，连接架通过销轴耳板与底座相连。转盘钻井接单根时，小鼠洞管采用倾斜支架固定，实现小鼠洞管的倾斜工作模式，保证存放于小鼠洞管内的钻杆倾斜一定角度，便于与方钻杆实现快速认扣，如图 2a所示。顶驱立根钻井时，用垂直支架代替倾斜支架实现小鼠洞管的垂直工作模式，保证在垂直平面内上、卸扣，有利于风动绞车或液气大钳快速安全地建立根，如图 2b所示。只需更换支架形式，即可实现2种钻井工况对小鼠洞管的不同需求。另外，小鼠洞管内安装的压缩弹簧能够缓冲钻杆下放的冲击力，保护钻头螺纹；小鼠洞管下端固定有轴线水平的锤击由壬，用于收集钻杆携带的钻井液，既保护环境，又节约资源[8-10]。
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| 图 2 斜直两用环保型小鼠洞管工作模式示意图 Fig.2 Schematic diagram of the working mode of the vertical and inclined environmental friendly mouse hole tube 1—倾斜支架；2—井口；3—法兰；4—小鼠洞管；5—卡箍；6—弹簧；7—锤击由壬；8—垂直支架；9—连接架；10—滚杠；11—半圆座。 |
2.3 十字转向滑轮
采用风动绞车建立根时，由于钢丝绳张角的影响，以及负载的晃动造成钢丝绳作用于滑轮的力不是垂直作用于滑轮，如果采用常规滑轮，滑轮体不能侧摆转向，当钻台面钻杆移运距离较大时容易造成操作困难，钢丝绳偏磨及脱槽而发生断线事故，从而对整个设备安全产生影响[11-12]。
十字转向滑轮主要由转向机构和滑轮组合2部分组成，结构如图 3所示。其中，转向机构主要由吊环、横梁、轴向推力轴承、螺母、圆柱销、侧板、紧定螺钉、挡块和销轴组成。将轴向推力轴承安装在横梁和螺母之间，当轴向推力轴承转动时，因圆柱销锁定了螺母，所以轴承只能带动横梁转向，而安装在横梁上的2块侧板跟着转向，带动了与侧板连接的滑轮组合进行整体侧摆转向，从而达到了滑轮体的转向要求。但不加控制的自由转向势必会使钢丝绳缠扭，因此采用制动块及安装在吊环上的紧定螺钉之间相互制约的方式使摆动角度控制在规定范围内，满足了滑轮既能转向又不会使钢丝绳缠扭的要求，吊环上部开有用于润滑保养轴向推力轴承的油嘴接头；滑轮组合为常规滑轮，即滑轮绕滑轮轴自由旋转，滑轮体通过销轴前、后摆动[8-9]。转向机构和滑轮组合通过侧板连接成一体，然后用销轴将悬挂主体的吊环连接在井架的耳板上进行作业。
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| 图 3 十字转向滑轮结构示意图 Fig.3 Structural schematic diagram of the cross pulley 1—吊环；2—销轴；3—紧定螺钉；4—横梁；5—轴向推力轴承；6—圆柱销；7—螺母；8—侧板；9—滑轮组合。 |
十字转向滑轮在给定范围内的转向能够解决钻台面钻杆移运作业中操作困难、钢丝绳偏磨严重以及钢丝绳缠扭等问题[13]。
2.4 离线建立根步骤采用双小鼠洞离线建立根系统按照以下步骤建立根。
2.4.1 建1#立根。建1#立根步骤如图 4所示。具体描述如下：
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| 图 4 建1#立根步骤示意图 Fig.4 Diagram of building 1# stand 1—Ⅰ号小鼠洞；2—Ⅱ号小鼠洞；3—小鼠洞管；4—坡道；5—左风动绞车；6—右风动绞车；7—十字转向滑轮。 |
(1) 从右风动绞车引出的钢丝绳绕过十字转向滑轮拉取1#钻杆放入Ⅱ号小鼠洞内，当1#钻杆脱离坡道时，从左风动绞车引出的钢丝绳拉取2#钻杆放入Ⅰ号小鼠洞内，如图 4a所示；
(2) 当2#钻杆脱离坡道时，从右风动绞车引出的钢丝绳拉取3#钻杆移到Ⅰ号小鼠洞内，3#钻杆下行至下端与2#钻杆的上端相接触时，操作液气大钳将2#和3#钻杆连接成1#双根，如图 4b所示；
(3) 右风动绞车拉取1#双根移到Ⅱ号小鼠洞处，1#双根下行至下端与1#钻杆的上端相接触时，操作液气大钳进行上扣连接操作，连接为1#立根，与此同时，4#钻杆送入坡道，如图 4c所示；
(4) 右风动绞车将建好的1#立根移入立根盒，与此同时，从左风动绞车引出的钢丝绳将4#钻杆放入Ⅰ号小鼠洞内，如图 4d所示。
2.4.2 建2#立根建2#立根步骤如图 5所示。具体描述如下：
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| 图 5 建2#立根步骤示意图 Fig.5 Diagram of building 2# stand 1—Ⅰ号小鼠洞；2—Ⅱ号小鼠洞；3—小鼠洞管；4—坡道；5—左风动绞车；6—右风动绞车；7—十字转向滑轮。 |
(1) 在上述右风动绞车引出的钢丝绳将1#双根吊离Ⅰ号小鼠洞的同时，从左风动绞车引出的钢丝绳立即拉取4#钻杆放入Ⅰ号小鼠洞内，该过程可与上述建1#立根的过程同时进行，上述1#立根移入立根盒后，从右风动绞车引出的钢丝继续拉取5#钻杆放入Ⅱ号小鼠洞内，如图 5a所示；
(2) 从右风动绞车引出的钢丝绳拉取6#钻杆使其与Ⅰ号小鼠洞1内的4#钻杆的上端相接触时，操作液气大钳进行上扣连接操作，连接为2#双根，如图 5b所示；
(3) 从右风动绞车引出的钢丝绳拉取2#双根与Ⅱ号小鼠洞的5#钻杆的上端相接触时，操作液气大钳进行上扣连接操作，连接为2#立根，与此同时，7#钻杆送入坡道，如图 5c所示；
(4) 右风动绞车将建好的2#立根移入立根盒，与此同时，从左风动绞车引出的钢丝绳将7#钻杆放入Ⅰ号小鼠洞内，如图 5d所示。
2.4.3 建后续立根在上述右风动绞车引出的钢丝绳将2#双根吊离Ⅰ号小鼠洞的同时，从左、风动绞车引出的钢丝绳立即拉取7#钻杆放入Ⅰ号小鼠洞内，该过程可与上述建2#立根的过程同时进行，重复建2#立根的步骤，完成后续立根的建立。
上述采用双小鼠洞离线建立根系统建立根不仅实现了建立根与顶驱钻进同时进行，并且减少了作业等待时间，大大缩短了建立根周期，提高了作业效率。
3 现场试验2009年，宝鸡石油机械有限责任公司在第1台NDC沙漠快速移运钻机上应用双小鼠洞离线建立根系统，2010年投入油田现场使用。该系统在现场的工作性能良好，获得用户的肯定。截至2017年1月，该系统已经在39台NDC钻机上推广使用。配置双小鼠洞离线建立根系统的钻机在阿布扎比Shanail井场RA-93井口的试验数据与采用不同建立根系统的相同规格钻机的试验数据对比如表 1所示。
| 建立根方式 | 占用井口 | 不占用井口 | |||
| 常规风动绞车 | 管柱处理系统 | 双井口管柱处理系统 | 双小鼠洞离线建立根 | ||
| 试验井口 | 磨溪102井 | 磨溪102井 | - | 阿布扎比RA-93井 | |
| 建立根系统投资成本/万元 | 20 | 500 | 1 000 | 25 | |
| 每柱平均建立根周期/min | 8 | 5 | 8 | 8 | |
| 操作工人数量 | 6 | 5 | 6 | 6 | |
| 建立根时间占钻井总时间/% | 23~27 | 18~22 | 12~20[4] | 19~24 | |
| 现场维修频率 | 很少 | 频繁 | 较多 | 很少 | |
由表可知，相比常规风动绞车占用井口建立根的钻机，在成本增加不大，平均建立根周期保持不变的情况下，建立根时间占钻井总时间的比例却有了明显的下降，验证了采用双小鼠洞离线建立根系统建立根不仅实现了建立根与顶驱钻进同时进行，并且减少作业等待时间，大大缩短了建立根周期，提高了作业效率；相比占用井口的管柱处理系统及双井口管柱处理系统，双小鼠洞离线建立根系统投资成本低，操作维护简单，建立根效率也比较满意，从而验证了上述设计方案的合理性和可行性。
4 结论(1) 采用新型双小鼠洞钻台面布局，结构简单，操作方便，成本低。
(2)Ⅰ号小鼠洞内安装斜直两用环保型小鼠洞管，满足转盘和顶驱钻井2种钻井工况对小鼠洞管的不同需求，并且能够缓冲钻杆下放的冲击力及收集钻杆携带的钻井液，既保护环境，又节约资源。
(3) 采用内部安装轴向推力轴承的十字转向滑轮能够实现给定范围内的整体侧摆转向，可解决钻台面钻杆移运距离较大时出现操作困难、钢丝绳严重偏磨以及钢丝绳缠扭等问题。
(4) 采用双小鼠洞离线建立根系统不仅实现了建立根与顶驱钻井同时进行，并且减少作业等待时间，大大缩短了建立根周期，提高了整体作业效率，可在多种类型的陆地钻机上推广使用。
| [1] | 侯学军, 高德利. 陆地钻机钻杆自动排放系统设计[J]. 石油钻采工艺, 2011, 33(3): 5–8. |
| [2] | 白丙建, 谭刚强, 栾苏, 等. 陆地钻机钻杆自动化处理系统方案设计[J]. 石油矿场机械, 2014, 43(2): 86–88. |
| [3] | 白丙建, 贾秉彦, 樊春明, 等. 一种用于钻杆接立根的装置及钻杆接立根方法: CN102720448A[P]. 2012-10-10. |
| [4] | 尹晓丽, 张中慧, 牛文杰, 等. 海洋钻井平台立根自动连接系统的设计与优化[J]. 石油机械, 2011, 39(2): 27–30. |
| [5] | 姜震. 海洋钻机井架外挂接立根平台设计研究[D]. 北京: 中国石油大学(北京), 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10425-1015025153.htm |
| [6] | 石林, 张运通, 洪学福. 海洋平台三井架联动作业的方法: CN101575946A[P]. 2009-11-11. |
| [7] | 郭小艳, 黄治湖, 侯文辉. 石油钻机用双鼠洞离线建立根系统及方法: CN206285517A[P]. 2017-01-04. |
| [8] | 王定亚, 张福, 周天明, 等. 石油钻机用环保型缓冲式鼠洞导管: CN201016283Y[P]. 2008-02-06. |
| [9] | FRIESEN D B, TECK C M. Development of a mouse hole shock absorber for offshore drilling operations[C]//Proceedings of the Third (1993) International Offshore and Polar Engineering Conference, Singapore, June 6-11, 1993. |
| [10] | 郭小艳, 黄治湖, 张虎山. 斜直两用鼠洞导管: CN205918380U[P]. 2017-02-01. |
| [11] | 胡茂. 滑轮直径对钢丝绳寿命影响研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10497-1012403439.htm |
| [12] | 洪云霞. ZJ50LDB石油钻机天车设计[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10425-2009221763.htm |
| [13] | 孙娟, 蒋涛, 骆宏骞. 一种可以侧摆转向的滑轮机构: CN2841608Y[P]. 2006-11-29. |