石油钻机型式与基本参数标准

1、石油钻机型式与基本参数修订标准技术分析 1标准制修订回顾70年代我国石油工业蓬勃发展，但装备落后。在这种形势下，1975年原石油工业部与机械工业部联合组织成立了“钻机系列化及链条钻机调查小组”，1978年又成立了“三化小组”，在分析各国钻机标准及美国钻机和API规范的基础上，起草了我国石油钻机型式与基本参数标准。1979报国家标准总局，经批准定为中华人民共和国国家标准，标准号为GB180679，于1981-01实施。此标准在技术上的显著特点是，在最大钩载参数上突破了以往沿袭原苏联、罗马尼亚标准的作法，这两国标准基本上是根据综合井身结构下套管负荷需要来确定最大钩载； 我国这次标准是在有关规范和设

2、计准则要求下，最大限度地发挥钻机绞车本身能力可提供的负荷来确定最大钩载。因此，该标准制订的这一参数比苏、罗标准均要大(见表1)，它较大地提高了钻机对地层和钻井工艺的适应能力。表1GB180679与苏76*和罗75*标准的最大钩载对比井深Hm20002500280030003200400045005000600065007000800010000最大钩载W/tfGB180679120220300400600苏76*标准120140170200250320400罗75*标准100125200320400500注：*指1976年或1975年标准。 首次标准发布以来，至今已进行了2次修订，它们在规范和

3、促进我国石油钻机发展上起到了重要作用。前后标准对比见表2。表2历次钻机标准主要参数对比钻机级别型号GB180679ZJ20ZJ32ZJ45ZJ60ZJ80GB1806861520324560801999修订10600159002013503017004022505031507045001209000钻深Hm5英寸*钻杆GB1806792 00032004500600080005英寸*钻杆GB180686900150013002000190032003000450040006000500080005英寸*钻杆1999修订50080070014001100180015002 50020003200

4、280045004000600050008000700010000412钻杆50010008001500120020001600300025004000350050004500700060009000750012000最大钩载WtfGB180679120220300400600GB180686901352253154505851999修订6090135170225315450675585900绞车最大输入功率P/hpGB1806795501000150020003000GB18068645070010001500200030001999修订270450550750100015002000300

5、04000滚筒钢丝绳直径d/m(英寸)GB18067928.532.532.5或34.534.539.5GB1806862628.532.534.53841.51999修订2278261291183211432114351383811242158522游动系统绳数ndmaxGB18067988810101210121214GB18068688888101012101212141999修订668888810810101210121216，10141216钻台高度h/mGB1806792.84.24.54.5(6)689GB1806863，4.54.5，6，7.56，7.5，97.5，91999修

6、订3，44，55，6，7.57.5，9，10.5，12钻井泵单台功率不小于Pd/hpGB180679350，500800，10001000，13001300，16001600GB180686350，800800，1000，13001 300，1 60016001999修订35050080010001300160016002美国石油钻机技术基本作法 美国在世界石油钻机技术和销售量上均属首位，与国际技术接轨实质上是与以美国为代表的技术作法及采用API规范接轨。我国石油钻机标准采纳了这一趋向。就普遍使用的机械驱动钻机而言，美国在60年代已达成熟阶段，从那时至70年代其石油机械制造业得到迅速发展。钻机

7、制造公司主要有8大家，统计1973年美国286个陆地和40个海洋钻井公司使用的1 891台钻机，这8家所占比例达90%，其中尤以National、Emsco、Ideco公司为甚，它们所占比例分别为，National30.8%，Emscoo 13.9%,Ideco10.7%，Oil Well8.25%，Mid-Continent8.25%，Wilson7.15%，Cardner-Denver5.15%，Brewster4.85%。美国没有像苏、罗、我国等将诸多因素(参数)合在一起的钻机标准，但各公司均有自已的绞车、天车、游车、大钩、水龙头、转盘、传动装置、钻井泵、井架和底座等主机标准，API的相

8、关规范和推荐作法，它们均采用。根据钻井公司的要求，将这些主机配套成钻机，很机动灵活。当确定钻机钻深能力时，下列因素都是重要的：井架承载能力;提升系统承载能力；动力机组功率；绞车功率及负荷能力；钻井泵功率；钻台高度及承载能力；转盘开口及承载能力等。上述诸多因素中绞车性能是最基础的因素，它是将动力转换成提供起升负荷能力的源泉，无怪乎美国人把绞车视为钻机。由于钻柱质量是决定井深很重要的出发点，他们的设备标准中唯独绞车标有井深参数。最初是以412英寸钻杆为计算井深基础，虽然后来出现5英寸无细螺纹钻杆，其水力和承载性能比412英寸钻杆为好，但绞车产品已经形成，所以仍沿用原来的412英寸钻杆所标定的井深。

9、用5英寸钻杆钻井时，额定井深的钻杆质量要增大一些，标定井深要打点折扣。由于绞车使用说明书中均有游动系统绳数与各档载荷能力表和提升曲线，实际钻井作业可根据需要按这些表或曲线来选择载荷和速度。80年代后期，美国很多公司的样本在绞车参数中“412”字样已不再注明。几十年来美国钻机的主机在总体上基本没有变化，对比了National公司1976-1977年绞车参数与1998-1999年National-Oilwell两公司合并后公布的绞车参数与性能数据完全一样；Emsco公司也基本如此，两公司绞车载荷参数见表312。它们摘至1998-1999年National-Oilwell样本和1986-1987年E

10、msco公司样本，供参阅。表3National-Oilwell公司绞车载荷参数(表38)80B(机械驱动M)、80UE(电动E)(1 000 hp 12 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf615615136899352453625308202189177116*120*6859483239102452272161411458273593945表4110M、110UE(1 500 hp 16 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf825022720514

11、5*145*1082573952103052752481771771239868486412355323291207207143114805773表51320M、1320UE(2 000 hp 20 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf8353300291186*189*11612370477104183663552272301411508655931248642741426426815917310064109表61625M、1625DE(3 000 hp 25 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档M

12、EMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf8484400341223*250*14815910568981059148941427330518019312782120126915684823183572092271459514114784645550359405239257168109159表7M-3000、E-3000(3 000 hp 30 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf840040028619920014114810067821048848834323924116517712081100125565563

13、98275*277*190205139941161462462444630931121322915510513016694694496344346237255173117145表82040-E(4 000 hp 40 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档高档低档高档悬吊绳数下提升载荷能力W/tf8663400*2201331079948226516012925558306185141 040629345208161 148693380230表9Emsco公司绞车载荷参数表(表912)D-3-(机械驱动M)、D -3-(电驱动E)(1 000 hp 14 500 ft)滚筒轴离合器低速高速

14、档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf6154155105716447343221208198198135*9182604441272510238239162109987353493330122762771801271148462573935表10C-1-(M)、C -1-(E)(1 500 hp 16 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf8266266180120127816954363410321321217145*154*978466444712371371251168178113

15、9776515414418418282189200127109865761表11C-2-(M)、C -2-(E)(2 000 hp 25 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf8346346254167144109857146461041741730520117313210185565612482482353232*200*153117996565145435433982622261721321127373表12C-3-(M)、C -3-(E)(3 000 hp 30 000 ft)滚筒轴离合器低速高速档号低档档高档低档档高

16、档MEMMEMEMME悬吊绳数下提升载荷能力W/tf10581581398271*258*185146126868212673673461313298214169146100951475875851935333624129116511210716835835572389370266210182124118*表示额定井深钻柱质量载荷(下同) 我国于1978年曾分别与美国Ideco、 National两公司进行过技术座谈，分析这些资料和美国其他公司的绞车和钻机情况后，可以得出他们一般的几点技术作法。a)井深范围下限是额定井深的55%70%。b)额定井深钻柱质量取412英寸钻杆中间壁厚带接头质量27

17、.5 kg/m(18.5 lb/ft)加钻铤后，平均以30 kg/m(20 lb/ft)乘以额定井深来计算钻柱质量(见表312中带*者)。(苏联新系列、罗马尼亚F系列钻机也以30 kg/m计算)。表13k取值游动系统效率对比悬吊绳数National k0.972API(Emsco)k=0.96040.9270.90860.8940.87480.8820.842100.8570.811120.8350.782140.8120.755160.7800.728c)额定井深钻柱质量的提升钩速要满足0.50.6 m/s(100120 ft/min)的要求，以此考虑机械和绳系效率后来决定绞车输入功率。超深

18、井钻机这一钩速还要高些。d)功率为735 kW(1 000 hp)及其以上的绞车，钻井绳数一般采用8或10绳；功率为550 kW(750 hp)以下采用6绳。e)通常最大绳数比钻井绳数多4或6绳，以得到较大的载荷增益。f)钻井时钢丝绳安全系数不小于3，下套管不小于2。g)功率为735 kW(1 000 hp)及以上绞车的滚筒尺寸其直径与绳径比，一般为20倍或大一些，钻井时起一28 m(93 ft)立根在滚筒上缠绕不超过3层；下套管用最大绳数起1立根则到第4层，但未有到5层上去的。层数太多对钢丝绳寿命不利。h)游动系统效率计算公式1 Tk(1kn）n（1k）式中，k为1根绳和滑轮效率；n为悬吊绳

19、数。k值有取0.98，0.97，0.96等。API取0.96，National公司取0.972，Emsco公司按API取0.96。对这2种k值各绳系数效率见表13。i)功率为550 kW(750 hp)及以上的绞车总体结构一般采用3轴结构(输入、变速、滚筒)，从输入轴至滚筒轴的绞车机械效率取0.904。j)为考虑钻井安全，在钻井绳数下绞车最低档(档)速度的配置要满足当柴油机可能出现故障时，用输入功率的12或1台柴油机功率能以一定的钩速提起额定井深钻柱质量(National这一钩速为0.150.2 m/s，3040 ft/min)。31999年修订标准技术分析3.1额定井深与井深范围修订标准将钻

20、机划分为9级。其中部分钻机额定井深对应原标准井深有所调整，如ZJ32型调整为ZJ40型，ZJ45型调整为ZJ50型，ZJ60型调整为ZJ70型，ZJ80型调整为ZJ90型等(见表2)。这与美国多数公司将1 000 hp绞车定为3 6604 420 m，1 500 hp 定为4 900 m，2 000 hp 定为 6 100 6700 m，3 000 hp定为9 144 m等是一致的。如此处理对我国钻机出口和对外承包钻井工程有利。修订标准井深范围其下限是额定井深的50%70%，也与美国多数公司一致。这是一种通常作法，并非经济性论证的结果。3.2绞车功率与钩速修订标准确定每级钻机的绞车额定输入功率

21、均不低于美国，提升额定井深钻柱质量(以下简称钻柱载荷)的钩速也不低于美国，达到0.500.63 m/s(98124 ft/min)。钩速按下式计算。vH75PRDWTFH75PHFH，式中，vH为大钩提升钩速，ms；PR为绞车额定输入功率，hp；PH为大钩钩功率，hp；DW为绞车机械效率，取0.904；T为钻井绳数时的游动系统效率(按表13，National公司值)；FH为额定井深钻柱载荷kg,对412英寸钻杆，FH=30 kg/m该额定井深；对5英寸钻杆FH=36 kg/m该额定井深。计算结果与美国对比见表14。ZJ10型ZJ120型钻机的钩速分别达到107，118，108，98，98，11

22、4，110，124，124 ft/min。5英寸钻柱的钩速也达到同样水准。表14绞车功率与钩速对比国家或公司钻机或绞车型号绞车输入功率P/hp井深H/m钻井绳数n412英寸钻柱质量m/t412英寸钻柱钩速v5英寸钻柱钩速vms1ftmin1ms1ftmin1SYT56091999ZJ102705001 0006300.5451070.57112ZJ154508001 5008450.5981180.53104ZJ205501 2002 0008600.5481080.51100ZJ307501 6003 0008900.498980.5098ZJ401 0002 5004 00081200.4

23、98980.5098ZJ501 503 5005 000101500.5811140.54106ZJ702 0004 5007 000102100.5531100.54106ZJ903 0006 0009 000122700.6291240.59116ZJ1204 0007 50012 000123600.6291240.631246107501 8293 0486*919980B1 0002 4383 6588110107National110M1 5003 3534 8778146119-oilwell1320M2 0003 9626 0968183128M30003 0009 14412

24、2741222040E4 0006 09612 1928366128D-27502 1343 6588*11080D-3-1 0003 0484 420813388EmscoC-1-1 5003 6584 87710146117C-2-2 0003 9627 6201222997C-3-3 0004 8779：*两公司钻井绳数按该公司绞车“绳系与钩载表”(表312)选择与钻柱载荷相近的绳数确定的。 3.3钻井绳数与最大绳数、钢丝绳直径上文提到的绞车功率或钩功率只是一种能力确定，对绞车系统和游动绳系实现这一钩速与钩载要涉及一系列因素，如绳数、绳拉力、绳径、滚筒尺寸与旋转

25、速度、离合器扭矩等。这些因素如何比较优化地匹配，是具体设计时要确定的问题，但其中绳系是首要因素，它是决定其他因素的基础。由于钩速与钩载除与绞车输入功率成正比外，还与提升系统绳数有关，也就是说，要满足提升钻柱载荷达到要求的100120 ft/min的钩速标定在什么绳数下的问题，这就是钻井绳数的概念。它影响着钻机的性能，标准中需要确定这一参数。钻井绳数在美国没有统一规定， National公司设计准则是， 对1 000 hp及以上的绞车钻井绳数定为8绳， 用此绳数提升钻柱载荷设在第档上， Emsco公司也基本相近；在这样前提下，设计派生出各档、各绳数的钩载能力(见表312)。钻井时是否一定要用钻井

26、绳数?如果井身结构出现的载荷小于、等于或略大于钻柱载荷，为减少起下钻时间，提高钻井时效，一直使用钻井绳数是合算的；若出现的载荷很大或下很重的套管，是先用钻井绳数然后倒绳，还是一次穿到最大绳数，就要权衡地层复杂情况与时间得失由钻井工程来考虑。最大绳数是为取得更大载荷增益能力而设计的，确定多少根为宜?它除考虑钢丝绳安全系数及其他承载件允许条件外，还应考虑在滚筒上缠绳层数不要太多。因为当下技术套管(一般最重)倒到最大绳数时还要继续钻井，仍要进行起下钻作业，由于用最大绳数起28 m立根的缠绳量比钻井绳数多，导致在滚筒上缠绳层数多。按API RP 9B推荐作法要求，在滚筒上缠绕的钢丝绳最好不要超过3层。

27、所以确定最大绳数时要顾及层数原则(API RP 9B推荐：如果用一个合适的卡子，将活绳头卡紧在滚筒上，固定圈数有9圈就足够了，如果滚筒直径为660 mm或更大些，则5圈就够了。即在计算缠绳量时可不计绳长)。修订标准确定的钻井和最大绳数基本与美国主要公司一致，对比数据见表15。表15修订标准钻井和最大绳数与美国公司对比绞车功率P/hp2704505507501 0001 5002 0003 000 4 000中国NationalEmsco绳数n，分析了National各级绞车的绳径、滚筒尺寸与缠绳层数(第1层开始7圈不计绳长)，钻井绳数起28 m立根均在3层上，最大绳数起28 m立根不超过4层。

28、其他公司滚筒尺寸、绳径与National非常接近(见表16)，显然也不会超过3层或4层。 表16滚筒尺寸、绳径对比公司绞车型号输入功率P/hp井深H/m滚筒尺寸直径长度DLmm绳径d/英寸中国绳径dc/英寸National6107501 8293 048508110002 4383 6586351 245114114110M15003 3534 8776861 2451381381320M20003 9626 0967621 4291381121625M30004 8777 6209141 556112M300030009 1449141 575158，1341582

29、040E40006 09612 1921 0661 829158，22EmscoD-27602 1343 6585081 308D-3-1 0003 0484 4206031 270C-1-1 5003 6584 8776861 245C-2-2 0003 9267 6207621 473C-3-3 0004 8779 1448931 575IdecoH-9001 0002 0003 0005591 168118H-12001 2002 5004 0006351 270114H-17001 7003 0005 0007111 270114138H-30002 0004 0004 500最深91

30、41 562138112Dreco1000M1 0003 0484 2686351 2701141500M1 5003 9635 4886861 2701382000M2 0004 5736 7077621 4221123000E3 0005 4889 1469141 5741581344000E4 00015 2441 0661 8291342Qilwell7607462 1343 6586341 2648601 0443 0484 8777111 321M-20001 4926 0968131 441M-30002 2389 1449141 575OimeSD5-M9122 1343 35

31、35721 118118SD7-M1 2172 4383 6586351 270114SD9-M2 0283 9026 0966861 270138SD11-M3 0425 4867 6208131 422138158苏联7752 5007001 2001188983 0006508401181 0885 0008001 0301142 5168 0009301 540112按修订标准确定的绳径，以National的滚筒尺寸，对ZJ50型ZJ120型钻机起28 m立根缠绳层数进行计算，其结果如下：a)ZJ50型钻井绳数10，超过3层在4层上；最大绳数12，基本缠满4层。b)ZJ70型钻井绳数1

32、0，基本缠完3层；最大绳数12，缠在4层上。c)ZJ90型钻井绳数10，缠在3层上；最大绳数14，缠在4层上。钻井绳数12，基本缠完3层，最大绳数16，缠在4层上。d)ZJ120型钻井绳数12，缠在3层上，最大绳数16，缠在4层上。修订标准在处理ZJ70型钻机绳径问题上， 选取了 38 mm(11/2英寸)， 比National和Oime公司的2 000 hp绞车35 mm(138英寸)绳径要大(见表16)，从而将额定井深提高到7 000 m；对ZJ90型钻机的绳径采用了42 mm(158英寸)，比National1625M型3 000 hp绞车38 mm(11/2英寸)绳径要大，同时将最大绳

33、数增到16、最大钩载增到680 t，从而把原标准8 000 m钻机提到9 000 m。这些举措是恰当和必要的，满足了钻机提级的需要。3.4最大钩载与绳安全系数最大钩载是因设置了最大绳系而带来的承载增益。美国绞车提供的最大钩载是基于钻井绳数下，利用最低档(档)大于提升钻柱载荷档的载荷升值，再进一步通过最大绳数而得到的。计算公式为： Fmax=FDnmaxmax(nDD），式中，Fmax为最大绳数时绞车档钩载；FD为钻井绳数下绞车档钩载；nmax为最大绳数；nD为钻井绳数；max为最大绳数时游动系统效率；D为钻井绳数时游动系统效率。公式表明，在钻柱载荷及钩速档定位(定在几档、钻井绳数多少?)的基础

34、上，合理拉大最大绳数与钻井绳数间隔、档与提升钻柱载荷档的载荷比，能得到较多的载荷增益。National和Emsco公司的绞车档与提升钻柱载荷档的载荷比为1.62.2(见表312)。要说明的是，美国绞车提供的最大钩载，表示的是绞车本身可承受的钩载能力，不代表整个钻机的载荷能力，它将受到所配提升系统设备的载荷能力限制。National公司各级绞车最大钩载与该公司相应的游车载荷和绳数比较接近(见表17)，而Emsco公司绞车最大钩载要选大一级的游车才能与之最大绳数配套(见表18)。两公司提升设备均符合API Spec 8C载荷系列等级。表17National绞车与游车匹配游车型号A350B500B6

35、50A7501000滑轮数n5667677878API额定载荷W/tf318454590680908绳径D/英寸118，114138，112138，112，158158，134134，2绞车型号80B110M 1320M1320MM30002040E绳径d英寸114138 138138158 1342最大钩载Wmaxtf245355 4864866941 148最大绳数nmax101212121616对应轮数n56 6688表18Emsco绞车与游车匹配游车型号250TB350TB500TB650TB750TB875TB1000TB滑轮数n55667 888API额定载荷W/tf2273174

36、54590680794908绳径d英寸绞车型号D-3-C-1-C-2-C-3-C-3-绳径dt/英寸最大钩载Wmax/tf276418 543835835最大绳数nmax1214 141616对应轮数n67788我国钻机最大钩载是直接按照API Spec 8C相应的载荷等级圆整成尾数为0和5的值确定的。 就National所配提升设备载荷能力而言， 我国2 000 hp以上钻机的最大钩载不比该公司小。钢丝绳安全系数应遵循了API RP 9B推荐值要求，钻井时不小于3、下套管不小于2。通过计算，列出了我国各级钻机钻柱载荷和最大钩载的绳安全系数与美国的对比(见表19)。表中的绳公称拉力引至我国19

37、98年石油天然气工业用钢丝绳规范送审稿中表8超级犁钢数值。 表19钻柱载荷、最大钩载与绳安全系数对比国家或公司钻机或绞车型号绞车输入功率Php井深Hm绳数钻井nmax412英寸钻柱质量mt最大钩载Wmax/tf钻井快绳拉力Wkgf最大钩载快绳拉力Fmaxkgf绳径d英寸绳拉力Fkg绳安全系数n钻井下套管SY/T56091999ZJ102705001 000663060560011 1867836 0866.443.20ZJ154508001 500884590640012 755146 8917.323.67ZJ205501 2002 0008860135850019 13311859 021

38、6.943.08ZJ307501 6003 0008109017012 76019 83711472 4775.683.65ZJ401 0002 5004 00081012022517 00026 25411472 4774.262.76ZJ501 5003 5005 000101215031517 50031 4371388 70544.972.77ZJ702 0004 5007 000101221045024 50044 910112102 9564.202.29ZJ903 0006 0009 000121627067526 95054 487158119 2664.402.19ZJ1204 0007 50012 00012