顶部驱动模拟修井装置.doc

第1章 概述 1.1 课题研究主要内容 本课题研究的主要内容是设计石油钻修井模拟实验平台的顶驱系统。首先要明确顶驱装置的分类、组成结构和工作原理，收集世界主流顶驱系统产品的相关资料，加深对顶驱装置的了解和认识；然后借助Solidworks实体制图初步设计顶驱系统的结构，并实现该装置的工作模拟；最后完成对顶驱装置各个零、部件的强度校核并绘制总装图、部件图和零件图。 1.2 课题研究的目的和意义 通过该课题的研究，对于实现钻修井的自动化操作，降低工人的劳动强度具有重大的意义。顶驱装置可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，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作,它显著提高了钻井作业的能力和效率。从世界钻井机械的发展趋势上看，为适应钻井自动化的进步需求，顶部驱动钻井装置，必将成为世界钻井机械发展的重要方向，它符合钻井自动化的历史潮流。据悉，目前我国赴国外工作的钻井队，如钻机上未安装顶部驱动钻井装置者，投标竞争中将不允许中标，可见对顶部驱动钻井装置的研究与设计具有积极的意义。 第2章 顶驱装置的发展历程 2.1 什么是顶部驱动钻井装置 顶部驱动钻井装置TDS (TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功、正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。它可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，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作,它显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。目前在世界上不少国家的大、中型钻机上，将它用于打中深井(井深L = 2000~4500 m )、深井(井深L = 4500~6000 m )、超深井(井深L =6000~9000 m)的日益增多。 2.2 历史性的新跨跃 20世纪初，美国人首先应用旋转钻井法钻油井获得成功，常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进，较顿钻是历史的飞跃。据统计，在美国有63%的石油井是用旋转钻井法打成功的，转盘钻井方式立下了历史性的巨大功劳。但在延续近百年的转盘钻井方式中，它也有两个突出的矛盾未能得到有效解决。其一，由于起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。其二，由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工效率低，劳动强度大。而所谓的顶部驱动，则是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部的水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液。因而，由于各种原因引起的遇卡遇阻事故均可以得到及时有效的处理。同时，可以进行立根钻进，大大提高了钻速，平均提高钻井时效25%左右。国外于1982年采用顶部驱动钻井装置第一次成功地钻了一口井斜320、井深2981 m的定向井，之后，迅速发展，不仅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000 m钻机上也开始大批应用，全世界陆续已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆上使用，显示了势不可挡的强劲势头。 2.3 顶驱系统的特点 2.3.1 顶部驱动钻井装置的优点 2.3.1.1 节省接单根时间 利用转盘旋转钻进时，方钻杆一面被转盘推动旋转，一面又可通过转盘上的方补心向下送进。方钻杆长约9m，故方钻杆钻完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。而顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束，也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦，一代之而起的是利用立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省钻井时间。来做一个测算，若钻进305m中每一次连接单根的平均时间为1m分钟，那么用立根钻进就可减少221分钟的连接的接单根时间。换言之，这相当于可节省约4h左右的时间用于钻进。单根接成立根一般可以在空闲时，如注水泥候凝或换钻头下钻时进行。对于撬装钻机来说，还可节省将立根卸成单根的时间。 顶部驱动钻井系统与立根排放器联合使用，可以在立根内进行反向扩眼。立根排放器在井架里进行卸扣作业可以使所有钻杆在井架中排立，同时，还能全面控制循环作业和转动作业。除此之外，采用顶部驱动钻井系统进行起下作业，特别是在负压钻井时，允许有少量的自井壁渗漏的天然气积累。而使用单根钻杆卸扣时，在停钻到开钻这段时间内，自井壁渗人的天然气向顶部移动造成井口压力增加，从而使钻井作业停下，只有等到这部分天然气循环出钻井系统后钻井作业才能重新进行。这是采用单根钻柱钻井作业耗费时间的另一方面。 2.3.1.2 倒划眼防止卡钻 由于具有可使用28 m立根倒划眼的能力，所以该装置可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转将钻具提出井眼。