石油钻机型式与基本参数标准

《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GB1806—79，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1GB1806—79与苏76*和罗75*标准的最大钩载对比注：*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2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41／2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41／2英寸钻杆为好，但绞车产品已经形成，所以仍沿用原来的41／2英寸钻杆所标定的井深。

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“41／2”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3～12。

它们摘至1998-1999年National-Oilwell样本和1986-1987年Emsco公司样本，供参阅。

表3National-Oilwell公司绞车载荷参数(表3～8)80B(机械驱动M)、80UE(电动E)(1 000 hp 12 000 ft)表4110M、110UE(1 500 hp 16 000 ft)表51320M、1320UE(2 000 hp 20 000 ft)表61625M、1625DE(3 000 hp 25 000 ft)表7M-3000、E-3000(3 000 hp 30 000 ft)表82040-E(4 000 hp 40 000 ft)表9Emsco公司绞车载荷参数表(表9～12)D-3-Ⅲ(机械驱动M)、D -3-Ⅱ(电驱动E)(1 000 hp 14 500 ft)表10C-1-Ⅲ(M)、C -1-Ⅱ(E)(1 500 hp 16 000 ft)表11C-2-Ⅲ(M)、C -2-Ⅱ(E)(2 000 hp 25 000 ft)表12C-3-Ⅲ(M)、C -3-Ⅱ(E)(3 000 hp 30 000 ft)*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41／2英寸钻杆中间壁厚带接头质量27.5 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3～12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c)额定井深钻柱质量的提升钩速要满足0.5～0.6 m/s(100～120 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］ηT＝k(1－kn）／［n（1－k）］式中，k为1根绳和滑轮效率；n为悬吊绳数。

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(Ⅰ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1／2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0.15～0.2m/s，30～40 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3 660～4 420 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0.50～0.63 m/s(98～124ft/min)。

钩速按下式计算。

vH＝75PR．ηDW．ηT／FH＝75PH／FH，式中，vH为大钩提升钩速，m／s；PR为绞车额定输入功率，hp；PH为大钩钩功率，hp；ηDW为绞车机械效率，取0.904；ηT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41／2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107，118，108，98，98，114，110，124，124 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注：*两公司钻井绳数按该公司绞车“绳系与钩载表”(表3～12)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100～120 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Ⅲ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3～12)。

钻井时是否一定要用钻井绳数?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。

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φ660 mm或更大些，则5圈就够了。