钻井平台设备详解(1).pdf
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1、钻井设备-Swivel&Top driver前面我们已经知道了,钢丝绳穿过定滑轮组和动滑轮组,动滑轮组因此可以上下自由的运动。但是问题出来了,上下垂直方面可以很方便的运动,但是我们钻井,还需要旋转的力,也就是钻杆是旋转的,我们的滑轮组不可能跟着一起转,否则之间的钢丝绳估计会绞得像麻花。这是 swivel 的其中的一个作用,同时我们也知道,钻井需要钻井液,试着想一想,钻杆在哪里高速的旋转着,我们如何把钻井液-泥浆送到钻杆的中空的空间去呢?这是swivel 的另外一个重要作用-泥浆进入钻杆的最初的通道。如下图,泥浆经高压软管鹅颈管goose neck 进入 swivel。要起到以上两个作用,swi
2、vel 的结构就基本上知道一二了。如下面的彩图,在 swivel 的本体中,下部的杆swivel stem通过滑动轴承-锥形和本体形成相对运动,本体同时承受侧向力和向下的拉力。同时杆的顶部和本体上部形成密封空间,泥浆经鹅颈管进入此密封空间,在经空心的杆进入钻杆。空心杆下部为 API 螺纹接头,可以和钻杆拧接。好了,我们现在可以把swivel 改造一下-给它加上能够使 swivel stem旋转的动力。如何改造,很简单,加电机和齿轮。怎么加?我们可以想象一下,既然要使swivel stem旋转,那么我们在swivel stem 上加一个大的齿轮,如同汽车的轮子一样,中间杆是swivel stem
3、,轮子是齿轮。在齿轮的一侧再加一个由电机带动的齿轮,它们啮合在一起。这样一来,swivel stem就可以在电机的带动下旋转起来。同样地,为了平横侧向力,以及增加旋转的扭矩,在齿轮的另一侧也加一个电机带着的齿轮。下图是齿轮箱:然后加上必要的润滑设施和结构部分,以及导向机构。它有了一个新的名字Top driver,也叫 power swivel。很显然,Top driver与 swivel 的区别,swivel 是它的一部分。事实上,Top driver 要比上面写的复杂的多。除了 swivel以外,它还包含以下几个部分:1.pipe hander -用于处理钻杆。2.riser hander-
4、用于处理隔水套管riser 3.Extractable dolly-用于 Top-driver的导向,它使得 top driver可以在 derrick上的导轨上自由上下滑动。4.Torque wrench-可以提供 360 度的旋转力。钻井设备-Traveling BlockTraveling Block在前面已经提到,是动滑轮组。在钢丝绳的拉动下,它可以上上下下的 traveling,如下图中的红色部分实际的照片,看起来好大。来自NOV;定滑轮组和动滑轮组之间的绕线非常重要,要综合一下几个方面:1.钻井绞车 draw works 的绞盘上的钢丝绳与定滑轮组的偏角,以及定滑轮和动滑轮之间的偏
5、角,以减小钢丝绳的磨损。2.定滑轮组和动滑轮组之间的平衡。3.方便更换钢丝绳。4.Deadline 和 deadline anchor的位置。钻井设备-Crown blockCrown block的中文意思就是安装在钻井架derrick顶部的滑轮组。我们都知道,钻杆都是靠钢丝绳通过滑轮组,吊在钻井架里面的。很显然,一根钢丝绳的抗拉能力不足以吊起几千米长的钻杆。简单的方法就是利用滑轮组来减少单根钢丝绳的受力。力学原理参见初中物理课程。下图就是一个典型的Crown block,右边的滑轮组单独拿出来显示。根据钻井的深度,定滑轮组中有6-8 个滑轮,如果是 8 个定滑轮,那么加上动滑轮组 trave
6、ling block中 8 个动滑轮。钢丝绳经过这么一绕,就有相当于把力分配到了 16 根钢丝绳上,大大减少了单根所受到的力。但是,深海钻井架上的crown block结构绝没有那么简单,它还包含了一套钻杆补偿装置,或者说crown block是补偿装置的一部分。如下图所示,图片来自于 Aker 公司产品目录。这个补偿装置可以减少钻头上受力波动,因为浮式钻井平台的特点。它的结构由以下几个部分组成:定滑轮组 crown block,两个摇臂 rocker arm,两个气缸 cylinder,以及液压控制系统。Cylinder的活塞杆与中间的定滑轮相连接,另一端固定在井架上。钢丝绳通过摇臂进入定滑
7、轮组以及动滑轮组,绕线完毕后,经另外一个摇臂出来。顺便提一下,钢丝绳由一个叫钻井绞车draw works 的设备拉着,这一侧的钢丝绳叫 fast line 另一端通过滑轮组绕线后,固定在一个叫deadline anchor,这一侧的钢丝绳叫dead line。国内钻井有些翻译成“快绳和死绳”,似乎有点望文生义的感觉,怪怪的。这样一来,通过控制绞车的转动就可以控制traveling block的升降了,自己思考一下。控制系统包括液压单元HPU,高压气瓶 APV,控制板 Control panel,蓄能器 Accumulators,隔离阀 isolation valve,作用如同前面文章中提到的s
8、hut off skid。再深入一点,值得一提的是,海底设备经常需要钻杆,隔水套管来进行安装。为了确保施工的精度。试想一下,当我们把BOP或者采油树 X-Mass tree 安装在几千米长的隔水套管或钻杆下面的,准备安装在井口的时候,如何保证 BOP或采油树不上上下下的起伏运动呢?钻井设备-Derrick从今天开始,我想从自己对钻井设备的认知,参考一些相关的书籍,介绍一下钻井设备。这部分内容对于绝大多数初学的朋友来讲,都是相对比较陌生的。就是我们常说的钻井包 Drilling package。国内新造的钻井平台中,我个人估计有 80%以上都是国外公司给的设计,这其中有我们熟悉的两大巨头,NOV
9、 和 AKER。钻井设备这一块,在整个海洋平台的费用上占几乎一半的价格,利润非常可观。我想通过我的介绍,能给朋友们一点有益的启示。至于深入的研究,设计,我们国家还有一段的路要走,我希望自己的民族企业能够争一口气,我们会在这一领域越来越强。在这个专题的最后,我想再讲一下钻井设备如何布置,怎么才比较合理。钻井设备,它含括了井架、钻具、提升装置、旋转装置、钻杆&套管&隔水管操纵装置、泥浆处理装置、控制监测装置、油井测试装置、固井完井装置、井口装置、补偿装置、安全装置、等。我们可以一个一个地介绍,但是首先说明一点,这些认知均源于本人对设备的理解,不能保证全部正确。如果有不足的地方,希望能得到批评指正。
10、首先,井架结构Derrick,井架承担了钻井过程中所有钻杆的提升重量,同时它又给钻井提升装置,Crown block(天车),Traveling block(游动滑车);旋转装置 Top driver,以及立管装置 stand finger board,belly board,提供了安装位置。所以derrick的强度和疲劳计算非常重要,软件 SACS 是个不错的工具,有兴趣的朋友不妨试试。Derrick,经过多年的发展,出现了很多类型。如下图所示的dual ram rig,来自于 MH,它有如下特点:重心和重量比较低,效率和安全程度相对高,也有传统的单井架,双井架结构双井架结构相对于单井架结构
11、来讲,它具有两套配置,可以提高钻井的效率。井架的尺寸,由于海洋和陆地的钻井情况不同,井架的尺寸也不一样。平台上的井架高度不会超过200 英尺,多在 150 英尺左右,高度取决于Traveling block 和 hook 所占的安装位置以及一个stand 所需要的高度。注:stand 又叫 thribble,就是三根相互连接的钻杆,大约长90 尺。较大的 derrick的基部尺寸大约在 50 X 40,取决于平台钻台设计尺寸。Helicopter refueling system 直升机加油系统我们都知道远离陆地的海上钻井平台身处茫茫大海中,它们不会像船舶一样可以经常靠泊港口,进行人员的轮岗调
12、休。平台上面的工作人员都是要用直升机作为交通工具。他们幸苦几个月,然后就可以休息几个月。我们现在讲的直升机加油系统就是给直升机补给燃油(航空煤油)的系统,这个系统可分为以下几个部分:1.燃油存储罐,Aviation fuel oil transportable tank,用于存储航煤。2.燃油输送泵,电动或气动泵。把油从罐子里面抽出来,排入配给单元。3.燃油配给单元,如同加油站里面的加油装置一样,含油计量,过滤,软管,加油枪等。通过加油枪加注到直升机油箱中。4.控制面板。控制,监测加油系统。如下图所示:顺便提一下,直升机加油单元属于危险区域,需要水喷淋保护。.切 屑 处 理 系 统cuttin
13、g handling system,也 叫 废 物 处 理 系 统。之前提到的在钻井过程中,由泥浆带上来的切屑回到了地表。经过了泥浆的处理系统,这部分cutting被分离出来。那么这些cuttings该如何处理呢?这就是这个系统。一般地,有三种方式:1.直接排到海中,dump to sea directly 2.回 注 到 海 底 的 岩 土 中,也 是 我 们 常 说 的cutting re-injection 3.暂 时 存放 起 来,由 服 务 船 舶 拖 回 到岸 上 处 理。我们一个一个来说,首先,直接排海,海洋似乎真的就是一个大的垃圾场。我见过很多船舶直接把各种各样的垃圾,包括油桶
14、,含油棉纱,油漆桶,生活废品在公海被统统掉了(中国的海洋环境保护刻不容缓)。这个方法最简单,最经济。如果说想要对海洋环境的进行最大限度的保护。当水基泥浆作为钻井液的时候,我们可以采用这个方法,毕竟在深海环境中,成堆成堆的垃圾没有足够的地方放。但是不要以为水基泥浆作为钻井液钻出来的东西对海洋环境没有污染,很可能这些东西无法降解。如何排放,我们知道在泥浆处理区域,具体地来讲,shaker 的筛面排出区,有一个钢结构的槽,也叫dump trough,控制翻板来控制 是 否 直 接 排 海。如 果 是,通过 大 口 径的 通 道 dump line落 入 海 中。再次,cutting re-injec
15、tion,听起来是一个不错的方法,切屑从哪里来,再回哪里去。通过往切屑里面加入海水,形成slurry,在经过泵打入海底。对于海洋钻井来说,这个方法实施起来要相对困难很多。首先,必须要一根长长的管子能作为通道。第二,浆的浓度控制。第三,cutting 产生的速度,也就是相对应的回注速度控制,必要的话,需要一个缓冲舱。基于以上原因,事实 上 在 新 造 的 海 洋 钻 井 平 台 中,这 个 方 法 貌 似 不 常 见。最后,回岸处理。前面提到控制翻板开控制是否排海,如果否,翻板会使得 cutting 滚落到一个螺旋传输器auger 上,cutting会顺着 auger 到达处理甲板上的处理区域。
16、一般地,会首先进入到干燥器里面,干燥后的cutting 被另外的螺旋传输器送到cutting 存储箱 s 中,s 表示多个。这样一部分含在cutting中的 mud 在经过离心机通过转速差再次分离,最后回到循环系统。现场照片如下:记得之前有在其他文章中放一张图片。讲得很清楚。上图 4 的真实图片。快关阀系统,顾名思义就是能够迅速把相关阀门关闭的系统。首先我们得确定哪些阀需要快关。规范规定所有燃油日用,沉淀,润滑油柜对设备进行供油的管路上必须要安装有快关阀。这样,在火灾发生的过程能够在舱室外迅速关闭油路。顺便提一下,在上述舱柜上承受静压的阀门,阀体需要有足够的韧性,并且是能够关死。这些快关阀本身
17、带有压缩的弹簧,通过一个小鍥子卡在打开的位置上,一旦需要关闭阀,移开鍥子就可以了。现在我们控制的就是移开鍥子。通过压缩空气瓶,或者手拉钢丝绳可以实现这个目的。值得注意的是,应急系统快关阀系统需要独立。气瓶的容量必须要能够使系统中所有的阀门同时关闭,记得好像是3 次。高压冲洗系统和甲板泄水系统这两个系统挺简单的,所以放在一起大致讲一下:对于高压冲洗,就是对于通过高压泵组建立高压约100barg,利用淡水对甲板进行冲洗,或者进行其他的用途。这个系统属于服务系统,和日用空气系统相似。不做过多描述。甲板泄水系统,这个甲板泄水系统和舱底水系统不同。虽然都是疏水,作用一样,但目的不同。1、舱底水系统是保证
18、舱室干燥,没有积水,保持水密舱室的完整性。2、甲板泄水系统是保证露天甲板没有积水,保持甲板干燥。值得注意的是我们需要对不同区域不同对待,所谓的危险区域,和非危险区域。这个非常重要。对于舱底水系统也必须考虑这个。所谓危险区域,表示这个区域有可燃气体,说明这个区域存在油类。国际上对于海洋防污染是很严格的。所以对于危险区域的存在污染的泄水需要进行处理后才能排放到大海。泥浆混合系统,mud mixing system,和 additive system 一起不可分。在混合的过程中,加入添加剂。就混合和循环系统而言,船级社把这两个系统作为“重要系统”,而它们的应急系统被定义为“基本系统”。混合系统大致描
19、述一下:1.正常混合:泥浆混合泵 mud mixing pump 从 泥坑 Mud pit 里面抽出泥浆,泵送至泥浆混合室(通常是是散装物料储存室,便于叉车操作)。在之前提到的 surge tank 的下方,安装有一个类似喷射泵的混合装置feeder,经过泵加压的流体通过混合装置,需要添加的粉状物质在局部真空的作用下被吸入,混合。然后返回 mud pit。在这个过程中,必要的添加剂被一个叫化学物质添加器的装置加入到管路中,和泥浆一起返回。在这个过程中,有一些设备他们分别是Big Bag Unit,Sack Cutting Unit,Surge Tank Feeder(链接来自于 Step Of
20、fshore,著名泥浆处理系统供应商),详细资料可以进入他们的主页查询。2.应急混合:在这种情况下,就是直接往mud pit 里面注入泥浆粉。需要用到的设备就是一个叫high-rate mixer安装在 mud pit 顶部的装置,动力源也是泥浆混合泵。不同的是,泥浆粉直接来自于bulk system。下面是它的外形图:系统作用,调节,混合所需要的泥浆,无论是油基还是水基。液压系统,hydraulic oil system。为什么需要这个系统?平台上有很多设备都是液压驱动的,液压驱动有它固有的优点,相比于电气或其他驱动,可靠性,功率密度,精度,可控性,载荷量,维护等都非常有优势。所以平台上,特
21、别是钻井操作的工具,机械设备绝大多数都是液压驱动的。这个系统的很简单,(请注意:海洋工程设计的是整体的系统,而非某个具体的部件,这是要强调的。)核心就是 hydraulic power unit 简称 HPU 图中是一个很紧凑的HPU,有 7 个马达,功率也是非常大的,适合在我们的平台上使用。学过机械设备的朋友都知道,液压系统分为所谓的开式和闭式,开式系统的液压油和大气相通,容易氧化,带有油箱,闭式系统,直接就是进油回油循环。以前学的东西,如有错误请指正。我们现在不关心这些,因为HPU不是我们设计的,直接买回来就可以用了。接下来的是我们的系统设计就需要检查设备的图纸,核算设备的capacity
22、是否足够,是否满足所有驱动设备的排量。通常地,液压系统有3 种重要管线,pressure,return,drain,也就是动力油,回油,泄油。pressure 用来直接驱动设备,压力很高,达到3000psi,也就是 207 bar。对管路以及附件都要能够承受这个压力,设计的时候请注意。return,从设备上回来的油,液压油不可能有去无回,(否则一是污染,二是银子),压力要低很多。可能只有15bar 左右。drain,从设备泄油口出来的,比如压力过高从溢流阀出来的,压力只有6bar。也就是这 3 条总管,为了安全考虑,可以做成环线。HPU 就是给这 3 条环线供油,回油,泄油。其他的设备就像是树
23、干上的树枝一样,连接在这3 条环线上,取出自己所需要的液压油。这些设备,有很多,以后会在钻井平台设备专题中讲到。消防-几种固定式喷水灭火系统关于各种水喷淋,水雾灭火系统:之前在我的文章中提到了各种水喷淋灭火系统,很多朋友对这几个系统感到很困惑,现在对它们进行详细的解释。它们分别是:1.Water Spray System(Deluge system)2.Water Sprinkler Systems3.Water Mist Systems这几个系统有一个共性,它们都是固定灭火系统,都是采用喷水的方式进行灭火。但是它们依然有各自的特点。先介绍一下water spray system,它相对于其他
24、两个系统来讲,最大的区别在于这个系统要由人工启动,开放式喷嘴(也就是说平时的时候喷嘴里面是没有水的)。主要用于露天危险区域保护。它通常也叫deluge system,deluge 的英文意思是洪水,浸没。从字面上的意思就是用大量的水一直对失火区域进行喷淋,以冷却的方式灭火,这一来我们现在就很显然知道为什么它主要用于露天区域灭火。否则,舱室里面排水可能来不及。既然是大量的水,就需要源源不断的水源,这也就这个系统需要用海水作为灭火剂的原因。系统由海水供给泵,deluge 阀,管路,喷嘴,组成。在海洋平台设计中,海水供给泵直接就可以用海水消防泵,也就是说,deluge system 实际上是作为消防
25、系统的分支管路,与消防栓不同的是,这里是用的deluge 阀和喷嘴。Deluge 系统的喷嘴,形成的水滴相对很大,下图就是典型的灭火效果。deluge 阀,事实上是一个减压阀,通过电磁阀控制deluge 阀的开关,来控制是否喷水。这个系统在钻井平台上主要用于一下几个区域的灭火,直升机加油站区域,测井区域,节流压井管汇区域,整个钻台区域。MODU,USCG,FSS,NFPA这几个规范有对系统设计的要求,摘录几条重要的:1.A fixed water spray system is to be installed for the process equipment.The intent of th
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