石油钻机型式与基本参数标准.docx
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石油钻机型式与基本参数标准
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1 GB1806—79与苏76*和罗75*标准的最大钩载对比
井深H／m
2000
2500
2800
3000
3200
4000
4500
5000
6000
6500
7000
8000
10000
最大
钩载
W/tf
GB1806－79
120
220
300
400
600
苏76*标准
120
140
170
200
250
320
400
罗75*标准
100
125
200
320
400
500
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
钻机级
别型号
GB1806－79
ZJ20
ZJ32
ZJ45
ZJ60
ZJ80
GB1806－86
15
20
32
45
60
80
1999修订
10／600
15／900
20／1350
30／1700
40／2250
50／3150
70／4500
120／9000
钻
深
H／
m
5英寸*钻杆
GB1806－79
2000
3200
4500
6000
8000
5英寸*钻杆
GB1806－86
900～1500
1300～2000
1900～3200
3000～4500
4000～6000
5000～8000
5英寸*钻杆
1999修订
500～800
700～1400
1100～1800
1500～2500
2000～3200
2800～4500
4000～6000
5000～8000
7000～10000
41／2＂
钻杆
500～1000
800～1500
1200～2000
1600～3000
2500～4000
3500～5000
4500～7000
6000～9000
7500～12000
最大
钩载
W／tf
GB1806－79
120
220
300
400
600
GB1806－86
90
135
225
315
450
585
1999修订
60
90
135
170
225
315
450
675／585
900
绞车最大
输入功率
P/hp
GB1806－79
550
1000
1500
2000
3000
GB1806－86
450
700
1000
1500
2000
3000
1999修订
270
450
550
750
1000
1500
2000
3000
4000
滚筒钢
丝绳直径
d/m（英寸）
GB1806－79
28.5
32.5
32.5或34.5
34.5
39.5
GB1806－86
26
28.5
32.5
34.5
38
41.5
1999修订
22／7／8
26／1
29／11／8
32／11／4
32／11／4
35／13／8
38／11／2
42／15／8
52／2
游动系
统绳数
ndmax
GB1806－79
8／8
8／10
10／12
10／12
12／14
GB1806－86
8／8
8／8
8／10
10／12
10／12
12／14
1999修订
6／6
8／8
8／8
8／10
8／10
10／12
10／12
12／16，10／14
12／16
钻台
高度
h/m
GB1806－79
2.8
4.2～4.5
4.5（6）
6
8～9
GB1806－86
3，4.5
4.5，6，7.5
6，7.5，9
7.5，9
1999修订
3，4
4，5
5，6，7.5
7.5，9，10.5，12
钻井泵单台
功率不小于
Pd/hp
GB1806－79
350，500
800，1000
1000，1300
1300，1600
1600
GB1806－86
350，800
800，1000，1300
1300，1600
1600
1999修订
350
500
800
1000
1300
1600
1600
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1891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%，Emscoo13.9%,Ideco10.7%，OilWell8.25%，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3 National-Oilwell公司绞车载荷参数（表3～8）
80B（机械驱动M）、80UE（电动E）（1000hp12000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
6
156
1
5
136
89
93
52
45
36
25
30
8
202
189
177
116*
120*
68
59
48
32
39
10
245
227
216
141
145
82
73
59
39
45
表4 110M、110UE（1500hp16000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
8
250
227
205
145*
145*
1
0
82
57
39
52
10
305
275
248
177
177
123
98
68
48
64
12
355
323
291
207
207
143
114
80
57
73
表5 1320M、1320UE（2000hp20000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
8
353
300
291
186*
189*
116
123
70
4
77
10
418
366
355
227
230
141
150
86
55
93
12
486
427
414
264
268
159
173
100
64
109
表6 1625M、1625DE（3000hp25000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
8
484
400
341
223*
250*
148
159
105
68
98
10
591
489
414
273
305
180
193
127
82
120
12
691
568
482
318
357
209
227
145
95
141
14
784
645
550
359
405
239
257
168
109
159
表7 M-3000、E-3000（3000hp30000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
8
400
400
286
199
200
141
148
100
67
82
10
488
488
343
239
241
165
177
120
81
100
12
556
556
398
275*
277*
190
205
139
94
116
14
624
624
446
309
311
213
229
155
105
130
16
694
694
496
344
346
237
255
173
117
145
表8 2040-E（4000hp40000ft）
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/tf
8
663
400*
220
133
10
799
482
265
160
12
925
558
306
185
14
1040
629
345
208
16
1148
693
380
230
表9 Emsco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）
（1000hp14500ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
6
154
155
105
71
64
47
34
32
21
20
8
198
198
135*
91
82
60
44
41
27
25
10
238
239
162
109
98
73
53
49
33
30
12
276
277
180
127
114
84
62
57
39
35
表10 C-1-Ⅲ（M）、C-1-Ⅱ（E）（1500hp16000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
8
266
266
180
120
127
81
69
54
36
34
10
321
321
217
145*
154*
97
84
66
44
47
12
371
371
251
168
178
113
97
76
51
54
14
418
418
282
189
200
127
109
86
57
61
表11 C-2-Ⅲ（M）、C-2-Ⅱ（E）（2000hp25000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
8
346
346
254
167
144
109
85
71
46
46
10
417
417
305
201
173
132
101
85
56
56
12
482
482
353
232*
200*
153
117
99
65
65
14
543
543
398
262
226
172
132
112
73
73
表12 C-3-Ⅲ（M）、C-3-Ⅱ（E）（3000hp30000ft）
滚筒轴离合器
低 速
高 速
档 号
低档
Ⅱ档
高档
低档
Ⅱ档
高档
M
E
M
M
E
M
E
M
M
E
悬吊绳数
下提升载
荷能力
W/tf
10
581
581
398
271*
258*
185
146
126
86
82
12
673
673
461
313
298
214
169
146
100
95
14
758
758
519
353
336
241
291
165
112
107
16
835
835
572
389
370
266
210
182
124
118
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27.5kg/m（18.5lb/ft）加钻铤后，平均以30kg/m（20lb/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30kg/m计算）。
表13 k取值游动系统效率对比
悬吊绳数
Nationalk＝0.972
API（Emsco）k=0.960
4
0.927
0.908
6
0.894
0.874
8
0.882
0.842
10
0.857
0.811
12
0.835
0.782
14
0.812
0.755
16
0.780
0.728
c） 额定井深钻柱质量的提升钩速要满足0.5～0.6m/s（100～120ft/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735kW（1000hp）及其以上的绞车，钻井绳数一般采用8或10绳；功率为550kW（750hp）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735kW（1000hp）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，钻井时起一28m（93ft）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550kW（750hp）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，30～40ft/min）。
3 1999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1000hp绞车定为3660～4420m，1500hp定为4900m，2000hp定为6100～6700m，3000hp定为9144m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0.50～0.63m/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=30kg/m×该额定井深；对5英寸钻杆FH=36kg/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107，118，108，98，98，114，110，124，124ft/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n
41／2
英寸钻
柱质量m/t
41／2英寸
钻柱钩速v
5英寸
钻柱钩速v
m．s－1
ft．min－1
m．s－1
ft．min－1
SY／
T5609
—1999
ZJ10
270
500～1000
6
30
0.545
107
0.57
112
ZJ15
450
800～1500
8
45
0.598
118
0.53
104
ZJ20
550
1200～2000
8
60
0.548
108
0.51
100
ZJ30
750
1600～3000
8
90
0.498
98
0.50
98
ZJ40
1000
2500～4000
8
120
0.498
98
0.50
98
ZJ50
15
0
3500～5000
10
150
0.581
114
0.54
106
ZJ70
2000
4500～7000
10
210
0.553
110
0.54
106
ZJ90
3000
6000～9000
12
270
0.629
124
0.59
116
ZJ120
4000
7500～12000
12
360
0.629
124
0.63
124
610
750
1829～3048
6*
91
99
80B
1000
2438～3658
8
110
107
National
110M
1500
3353～4877
8
146
升级会员 