油气田机械钻井平台匹配柴油机路谱分析_刘大鹏.pdf

2023.01建设机械技术与管理 87试验研究油气田机械钻井平台匹配柴油机路谱分析Road Spectrum Analysis of Matching Diesel Engine of Oil and Gas Field Mechanical Drilling Platform刘大鹏 张学超 澹台金耒 李伟大 姚仲成（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000）摘要：针对某 39L 柴油机匹配钻井平台的运行工况，采集柴油机的路谱数据，通过对采集的柴油机运行数据进行整理分析，了解柴油机在油气田机械钻井的运行工况，为油气田机械钻井用柴油机的开发及匹配提供参考。关键词：柴油机；机械钻井；路谱中图分类号：TE924 文献标识码:A随着社会生产、生活的需求不断扩大，为了满足社会各行各业发展的需求，石油、天然气必须持续不断地处于一种高储备、高产量的状态1，因此必须采用先进的机械设备和应用技术提高石油产量，本文通过对某机械钻井在榆林某油气田现场钻机的运行工况数据进行分析，了解石油机械用柴油机的运行工况，为后续匹配油气田机械钻井平台提供建议。1 油气田机械钻井系统介绍1.1 起升系统用于起升和下放钻具、下套管以及控制钻压，由绞车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环组成2。1.2 旋转系统用于驱动钻具旋转以破碎岩层，由水龙头、转盘、钻具组成。1.3 钻井液循环系统将钻井液循环到钻头再将其返回地面和再循环的设备，由泥浆泵、泥浆罐、地面管汇、泥浆净化设备组成。1.4 传动系统把柴油机组的动力分配到各个动力单元，由机械传动、电传动、液压传动、气压传动等组成。1.5 控制系统指挥各系统协调工作，由司钻控制台、各种控制阀门、离合器以及线路组成。1.6 动力驱动系统为绞车、转盘、泥浆泵提供动力，由柴油机或者柴油发电机组成。2 油气田机械钻井平台作业工况及设备信息2.1 油气田机械钻井作业工况描述石油钻井开始作业前首先进行地质勘探工作，确定油田类型以及钻井深度等相关信息，以便选择合适的钻井方案进行钻井。整个钻杆旋转动力来源于平台顶驱旋转，钻头在高压的泥浆液带动下高速旋转，从而对地层的岩石进行切削。2.2 钻井平台及发动机信息（详见表 1）表 1 钻井平台及发动机信息钻井平台型号60#井架钻井类型天然气钻井深度3200m单根长度9.8m柴油机型号某 39L额定功率/转速1000kW/1500rpm最大扭矩8000Nm最大扭矩转速1150r/min图 1 石油机械钻井平台动力总成DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.02388 建设机械技术与管理 2023.01 试验研究3 油气田机械钻井路谱分析3.1 转速扭矩分析截取机械钻井柴油机实际运行路谱中的一个工作循环，发动机转速固定维持在 1250rpm，如图 2 所示，分析路谱曲线得出如下结论：钻井，如此完成一个钻井循环。从图 3 可以看出，机械钻井用的柴油机主要有 2 个作业区域：(1)A 区域主要为钻井以及提升钻杆时的运行工况，此工况下主要为泥浆泵在工作，因此发动机的扭矩较大，占比约为 86%，且此时柴油机处于最佳经济区；(2)B 区域主要为更换单根时的等待工况，此工况下泥浆泵停止工作，油耗较高。从上述 2 个工况可以分析得出，当机械钻井处于作业以及等待工况时，均处于发动机外特性内，且在作业工况时，油耗处于最佳经济区，柴油机与钻井平台匹配极佳。图 2 转速-扭矩曲线图图 3 转速-扭矩分布图图 4 柴油机负荷率分布图正常钻井工况：绞车通过钢丝绳吊着主钻杆，同时在平台顶驱带动下旋转，钻井循环液在泥浆泵的作用下持续输入到井内，超高的压力驱动钻头高速旋转，铣削岩石，不断向下钻进，直到完成钻进一根钻杆的深度，停止钻进。此工况下发动机转速维持在 1250rpm，扭矩维持在 6300Nm 左右。提升主钻杆工况：钻完一根后，顶驱停止转动，此时绞车反向旋转，钢丝绳往上提升主钻杆，直到提升一根主钻杆的高度，通过平台的卡钳，卡住主钻杆。此工况下，顶驱停止瞬间，发动机扭矩瞬间降低 5000Nm 左右，在绞车反向旋转时，扭矩提升到 6000Nm 左右，转速降低至1200rpm，接着恢复至 1250rpm。加装单根工况：卡钳将主钻杆卡住在钻井平台后，泥浆泵停止工作，卸掉管汇中的压力，通过液压钳将方管与单根脱开，接着将附近的单根提升至钻井平台上，安装到主钻杆上，同时开启泥浆泵，对整个管汇进行试压。此工况下，当泥浆泵停止工作的瞬间，扭矩瞬间降低至 700Nm 左右，转速突升至 1300rpm 后恢复至 1250rpm；在提升单根以及开启泥浆泵的瞬间，扭矩提升至 5000Nm，转速降低至1100rpm 后恢复到 1250rpm。当整个管汇试压完成后，绞车开始吊着钻杆下降，待下降至方管与顶驱啮合位置时，顶驱旋转带动钻杆开始继续3.2 负荷率分布从图 4 可以可看出柴油机的负荷率负荷率呈现两端分布，集中在 40%附近与 75%附近，6080%之间的负荷率占比最高，其余工况下的负荷率较低。4 总 结通过对机械钻井平台匹配柴油机的运行数据进行分析，柴油机设置为恒转速 1250rpm 运行，负荷率主要集中在60 80%之间。且当机械钻井平台处于作业工况时，柴油机处于最佳经济区，充分发挥了柴油机的经济性优势。综上，对于机械钻井用柴油机建议使用负荷率在60 80%之间，让机械钻井在作业工况处于柴油机的最佳经济区内，以提高柴油机的经济性。参考文献1 钱海洋.石油钻井工程技术的应用研究 J.中国科技纵横,2022(3):3.2 范强,孟海玉,杨涛,等.石油钻井与柴油机的匹配研究 J.建设机械技术与管理,2019,32(7):2.收稿日期：2022-08-31作者简介：刘大鹏，硕士，工程师，主要从事工业动力用发动机应用开发方向的研究。