钻井设备- Derrick2009-07-14 11:52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 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。

       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， Traveling block ；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，经过这个多年的发展，出现了很多类型。如下图所示的 dual ramrig，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。钻井设备- Crown block2009-07-15 09:20      Crown 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traveling 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，或则说 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 drawworks 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 shut 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或则采油树 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- Traveling Block2009-07-17 17:05Traveling 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 drawworks 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角，以减小钢丝绳的磨损。

2. 定滑轮组合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- Swivel & Top driver2009-07-17 17:11什么是 swivel？前面我们已经知道了，钢丝绳穿过定滑轮组和动滑轮组，定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，swivel 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， 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 ---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。

此设备的具体细节，请参考供应商的资料。钻井设备- Belly board & Finger board2009-07-29 12:10严格地来讲，Belly board 和 Finger board 似乎更像是一种结构，只不过它有一部分运动部件。

它们是什么？有什么用？

我们已经晓得了为了提高钻进的效率，钻井工人都会把 3根钻杆（也叫一个 stand）先连接

起来，竖直放在钻井甲板上的一个区域上，这个区域叫 setback area。现在一个问题就出来了，钻杆和套管是圆柱形的，如果就那么靠在井架上，肯定很容易倒，出现伤人事故。怎么办？首先我们就会想到，如果把钻杆或套管的上部固定住，那么就不会倒了。那么怎么固定呢，而且固定后，它们还要很容易地取出来？

一起来看看它的结构，Finger board 的图片 如下（图片来源于网络）：

Belly board 与 finger board 不同的是，他们的所处的位置不同，belly board 位置低一些，正好能够卡住 pipe stand 的在“腹部”，形象地有了这个名字。Finger board卡住的

是 stand 的“脖子”。我还在奇怪它为什么不叫 Neck board 。

        很显然，它们主要有以下几个部分组成：

1、结构部分，上图除了“红色指头”的白色部分，它起到支撑钻杆，安装 finger。

2、Finger，“机械指头”，它们由小小的气缸驱动打开，弹簧关闭。可以看看下面的图片，仅供参考。

3、电磁阀组控制系统。  

     

除了卡住钻杆用的，类似的这种结构也用来卡住其他的竖直放立的圆柱形的物体，如套管casing，隔水套管 riser。它们的名字都叫 Finger board。