旋转提升短节钻井工具开发与应用

王小红，廖志勇，李占柱

（川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西西安 710018）

0 引言

在钻井作业现场，安装、拆卸钻铤是一件很费时、费力且需要多人配合有一定安全风险的工作，不管是否配备顶驱，都存在上述问题，为便于了解现场实际，将钻井作业接顶驱的方法分成两部分详解。

1 无顶驱钻机接钻铤的方法

由于钻铤在整个钻具的下部分，目前气井施工所需钻铤大部分为7英寸，8英寸，少部分为英寸及其他规格。一般钻铤的配备数量为（120～200）m，单根钻铤重量一般为（1.5～2）t。没有配备顶驱的钻机，接钻铤（单根，立柱）的方法就是通过人工推链钳的方式先实现引扣，最后用B型吊钳紧扣。拆卸方法基本相同。

（1）接钻铤单根的方法。不需要卸掉方钻杆，用提丝提钻铤单根入小鼠洞，然后直接在小鼠洞方面接钻铤单根。

（2）接钻铤立柱的方法。接两根及以上钻铤首先需要将水龙头及方钻杆入大鼠洞；再用提升短节将单根钻铤入小鼠洞，上卡瓦，再提1根钻铤入鼠洞用大钩接钻铤，大钩锁销必须打开，接第三根时需要司钻配合好，上提合适的力量。为了方便接钻铤单根或立柱，大钩必须能自由旋转。

（3）存在的问题。接钻铤立柱尽管工作多年，但是工人推链钳仍然很费力，有时甚至需要（3～5）人推链钳，上2个链钳，这当然与司钻技术有很大关系。

2 配备顶驱钻机接钻铤的方法

接钻铤单根的方法。如果没打开井口，先用提丝吊钻铤入小鼠洞，然后用提升短节替代提丝（必须紧扣），再继续在小鼠洞用顶驱接接第二根钻铤最后是第三根钻铤。如果井口已经打开，且有钻具在井下，则需在井口接单根钻铤。

接钻铤立柱的方法。在小鼠洞用顶驱接成立柱，将立柱提到立根台上面，钻头已经入境井则直接在井口接钻铤立柱。

（1）存在的问题。由于钻铤比较重，推单根钻铤引扣时，用双链钳（3～4）人基本可以推动；但是如果接两根及以上钻铤时，现场有两种方法：一种是上面顶驱牛头吊卡防松或略微上提一些力量，人工用双链钳强行推，有时需要（4～6）人，链钳经常推断，一口井有时损坏链钳（3～4）把。另一种方法：对于钻铤规格更大的钻机，由于钻铤太重（仅7英寸钻铤立柱3根重量达到5.7 t，9英寸及以上的更重），井队人员根本无法推动钻铤立柱，钻井队用转盘反转的方法接钻铤，这种方法实际井下风险很大（井下钻具落井，钻台钻具甩飞风险），用转盘正反转上卸扣属于违章操作，但是无法解决此类问题属无奈之举。

（2）风险。主要有3个方面的风险，淤多人在井口或小鼠洞周边费力推钻铤，因钻台空间受限及井口工具多，再考虑环境因素，有一定的安全风险；于费力、费时、费工具，劳动强度大，工效低，一般一口井扳断多根链钳；盂上扣的钻具（包括接头等）存在倒扣的可能。

（3）小结。没有配备顶驱的井队，通过大钩的配合，接钻铤立柱尽管费力工效慢但问题不太大。配顶驱的井队，因钻铤立柱太慢需要多人推，安全风险大甚至推不动，只能采取违章办法接钻铤立柱。因此，现场存在急需解决的问题。

3 顶驱旋转头不能负重旋转的原因分析

（1）问题的提出。配备有顶驱的钻井队，假设旋转头可以负重旋转（负重旋转能力逸50 t），从理论上讲，则可以通过旋转头正反转负重转动，来实现对钻铤的引扣，但是目前市场上还没有这种顶驱，通过一下分析可以了解旋转头不能负重旋转的原因。

（2）顶驱旋转头负重旋转会导致设备损坏。顶驱对钻具的正反转旋转是通过主轴驱动，旋转头可以360°正反转，在倾斜液缸的配合下，主要作用是实现吊卡伸到一定位置取放钻具。目前市场上所有顶驱旋转头，均无法实现负重钻具旋转，这是由顶驱的结构特点决定的。

（3）小结。从理论上说，可以改进顶驱的结构来实现旋转头负重旋转，但这需要对顶驱的整体结构进行大改动，由于自1982年第一部顶驱产出以来，还没有旋转头可以负重旋转的顶驱，且顶驱产品已成熟，因此对成熟产品进行系统改进设计需要时间和实践验证，周期长、费用无法预测。所以，解决该类问题需要换个思路，可以考虑设计配备一种工具来解决问题。

4 旋转提升短节钻井工具设计方案简介

既然顶驱的结构特点决定了旋转头无法实现负重旋转，否则会很容易导致设备损坏。现场接钻铤又存在费时费力、安全风险大且钻具存在倒扣的可能。因此，可以考虑设计一个工具既实现钻具自由旋转，又不损坏顶驱设备来解决此类问题。基本思路是设计越简单越好，本着安全实用且简单的原则设计一个工具。经过沟通，旋转提升短节的结构初具雏形，由于北京石油机械厂（长庆战略合作单位），设计、加工产品，费用由北石承担。

（1）旋转提升短节的技术特征。要求旋转提升短节的基本功能是提升一根短节，在吊卡提升最大悬重工况下可自由旋转，具有转动灵活、安全可靠的特点。应用旋转提升短节，可极大地降低劳动强度和提高作业效率，可有效减少或避免人身伤害的发生。

（2）旋转提升短节所用轴承的选择。径向球轴承、轴向圆柱推力轴承为德国SKF公司生产自润滑产品，轴承可以承受93 t静载荷，承受40 t动载荷不失效。在工厂内试验，实际达到100 t静载荷不失效，提升短节下部实现无阻碍旋转。

5 旋转提升短节在现场的试验

（1）现场试验的人员。机械工程师、安全管理人员、钻井技术工程师，井队技术人员及大班人员，HSE（Health Safety Environ-ment，健康、安全和环境管理）驻井监督员。

（2）试验工况。某钻井队搬家就位后第一次接钻头、接钻铤下钻准备打表层。

（3）试验的HSE工作。准备试验前召开了HSE会议，参加人员主要是参加试验人员及井队操作人员。试验前做了JSA（Job Safety Analysis，工作安全分析），因是用旋转提升短节取代原来固定式提升短节，属于一般设备变更，对设备做了变更。分析了风险并制定了消减风险的措施，试验中HSE需旁站监督。

6 现场试验效果评价

（1）省时。同比利用常规提升短节（不可旋转）提升钻铤连接的工艺，作业效率可以提高100%～200%。由于采用常规提升短节不能旋转，当提升两根及以上的钻铤时，人工很难转动，只能采用双链钳大力多人推着转，或用双B型钳间隔性的引扣，受B型钳钢丝绳行程限制，每次引扣不到半圈，完成一次上扣特别耗时。采用旋转提升短节后，仅需要一人即可利用链钳带动钻铤实现完整圆周转动，钻铤转动阻力力矩约300 N·m，一个人很容易转动单根钻铤或立柱，大大节省了上扣时间。

（2）省力。过去利用常规提升短节，如果人工引扣，需要（4～6）人用2个链钳才能勉强扳动钻铤立柱，甚至时常把链钳扳断，过去1口井正常损坏链钳（2～4）把。现在利用旋转提升短节，1个人可以很轻松地利用链钳盘动钻铤实现引扣。

7 改进与提高

（1）基本情况。前期设计资料查询、从在现场试验等来看，旋转提升短节是一种新型的提升工具，属于国内首创，国外的该类产品目前还没有在市场上见过。该产品可以有效地解决常规钻铤连接时不能或者难以旋转的瓶颈，规避了作业时的风险，带来了安全、高效、便捷、经济的益处。此外，还可以对于其他类似钻具的连接提供了一种成功的解决方案。在“以人为本、安全生产“为永恒主题的人类社会，新技术、新产品、新工艺的开发和应用应服务于、服务好这个主题。这是工程技术创新的出发点和落脚点。

（2）制造设计手段。该旋转提升短节采用CAD/CAE技术设计，采用ANSYS及API RP 7G模拟分析及计算验证，主体采用进口优质合金钢经过特殊热处理工艺加工而成，轴承、密封等重要元器件采用德国、美国原产国际知名品牌，系统设计安全系数>5，试验载荷达到额定载荷的2.5倍，产品通过了API Spec.7-1认证，产品具有质量可靠、性能稳定，操作简易，易于维护的特点。

（3）改进思路。根据现场试验情况，需要做2个方面的改进：其一，由于试验的旋转提升短节长度为1150 mm，现场绝大部分提升短节长度为2 m，这样吊卡在短节本体活动空间大，便于扣合吊卡，钻具组合也便于在二层台指梁附件固定。其二，短节上面的提环需要取消，短节的上部分可以加工成母扣。

（4）工具的配备。配备旋转提升短节的数量与规格要根据钻机配备的钻铤数量与规格来确定。

8 总结

根据钻井作业现场存在的问题来设计的钻井工具，从设计方案的提出、设计思路的梳理到现场试验，基本符合新产品开发流程，从试验效果来看，解决了现场存在的问题，后续需要再改进、再试验以实现产品成熟。