石油钻采机械概论总结

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,石油钻采机械概论,课程总结,引 言,本课程共上十章，分钻井机械和采油机械两大部分。,一、油气藏与油气田,二、含油气盆地,三、油气勘探,目前油气勘探的主要方法和技术有四种：即地面地质法、地球物理法、遥感技术和钻探法。各自特点。,第一章,钻井工艺概述,1.1 钻井方法,一、机械钻井法,1. 顿钻钻井法,2旋转钻井法,二、钻井工艺过程,1钻前准备,2钻进过程：起、下钻；正常钻进。,3固井,4完井,5钻井事故的处理,三、平衡压力钻井,含义；目的；关键；技术保证。,1.2 钻井技术的新发展,一欠平衡钻井(原理; 优点; 适用于地层条件;方法;主要设备）。,二、深、超深井钻井技术,三、水平井技术,四、小井眼钻井技术,五、连续柔管钻井技术,第二章 石油钻机概论,2.1 钻机的组成,钻机包括：驱动与传动、旋转、起升、循环设备，辅助设备和测量仪表。,一、地面旋转设备,主要组成：转盘、水龙头、钻具，顶驱钻机配备有顶驱装置。,作用：转动钻具，带动钻头破碎岩石。,二、循环系统设备,主要有：钻井泵，钻井液净化、处理调配装置。,作用：清洗井底，携带岩屑，保护井壁，冷却钻头。,三、起升系统设备,主要有：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井架。,作用：起下钻具、下套管，控制钻压。,四、动力驱动系统,有：柴油机组、发动机组、电动机组。,作用：提供动力。,五、传动系统设备,联动机组动力并车。,作用：传递、分配动力。,六、控制系统和监测仪表,司钻台、液、气、电控制、仪表,各种钻井仪表及随钻测量系统（MWD）。,七、钻机底座,安装钻井设备。,八、辅助设备,钻机,八大（系统）,设备：旋转、循环、起升、动力、传动、控制、底座、辅助。,八大部件：,绞车；转盘；水龙头；大钩；游车；天车；钻井泵；柴油机。,2.2 钻机分类与特点,一、分类方法,二、钻机特点,1.大功率、传动复杂，多工作机联合工作；,2.绞车、泵、转盘三大机组不同时工作；,3.钻井过程不连续；,4.工作地区广阔，自然环境恶劣。,2.3 钻机基本参数,一、基本参数,反映钻机工作性能的数量指标称为基本参数。,十个：L（名义井深）；Q,hmax,（最大钩载）；Q,stmax,（最大钻柱重）；N,dr,（绞车功率）；Z(有效绳数)；d,w,（钢绳直径）；N,p,（泵功率）；D,r,（转盘通径）；H,r,（底座高度）；H,d,（井架高度） 。,二、主参数与钻机型号,1. 主参数,我国钻机标准规定名义钻井深度L为主参数。,2.钻机型号,ZJ ,三、起升系统参数,1输入轴最大功率，也称额定功率，绞车主参数。,kW,式中：Q,1,= Q,stmax,+ G,t,2 游动系统结构,钻井绳数Z：指钻井时采用的有效提升绳数。,最大绳数Z,max：,指钻机配备的提升轮系所提供的最大有效绳数，用于下套管或解卡作业。,3钢绳直径d,w,根据Q,max,（最大钩载）的P,fmax,（Z,max,时快绳拉力）决定。,4快绳最大拉力,起升时：,5. 井架高度： 取决于立根高度。,6. 钻台高度： 取决于安装井口装置的高度。,四、旋转系统,1. 转盘名义直径,2. 最高转速,3.最大静负荷,4. 最大工作扭矩,五、钻井泵功率 N,p,输入轴功率，额定功率,kW,第三章 石油钻机的驱动,3.1 机械驱动钻机,机械驱动钻机是指以柴油机为动力，通过不同组合的传动形式所驱动的钻机。,依据主传动副类型，分为齿轮、胶带和链条钻机。,传动系统图分析方法。,3.2 电驱动钻机,电驱钻机工作机用电动机带动。,一、分类,1. 交流电驱钻机：即交流发电机（或工业电网）交流电动机驱动（ACAC）；,2. 直流电驱钻机：即直流发电机直流电动机驱动（DCDC）；,3. 可控硅整流直流电驱钻机：即交流发电机可控硅整流直流电动机驱动（ACSCRDC）；,4.交流变频调速驱动钻机，即交流发电机变频调速器交流电机驱动。,二、 优点,1. 传动效率高，较机械传动高16%；,2. 无级变速（在某机械档下，无级变速）；,3. 简化传动、控制，易装调整，自动保护。,3.3 电机驱动特性,一、 电动机机械性能,1. 机械特性,电机转速n与电磁转矩M之间变化关系，称机械特性。,2. 特性硬度,转速n不随转矩M变，为特硬特性；,n随M增加而下降不大，为硬特性；,n随M增加而加速下降，为软特性。,3. 固有机械特性,电机的电压、频率（交流）、励磁（激磁）电流为额定值，其电机回路上无附加电阻时所具有的特性。,4. 人为特性,人为调节电压、频率、电流所得到的特性，称人为特性。,二、交流电机特性,（固有）,1. 同步电动机,（1）定义,转子转速（n）与（定子）旋转磁场转速（n,0,）相同（通交流电），故称同步电机，,特硬特性。,（2）工作原理：定子绕组通三相交流电产生旋转磁场，转子励磁绕组通直流电形成直流励磁磁场，两磁场相互作用，使转子被旋转磁场拖（吸）着以同步转速一起旋转，即 n=n,0,。,同步电机启动性能差，用于不常启动、不变速场合。,（3）同步电机采用异步启动法。,异步启动：定子通电形成旋转磁场，使转子线圈产生感应电流，使转子转起来，之后转子再通直流电，实现异步启动，同步工作。,2. 异步电动机,一、定义,转子转速小于磁场旋转速度，称异步电机 。,二、工作原理,属于硬特性：,异步电机常用于驱动绞车和转盘。,改变定子电压 、电流频率 、定子和转子串阻都可改变特性。,三、直流电机特性,定子（通直流）形成固定磁极，转子电枢通电，磁力作用使转子转动。,【左手定则判断：掌心对N，四指电流，母指力】,1. 直流电机类型,按励磁绕组（定子）与电枢绕组（转子）联接方式分：他励电机、并励电机、串励电机、复励电机。,2. 直流电机固有特性,（1）他励或并励：硬特性；,（2）串励：属软特性，n随M增加而下降；,（3）复励：介于并、串联之间，属软特性。,（4）适用场合,串励电机：适驱动绞车，载荷增大，转速自动下降，实现恒功率调节。,并、他励电机：适驱动钻井泵，实现定速恒转矩调节。,3. 直流电机人为特性（用人工调节转速）,（1）电枢串阻,在电枢中串入可调电阻，保证电源电压U和励磁电流（磁通）不变。相当于加大（电枢电阻）。,（2）降低供电电压U（降低电枢电压）,使固有特性nM曲线下移。,（3）减弱磁通调速,改变,（定子励磁磁通），使 n,0,、,n,都变，从而改变特性。,四、可控硅直流驱动,ACSCRDC,由柴油机驱动AC发电机输出交流电，经可控硅整流驱动DC电机。,可控硅驱动特点：直接由SCR调节电压、控制弱磁而调速。,4. 用DC电机（不用AC电机）原因,（1）直流电机：调速宽；能频繁启动；载荷变化范围宽；启动制动平稳。,（2）交流电机：硬特性，转速几乎不随载荷而变化【只能由调频f改变转速】。,5.交流变频技术，用AC变频器AC 。,第四章 起升系统工作原理与设备,4.1 起升系统工作原理,游动系统运动分析：快绳侧死绳侧钢绳速度分析；,游动系统载荷：,当大钩静止悬重时，各段游绳拉力相等：,当起升时，各绳拉力：,快绳拉力：,起升游系效率：,下放时游系效率：,游系效率近似计算式：,滚筒缠绳层数确定：任意层直径：,半径增量系数 0.9,缠绳总层数计算式：,4.2 钻井绞车,绞车的作用；绞车的使用要求；绞车的结构类型；典型绞车结构（JC45绞车）分析。,4.3 刹车机构,一、刹车功用与使用要求,二、带刹车结构与原理,三、最大制动力的确定,下放时静力矩：,最大制动力矩：,最大制动力：,式中：,动载系数；,b,-滚筒效率；,D,b,刹车鼓直径，m。,四、刹带两端的拉力,死端拉力 T：,制动力：,制动力矩：,五、刹车杠杆工作分析,1.单杠杆刹车机构,刹把力：,增力倍数：,2双杠杆刹车机构,两套单杠杆组成。,增力倍数：,六、盘式刹车,1. 结构组成,包括：刹车盘（滚筒两侧）、刹车液缸、刹车钳（或刹,车杠杆）、刹车块、液控系统等。,2. 刹车钳类型：杠杆钳；固定钳。,3.工作方式,常开式：液压加压刹车；,常闭式：用弹簧加压刹车，用液压松刹。,4. 单钳制动力矩,4.4 辅助刹车,一、水刹车,1. 作用,下钻时刹慢滚筒，保持钻具均速下放。,2. 结构,定子、转子、各自之上有叶片。,3. 作用原理,下钻时，滚筒带水刹车转子旋转，运动中倾斜的叶片，迎面切割水涡流，形成阻力矩。,4 制动力矩,5. 制动功率,6.水刹车水量调节方法, 分级调节法,调节水箱阀门，获得不同水位。,水刹车水位自动调节器调节,二、电磁涡流刹车,新型辅助刹车，利用电磁感应原理实现制动。,1.结构,主要由左、右定子和转子组成，定子中固嵌线圈。,2.原理,定子通直流，产生固定磁场。,当滚筒带动转子转动时，转子产生涡流。,涡流形成旋转磁场，与固定磁场作用产生制动力矩。,主磁路(右手定则);,感应电动势与涡流(右手定则);,电磁力(左手定则); 电磁转矩M=FR2Z=CnB,2,3特性 （M-n曲线）,调节线圈的电流可改变M-n曲线。,当转速低时，仍有较大制动力矩。,滚筒转速较低时，M随n增加迅速增大，中、高速段力矩几乎不变(硬特性)。,4.5 井架,一、功用、组成与要求,；钻井工艺对井架的基本要求。,二、整体结构类型,1. 塔架,2. 前开口井架,3A形井架,4桅形井架,三、井架基本载荷,1恒载 ：井架自重、设备、工具重；,2最大静载: 即最大钩载；,3工作绳拉力：快绳和死绳合力；,4风载；,5立根载荷：立根重水平载荷；立根风载。,4.6 游动系统,天车、游车、钢丝绳和大钩，统称为游动系统。,第五章 往复泵,概述,一、结构与工作原理,二、往复泵的分类方法,三、基本性能参数, 泵的流量,指单位时间内泵所输送的液体量。, 泵的压力p,指泵排出口处单位面积上所受到的液体压强, 单位为MPa, 泵的功率和效率,输入功率（主轴功率）N,a,单位时间内动力机传到往复泵主动轴上的能量，kW；,输出功率（有效功率）N 单位时间内液体经泵作用后所增加的能量，kW。,泵的总效率：输出功率与输入功率的比值。, 泵速n,指单位时间内活塞和柱塞的往复次数，简称冲次，单位为min,-1,。,5.2 往复泵的流量分析,一、活塞的运动规律,活塞位移；活塞速度；活塞加速度。,二、流量及流量曲线,1平均流量Q,m,理论平均流量指往复泵在单位时间内应输送的液体体积。,对于缸数为i的单作用泵: Q,m,=iFSn (m,3,/min),对于缸数为i的双作用泵: Q,th,=i(2F-f)Sn,实际平均流量为Q：Q=Q,m,2.瞬时流量Q,cm,多缸情况：往复泵一般都由几个液缸组成，在曲轴转动一周期内，几个液缸按一定规律交替吸入和排出，泵的瞬时流量由同一时刻各缸瞬时流量叠加而成。计算时要根据各曲柄间存在的角位差决定公式中的角参数。,3.往复泵的流量曲线,以曲柄转角为横坐标，流量为纵坐标，可作出泵的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线 。,用途,判断流量的均匀程度，考核指标：流量不均度,Q,。,确定泵输送的液体体积,曲柄转角范围内，流量曲线与横坐标所包围的面积为A，此时泵输送的液体体积为V。,检验曲柄布置是否合理,对于多缸往复泵，通过绘制流量曲线，可发现各液缸瞬时流量是否叠加合理，从而检验曲柄布置方案的合理性。,53往复泵的压头、功率和效率,一、有效压头,往复泵的有效压头指泵供给单位重量液体的能量，被用于提高液体的总比能和克服全部管线中的液体流动阻力。,二、往复泵的功率,N=QgH10,3,p Q10,3,泵的总效率：,三、往复泵的效率,1机械效率,m,转化功率为：N,i,H,i,Q,i,g10,-3,=p,i,Q,i,10,-3,泵的输入功率减去机械损失N,m,所剩余的功率称为转化功率N,i,；,单位时间内获得能量的液体为转化流量Q,i,；,单位重量液体所得到的能量为转化压头H,i,；,2容积效率,v,容积效率,v,反映因密封不严造成的液体漏失对流量的影响。,3水力效率,h,4.泵的总效率,5.4 往复泵的工作特性曲线,一、往复泵的特性曲线,往复泵的特性曲线主要反映泵的流量、输入功率及效率等与压力间的关系。,二、与管路联合工作特性曲线,三、钻井泵的临界特性,钻井泵的临界特性曲线是根据冲次和压力的限制条件作出的，此条件为：p,1,F,1,=p,2,F,2,=p,n,F,n,=常数,钻井泵的临界特性曲线,钻井泵的临界特性曲线用途,指导换缸套,不论泵速能否调节，任何一级缸套下的流量和压力都限制在一定的范围内。,在泵的最大冲次不变的情况下，泵输出的最大水力功率（有效功率）为N=p,1,Q,1,=p,2,Q,2,=常数。,等功率曲线,由各级缸套极限工作压力点1，2，5的连线是一条等功率曲线，泵工作时所有工况点应控制在等功率曲线下方。,四、往复泵的性能调节,1.流量调节 (Qth=i(2F-f)Sn ),流量与泵缸数i、活塞面积F、冲次n、冲程s成正比，改变任何一个参数都可以改变流量。常用方法有：, 换不同直径的缸套，以改变流量；, 调节冲次，以改变流量；, 旁路调节。,2.往复泵的并联运行：特点。,55 往复泵的结构及特点,一、双缸双作用活塞泵,二、三缸单作用活塞泵,第六章 采油工艺概论,6.1 采油方法,一、自喷采油法,二、 自喷井的设备,：井下和地面设备 ，井口装置,6.2 机械采油法,气举采油和抽油法,注热蒸汽采油法,6.3 抽油法设备,一、有杆抽油装置,抽油机抽油泵装置，包括三部分。,1. 地面部分抽油机（驱动部分）,2. 井下部分抽油泵（悬挂在油管尾部）,3. 中间部分抽油杆,二、无杆抽油装置,1. 水力活塞泵,用压力液体为动力，使自身活塞往复运动吸排油（地面有动力液泵）。,2. 电动潜油离心泵,用井下电机驱动多级离心泵，实现抽油。,3. 电动潜油单螺杆泵,开采高粘度、高含砂、高含气原油。 井下电机带动螺杆泵抽油。（容积式泵）,三、采油新技术应用,第七章 机械抽油设备,游梁式抽油机,一、结构组成及分类,二、主参数,悬点载荷P ：挂抽油杆处，反应下泵深度。取决于杆和液柱重量。,最大扭矩M ：曲柄轴最大扭矩。（用于选择电机功率）,冲程长度S ：反应采油量。悬点冲程，受机构限制一般34m，6m:长冲程。S正比于曲柄半径。,冲次：悬点冲程数（每分钟往复次数），反应采油量。,三、驴头悬点载荷,上下冲程悬点载荷不同。静载(3项：杆自重、柱塞上油柱重、柱塞下端油压），动载（2项：惯性载荷、振动载荷），摩擦力。,7.2 链条抽油机,结构及工作原理,7.3 液压抽油机,结构及工作原理,7.4 抽油泵,结构组成；工作原理,7.5 无杆抽油设备-水力活塞泵,井下机组结构及工作原理,电动潜油离心泵机组,结构组成；工作原理,7.7 抽油杆及辅助抽油装置概况,第八章 常用钻采工具,8.1 钻具：钻杆，方钻杆、接头、钻头,8.2 套管,井身结构与套管关系；套管在井下的承载情况；套管设计三准则；用等安全系数法设计套管柱；下套管固井方法与设备。,井口机械化设备与防喷器,一、液气大钳结构及工作原理；,二、防喷器,防喷器组：包括双闸板防喷器、万能防喷器、旋转防喷器及钻井四通。它们的结构与工作原理。,84 油水井封隔器,封隔油、水层的井下封隔器，用于分层开采原油的配产器及注水井所用的配水器结构与工作原理。,第九章 海洋石油钻采工艺及设备,9.1 海洋钻井平台,一、分类,1.固定式钻井平台；2.移动式钻井平台,二、结构及特点,自升式钻井平台；半潜式钻井平台；步行式钻井平台；浮式钻井船,9.2 海上钻井,一、钻井平台的选择原则,二、钻井平台的定位,目的：将钻井平台限制在一定的位置上，控制钻井平台的纵荡和横荡运动，保证平台上的钻井设备对井口的定位，保证钻井工作顺利进行。,方法：锚泊定位和动力定位。,三、钻井水下装置,目的：需要在海底井口与平台之间装置一套隔绝海水、适应平台摇晃、控制井口的装置，以保证正常钻井作业。,钻井水下装置包括：钻井导向装置、套管头组、防喷器组、隔水管柱、连接器等。 它们的结构及特点。,四、升沉补偿装置的结构及工作原理,。,9.3 海上采油,一、平台采油的方法与特点；,二、水下采油的方法与特点,第十章 石油机械新进展,