CN113482542A - 极地钻井平台系统 - Google Patents

Abstract

一种极地钻井平台系统，它包括钻机井架、平移机构和钻机平台，钻机井架与钻机平台连接，钻机平台与平移机构连接，钻机平台沿平移机构的平移轨滚动，钻机井架采用液压绞车从低位向高位起升，钻机平台为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统，钻机满足耐低温要求，加热保温系统调节维持钻机平台内部空间适宜温度。本发明克服了原钻机平台在极地环境下低温适应性不强的问题，具有结构简单，满足极地环境下钻机平台系统能够正常运行，其结构具备低温韧性、抗冲击力和屈服强度要求。

Description

极地钻井平台系统

技术领域

本发明属于极地环境钻井技术领域，涉及一种极地钻井平台系统。

背景技术

极地环境是指-50℃及以上的工作环境，-60℃及以上的贮存环境。极地环境钻机是针对极地区域的特殊环境所研发的特殊钻机，能够在极寒、暴风雪、极地荒原冻土条件下工作。极地环境钻机名义钻深钻井深度12000m，最大钩载9000KN,采用自升式塔式钻机，高度53m，绞车功率4400KW，地面到钻台面高度为15米，转盘梁下净空12.5米,满足极地井控组合的配置要求。整机能满足度-50℃的作业要求，能抵抗40米/秒的极地强风暴。因此，必须满足如下条件：低温韧性要求，即在低温环境下，金属材料对冲击负荷的抵抗能力的韧性；抗冲击力要求，即规定形状和尺寸的金属材料在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功；屈服强度要求，即材料在拉伸过程中，负荷不增加或开始有所降低而变形，该变形包括屈服点、屈服强度、屈服极限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种极地钻井平台系统，结构简单，采用平移机构与钻机平台连接，钻机与平移机构连接，钻机平台沿平移机构的平移轨滚动，钻机采用液压绞车从低位向高位起升；钻机平台为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统，钻机满足耐低温要求，加热保温系统进行解冻、清洗或保温，满足极地环境下钻机平台系统能够正常运行，其结构具备低温韧性、抗冲击力和屈服强度要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种极地钻井平台系统，它包括钻机井架、平移机构和钻机平台；所述平移机构与钻机平台连接；钻机平台沿平移机构的平移轨滚动；钻机井架为塔式结构，采用液压绞车从低位向高位起升；钻机平台为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统。

所述平移机构包括主轨道和副轨道构成的四排平移轨，采用油缸配合轮轨推移钻机平台直线移动。

所述钻机平台分为上层平台和下层平台；上层平台布设有钻台、堆场、发电机和油罐；下层平台布设有井口、滑移液压站、滑移控制台、BOP试验桩、绞车、启动葫芦、总控室、泥浆泵和固井单元；上层平台和下层平台皆设置相互连通的通风系统。

所述钻台主要包括边沿依次布设的盘刹液压站、节流管汇、立管管汇、组合液压站、倒绳机、死绳固定器、绞车、测录井、值班室、灭火系统和就地控制房，以及位于它们中间的固井管汇、载人绞车、铁钻、液压猫头、大鼠洞和司钻房。

所述加热保温系统包括蒸汽加热系统、燃油热空气加热系统、电加热系统、保温棚和帆布；蒸汽加热系统主用用于钻台区和固控区，燃油热空气加热系统辅助蒸汽加热系统，电加热系统用于辅助备用，保温棚包覆在钻机平台外，帆布包覆钻机和平移机构对其进行防护。

所述蒸汽加热系统由蒸汽发生器、蒸汽输送管路、冷凝水回收管路和自动补水管路组成；蒸汽输送管路将蒸汽发生器产生的蒸汽输送到各个单元，产生的冷凝水通过高性能疏水阀，使冷凝水依靠重力及热动力全部集中到冷凝罐内，在冷凝罐内经过初步沉淀过滤，再通过热水泵将冷凝水输送到蒸汽锅炉装置，蒸汽发生器缺水时自动补水管路将冷凝水收集罐内的水重新输送到蒸汽发生器。

所述钻机的钻台区立根台下铺设蒸汽盘管靠近钻杆接头，在钻杆接头处发生结冰之后，用蒸汽迅速的解冻及清洗。

所述燃油热空气加热是将加热后的热风，通过管道输送到保温棚的密闭空间内；电加热系统配备有防爆电加热暖风机、防爆板式电加热器、防爆储罐式低温防爆电加热器和电伴热带加热保温，主要在安装初期或局部维修时临时热源使用。

所述保温棚安装在钻机平台外围与平移机构的滑移座连接，随平移机构移动；帆布主要包覆钻机井架、钻机平台各进料口。

所述的极地钻井平台系统，所述钻机的主要部件按照极地环境方案设计，满足耐低温要求。

一种极地钻井平台系统，它包括钻机井架、平移机构和钻机平台，钻机平台与平移机构连接，钻机平台沿平移机构的平移轨滚动，钻机井架采用液压绞车从低位向高位起升，钻机平台为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统，钻机满足耐低温要求，加热保温系统进行解冻、清洗或保温。本发明克服了原钻机平台在极地环境下不具备低温韧性、抗冲击力和屈服强度要求的问题，具有结构简单，满足极地环境下钻机平台系统能够正常运行，其结构具备低温韧性、抗冲击力和屈服强度要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的侧视示意图。

图3为本发明平移机构的结构示意图。

图4为本发明钻机平台上层平面布设示意图。

图5为本发明钻机平台下层平面布设示意图。

图6为本发明钻机平台平面布设示意图。

图7为本发明的蒸汽系统流程图。

图中：钻机1，液压绞车11，平移机构2，主轨道21，副轨道22，油缸23，钻机平台3，保温棚41。

具体实施方式

如图1^～图7中，一种极地钻井平台系统，它包括钻机井架1、平移机构2和钻机平台3；所述平移机构2与钻机平台3连接，钻机井架1与钻机平台2连接；钻机平台3沿平移机构2的平移轨滚动；钻机井架1为塔式结构，采用四组液压绞车11从低位向高位起升；钻机平台3为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统。

优选的方案中，通过平移机构2与钻机平台3连接，钻机井架1与钻机平台2连接，钻机平台3沿平移机构2的平移轨滚动，钻机井架1采用四组液压绞车11从低位向高位起升，钻机平台3为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统，钻机井架1满足耐低温要求，加热保温系统进行解冻、清洗或保温。本发明克服了原钻机平台在极地环境下不具备低温韧性、抗冲击力和屈服强度要求的问题，具有结构简单，满足极地环境下钻机平台系统能够正常运行，其结构具备低温韧性、抗冲击力和屈服强度要求。

优选的方案中，所述平移机构2包括主轨道21和副轨道22构成的四排平移轨，采用油缸23配合轮轨推移钻机平台3直线移动。使用时，钻机平台3所有设备安装在主、副两套，共四排平移轨上；钻机平台3及配套设备能沿着导轨整体在井间滑移；平移系统采用轮轨式、油缸推移方式，运用精密同步控制技术，保证四排轨道同步整体移动，实现钻机1整体搬运，节约搬运安装时间和费用，提高了钻机平台3移运效率。

优选的方案中，钻机井架1采用塔式结构，其承载能力强，稳定性好，抗风暴能力；井架主体各段与附件的安装均可在低位完成，然后利用井架上四组液压绞车11将其起升到位，减少高位安装的风险因素，提高效率和安全性。

优选的方案中，所述钻机平台3分为上层平台和下层平台；上层平台布设有钻台、堆场、发电机和油罐；下层平台布设有井口、滑移液压站、滑移控制台、BOP试验桩、绞车、启动葫芦、总控室、泥浆泵和固井单元；上层平台和下层平台皆设置相互连通的通风系统。使用时，整个钻机平台3采用分层式结构，减少占地面积，提高空间利用率；整个钻机平台3分为钻井模块、固控及钻杆堆场模块、动力及电控模块、泥浆泵及散料模块四大部分。

优选的方案中，所述钻台主要包括边沿依次布设的盘刹液压站、节流管汇、立管管汇、组合液压站、倒绳机、死绳固定器、绞车、测录井、值班室、灭火系统和就地控制房，以及位于它们中间的固井管汇、载人绞车、铁钻、液压猫头、大鼠洞和司钻房。

优选的方案中，所述加热保温系统包括蒸汽加热系统、燃油热空气加热系统、电加热系统、保温棚41和帆布；蒸汽加热系统主要用于钻台区、钻台下、泥浆泵区、泥浆罐区，燃油热空气加热系统作为蒸汽加热系统补充和备用，电加热系统用于电仪房体、临时热源，保温棚41包覆在钻机平台3外，帆布包覆钻机1和平移机构2对其进行防护。

优选的方案中，所述蒸汽加热系统由蒸汽发生器、蒸汽输送管路、冷凝水回收管路和自动补水管路组成；蒸汽输送管路将蒸汽发生器产生的蒸汽输送到各个单元，产生的冷凝水通过高性能疏水阀，使冷凝水依靠重力及热动力全部集中到冷凝罐内，在冷凝罐内经过初步沉淀过滤，再通过热水泵将冷凝水输送到蒸汽锅炉装置，蒸汽发生器缺水时自动补水管路将冷凝水收集罐内的水重新输送到蒸汽发生器。

优选的方案中，所述钻机平台3的钻台区立根台下铺设蒸汽盘管靠近钻杆接头，在钻杆接头处发生结冰之后，用蒸汽迅速的解冻及清洗。

优选的方案中，所述燃油热空气加热是将加热后的热风，通过管道输送到保温棚41的密闭空间内；电加热系统配备有防爆电加热暖风机、防爆板式电加热器、防爆储罐式低温防爆电加热器和电伴热带加热保温，主要在电控房体、或安装初期或局部维修时临时热源使用。使用时，电缆应采用耐寒电缆或硅橡胶电缆；灯具采用防爆荧光灯和防爆白炽灯，在-50℃环境温度下可以正常工作；蓄电池选用寒带型起动铅酸蓄电池，满足最低工作温度到-45℃。

优选地方案中，油品满足-45℃环境温度及粘度要求。

优选的方案中，所述保温棚41与平移机构2的滑移座连接，随平移机构2移动；帆布主要包覆钻机井架1、钻台顶部、钻机平台3各进料口。使用时，采用全封闭保温棚41设计，能进行全密封保温，辅助以加热保温系统，能够全系统保温，确保在室外温度-60℃时，保温棚内温度≥10℃，营造舒适小环境。

优选的方案中，所述的极地钻井平台系统，所述钻机的主要部件按照极地环境方案设计，满足耐低温要求。

优选的方案中，极地环境钻机主要部件的耐低温设计方案如下：

极地环境钻机主要部件耐低温设计方案

序号	设备、部件名称	设计方案	备注
				1	井架本体	低温材料、保温棚	√
2	天车	低温材料、保温棚	√
				3	二层台	低温材料；配备蒸汽加热、电加热装置、保温棚	√
4	底座及钻台	低温材料，四周设防护棚，通蒸汽管加热	√
				5	司钻房	司钻房、电暖风
6	绞车及动力	钻台四周设保温墙、蒸汽加热保温
				7	转盘	通蒸汽
8	游车大钩	低温材料	√
				9	气源	保温棚、蒸汽保温
10	液压站	油箱设暖气盘管或电加热
				11	阀件	低温材料	√
12	防喷器	通蒸汽
				13	管汇	低温材料、电伴热带加热	√
14	泥浆泵	保温棚、蒸汽保温
				15	泥浆循环	保温棚、蒸汽保温
16	锅炉	保温棚、蒸汽保温
				17	发电机组	保温棚、蒸汽保温

上表中：“√”为从材料和制造方面解决钻机其配套件的耐低温问题，其余部分从结构设计考虑解决低温下的加热保温工作问题。

优选的方案中，上表材料在焊接过程中，返修及补焊的要求同焊接工艺要求，但是焊接前必须将所有的不合格进行彻底的清除，方可施焊；重要焊缝最多允许返修一次，不得多次重复返修。

优选的方案中，游车大钩的材料为ZG25CrNiMoA，其化学成分满足如下要求。

ZG25CrNiMoA化学成分

优选地，游车大钩的机械性能满足如下要求。

ZG25CrNiMoA机械性能

优选地，天车的滑轮材料为ZG35Cr1Mo，其化学成分满足如下要求，化学成分(％)。

ZG35Cr1Mo化学成分

牌号

C

Si

Mn

S、P

Mo

Cr

ZG35Cr1Mo

0.30-0.

0.30-0.5

0.50-0.8

0≤0.030

0.2-0.3

0.8-1.2

优选地，天车的的力学性能满足如下要求。

滑轮铸件的力学性能

优选的方案中，针对锻件、轴类件，其材料为典型材料30CrMo、40CrNiMo。

优选的方案中，锻件、轴类件典型产品有，水龙头:中心管芯轴、提环、提环销、耳轴；大钩：吊环、中心轴、销轴、连接销轴；其它：主滚筒轴、捞砂滚筒轴、刹车系统调节花帽、螺栓及销；除主滚筒轴、捞砂滚筒轴外采用锻件。

优选的方案中，锻件、轴类件经调质处理后，其低温冲击性能应满足：锻件类产品调质前，必须按热处理工艺进行正火处理；非锻件类产品可直接进行调质处理；调质处理均在粗加工后进行。

优选的方案中，针对锻件、轴类件材料性能鉴定，在加工过程中，应同时加工两个等效试块，并随产品一起经过相同炉次的热加工工序，以便进行性能试验；两个试块只加工用其中的一个试块；鉴定不合格的，允许重新进行调质处理，两个试块中的另一试块随炉处理；重复上述的试验过程，直至性能全部合格为止，但重新热处理的次数不得超过三次，回火次数不限。

典型材料的化学成分

典型材料的机械性能(调质后的性能)

优选的方案中，保温设计满足钻井作业流程需要的前提下，考虑方案是否减少钻机的热量损失，布局设计时应着重考虑采用集中供热的方式为主，分布式加热系统为辅。

优选的方案中，钻机在设备布局设计上，紧密布置，以减少钻机的占地面积，同时也就减少了钻机总体的散热面积。

优选的方案中，极地环境钻机供暖系统以蒸汽加热系统为主，辅助以燃油热风加热、电加热方式。蒸汽加热方式作为极地环境钻机的主要热源，其在实践中得到良好的实践，是性价比较高的加热方式。

优选的方案中，极地环境钻机采用全封闭保温棚结构和集中供热的方案，来确保钻机整机工作温度和尽可能减少热量的散失。

优选的方案中，通过蒸汽盘管加热，其蒸汽可以为泥浆罐内的钻井液、立根台、泥浆泵、绞车油箱等部件加热；通过蒸汽暖风机，可以将产生的热空气对钻机的工作区域进行加热。

优选的方案中，燃油热风系统其传热介质为空气，将热风直接用管道输送到各个需求点，主要用来给保温棚内的工作环境加热。

优选的方案中，电加热作为应急及备用的加热系统，通过配置的电加热暖风机，系统配置能力强的系统还可以在设备安装初期及局部维修时作为临时热源使用。

优选的方案中，转盘周围、绞车油箱、泥浆泵、防喷器组也铺设蒸汽盘管，以保证这些设备在低温环境下的正常运转。推荐泥浆泵的喷淋水箱里面布置蒸汽盘管，从供汽管路接人蒸汽，实现吸人滤网、水箱、油池等加热。

优选的方案中，推荐在固控泥浆罐区域，每个泥浆罐的罐壁上铺设蒸汽盘管，以防止停留在管路内部的凝水结冰后撑破钢管或者管路阀门。

优选的方案中，推荐蒸汽盘管布局为倾斜状态，即蒸汽盘管的高端为蒸汽管线人口，低端为冷凝水出口；在每个蒸汽管路上安装不锈钢截止阀门，用以控制单个设备的蒸汽通断。

优选的方案中，推荐蒸汽管路适当位置设置吹扫接口，当蒸汽停止工作时，为防止管路内的残液水结冰，可外接压缩空气，打开疏水阀旁路的球阀，直接将剩余积水排空。

优选的方案中，在停用蒸汽之前，给冲洗管线中通人压缩空气，即可将管线内剩余的冷凝水吹扫干净。

优选的方案中，燃油热空气加热是蒸汽加热的辅助补充，其将加热后的热风，通过管道输送到需求的位置。可以用于保温棚密闭空间的加热。如固控区、泵组区、钻台下方、钻台绞车区的保温棚密闭空间，配备2台台热空气发生器，在正常情况下是一备一用，保障钻机的作业。

优选的方案中，热空气加热系统通过风管，将热风机产生的热空气合理地分配给钻机系统需要的区域。热风管路的各出口均设有阀门，可以人工进行开启。

优选的方案中，热风系统推荐风速限制在5m/s以下，考虑热风温度较高，风速较快，在每个出风口均加了一个风罩，对风速进行限制。

优选的方案中，配置移动式燃油暖风机，其体积小，便于临时安装和移运。

优选的方案中，电加热系统作为辅助加热系统，用于应急及备用系统，配备有防爆电加热暖风机、防爆板式电加热器、防爆储罐式低温防爆电加热器、电伴热带加热保温。

优选的方案中，电加热系统配备较强的暖风机可以安装初期及局部维修时作为临时热源使用。

优选的方案中，电加热系统还用在其它伴热难以适应的场所。如：水源、热源短缺地方的伴热；在钻井设备的各种管汇中，管线槽结构紧凑，空间狭小情况下的伴热；满足钻机快速拆装、移运的地方；高压泥浆管汇和水管汇的防凝、防冻和工艺保温等。

优选的方案中，电加热暖风容易单独成撬，移动性强，相应速度快，方便安装等特点，主要用来进行空间加热。例如可用于井架二层台加热。

优选的方案中，板式加热器主要对房体及栗舱等部位进行空间加热，包括：左司钻偏房、司钻控制房、气源房、电控房、辅助发电机房、二层台井架工取暖房、二层台操作台等。储罐式防爆电加热器主要用来对钻井水罐等储水设备进行加热。

优选的方案中，电伴热带加热主要用于所有的外露管线，包括节流压井管汇闸阀组、高压管汇闸阀组等，配合相应保温材料覆盖捆扎，可放置这些管线的冰冻。

优选的方案中，极地环境钻机电伴热带推荐采用自限温电热带进行保温。该保温体统不需要日常维护，运行费用低，可实现远距离控制，具有无噪音、无污染，使用寿命长的特点。

优选的方案中，保温棚保护设备和操作人员免裸露于自然环境下，降低了自然环境对设备寿命的影响，节约设备的运营和维护成本。

优选的方案中，保温棚固定在各模块的滑移座的底端，为可拆卸的整体结构：保温墙板选用夹结构，内外为彩钢板，中间填充保温材料。采用保温材料聚氨酯夹芯板，也可用保温岩棉、陶瓷棉等，导热系数需要控制在0.018～0.024W/m.k。

优选的方案中，密封材料，保温棚的主体结构为钢结构，安装后难以避免有缝隙，这些缝隙通过不同的密封材料和密封方式来消除。钢结构之间的密封材料有三元乙丙橡胶密封条、硅橡胶密封板、PVC防水保温帆布、耐低温液体硅橡胶密封胶、聚氨酯发泡剂。

优选的方案中，保温棚和结构之间的缝隙，用密封条加以密封，从而增强保温效果。采用可伸缩装置压紧硅橡胶板密封条。硅橡胶具有更低的工作温度，可达100℃，它在超低温度下不会发生永久变形，还具有优异的阻燃型、超髙的透明度和撕裂强度等特性。

优选的方案中，帆布材料主要应用在固体的保温板无法应用的区域，如部分电缆的折弯处，或者电缆的进出线处。也可以使用帆布作为外覆保温材料。作为钻机保温系统的辅助密封及保温材料，帆布需要具备耐火、耐寒、防水、柔韧好等特点。

优选的方案中，极地环境钻机帆布材料在选择上采用双层帆布加棉的结构，双层帆布夹陶瓷纤维毯的结构。为了提高其耐用性，帆布的胚布上涂塑PVC胶，增强其防水、防火、耐寒、柔韧等性能。双层PVC帆布是中间加玻璃丝棉后缝合在一起的。由于钻机环境多为防爆危险区域，而帆布的用量又多，因此帆布应当达到足够的阻燃级别。

优选的方案中，暖风机9#～12#为多区域共用，其在辅助设备区、堆场区、固控区均设有出风口，根据需要切换加热区域。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极地钻井平台系统，其特征是：它包括钻机井架（1）、平移机构（2）和钻机平台（3）；所述平移机构（2）与钻机平台（3）连接，钻机井架（1）与钻机平台（3）连接；钻机平台（3）沿平移机构（2）的平移轨滚动；钻机井架（1）为塔式结构，采用液压绞车（11）从低位向高位起升；钻机平台（3）为分层结构，全密封保温，并辅以加热保温系统。

2.根据权利要求1所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述平移机构（2）包括主轨道（21）和副轨道（22）构成的四排平移轨，采用油缸（23）配合轮轨推移钻机平台（3）直线移动。

3.根据权利要求1所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述钻机平台（3）分为上层平台和下层平台；上层平台布设有钻台、堆场、发电机和油罐；下层平台布设有井口、滑移液压站、滑移控制台、BOP试验桩、绞车、起重葫芦、总控室、泥浆泵和固井单元；上层平台和下层平台皆设置相互连通的通风系统。

4.根据权利要求3所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述钻台主要包括边沿依次布设的盘刹液压站、节流管汇、立管管汇、组合液压站、倒绳机、死绳固定器、绞车、测录井、值班室、灭火系统和就地控制房，以及位于它们中间的固井管汇、载人绞车、铁钻、液压猫头、大鼠洞和司钻房。

5.根据权利要求1所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述加热保温系统包括蒸汽加热系统、燃油热空气加热系统、电加热系统、保温棚（41）和帆布；蒸汽加热系统位于钻台区，燃油热空气加热系统辅助蒸汽加热系统，电加热系统用于辅助备用，保温棚（41）包覆在钻机平台（3）外，帆布包覆钻机（1）和平移机构（2）对其进行防护。

6.根据权利要求5所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述蒸汽加热系统由蒸汽发生器、蒸汽输送管路、冷凝水回收管路和自动补水管路组成；蒸汽输送管路将蒸汽发生器产生的蒸汽输送到各个单元，产生的冷凝水通过高性能疏水阀，使冷凝水依靠重力及热动力全部集中到冷凝罐内，在冷凝罐内经过初步沉淀过滤，再通过热水泵将冷凝水输送到蒸汽锅炉装置，蒸汽发生器缺水时自动补水管路将冷凝水收集罐内的水重新输送到蒸汽发生器。

7.根据权利要求1所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述钻机平台（3）的钻台区立根台下铺设蒸汽盘管靠近钻杆接头，在钻杆接头处发生结冰之后，用蒸汽迅速的解冻及清洗。

8.根据权利要求5所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述燃油热空气加热是将加热后的热风，通过管道输送到保温棚（41）的密闭空间内；电加热系统配备有防爆电加热暖风机、防爆板式电加热器、防爆储罐式低温防爆电加热器和电伴热带加热保温，主要在安装初期或局部维修时临时热源使用。

9.根据权利要求5所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述保温棚（41）与平移机构（2）的滑移座连接，随平移机构（2）移动；帆布主要包覆管线。

10.根据权利要求1~9任一项所述的极地钻井平台系统，其特征是：所述钻机井架（1）和钻机平台（3）的主要部件按照极地环境方案设计，满足耐低温要求。

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