石油钻机型式与基本参数

《石油钻机型式与基本参数》修订标准技术分析

1　标准制修订回顾

70年代我国石油工业蓬勃发展，但装备落后。在这种形势下，1975年原石油工业部与机械工业部联合组织成立了“钻机系列化及链条钻机调查小组”，1978年又成立了“三化小组”，在分析各国钻机标准及美国钻机和API规范的基础上，起草了我国《石油钻机型式与基本参数》标准。1979报国家标准总局，经批准定为中华人民共和国国家标准，标准号为GB1806—79，于1981-01实施。
此标准在技术上的显著特点是，在最大钩载参数上突破了以往沿袭原苏联、罗马尼亚标准的作法，这两国标准基本上是根据综合井身结构下套管负荷需要来确定最大钩载；我国这次标准是在有关规范和设计准则要求下，最大限度地发挥钻机绞车本身能力可提供的负荷来确定最大钩载。因此，该标准制订的这一参数比苏、罗标准均要大(见表1)，它较大地提高了钻机对地层和钻井工艺的适应能力。

表1　GB1806—79与苏76*和罗75*标准的最大钩载对比

井深H／m		2000	2500	2800	3000	3200	4000	4500	5000	6000	6500	7000	8000	10000
最大钩载 W/tf	GB1806－79	120				220		300		400			600
	苏76*标准	120	140		170		200		250		320		400
	罗75*标准	100		125			200			320		400		500

　注：*指1976年或1975年标准。

首次标准发布以来，至今已进行了2次修订，它们在规范和促进我国石油钻机发展上起到了重要作用。前后标准对比见表2。

表2　历次钻机标准主要参数对比

智能交通信号灯

钻机级别型号		GB1806－79			ZJ20		ZJ32	ZJ45	ZJ60	ZJ80
		GB1806－86		15	20		32	45	60	80
		1999修订	10／600	15／900	20／1350	30／1700	40／2250	50／3150	70／4500		120／9000
钻深 H／ m	5英寸*钻杆	GB1806－79			2 000		3200	4500	6000	8000
	5英寸*钻杆	GB1806－86		900～1500	1300～2000		1900～3200	3000～4500	4000～6000	5000～8000
	5英寸*钻杆	1999修订	500～800	700～1400	1100～1800	1500～2 500	2000～3200	2800～4500	4000～6000	5000～8000	7000～10000
	41／2＂钻杆	1999修订	500～1000	800～1500	1200～2000	1600～3000	2500～4000	3500～5000	4500～7000	6000～9000	7500～12000
最大钩载 W／tf		GB1806－79			120		220	300	400	600
		GB1806－86		90	135		225	315	450	585
		1999修订	60	90	135	170	225	315	450	675／585	900
绞车最大输入功率 P/hp		GB1806－79			550		1000	1500	2000	3000
		GB1806－86		450	700		1000	1500	2000	3000
		1999修订	270	450	550	750	1000	1500	2000	3000	4000
滚筒钢丝绳直径 d/m(英寸)		GB1806－79			28.5		32.5	32.5或34.5	34.5	39.5
		GB1806－86		26	28.5		32.5	34.5	38	41.5
		1999修订	22／7／8	26／1	29／11／8	32／11／4	32／11／4	35／13／8	38／11／2	42／15／8	52／2
游动系统绳数 ndmax		GB1806－79			8／8		8／10	10／12	10／12	12／14
		GB1806－86		8／8	8／8		8／10	10／12	10／12	12／14
		1999修订	6／6	8／8	8／8	8／10	8／10	10／12	10／12	12／16，10／14	12／16
钻台高度 h/m		GB1806－79			2.8		4.2～4.5	4.5(6)	6	8～9
		GB1806－86		3，4.5			4.5，6，7.5		6，7.5，9	7.5，9
		1999修订	3，4	4，5		5，6，7.5		7.5，9，10.5，12
钻井泵单台功率不小于 Pd/hp		GB1806－79			350，500		800，1000	1000，1300	1300，1600	1600
		GB1806－86		350，800			800，1000，1300		1 300，1 600	1600
		1999修订	350	500	800	1000		1300	1600	1600

2　美国石油钻机技术基本作法

美国在世界石油钻机技术和销售量上均属首位，与国际技术接轨实质上是与以美国为代表的技术作法及采用API规范接轨。我国石油钻机标准采纳了这一趋向。
就普遍使用的机械驱动钻机而言，美国在60年代已达成熟阶段，从那时至70年代其石油机械制造业得到迅速发展。钻机制造公司主要有8大家，统计1973年美国286个陆地和40个海洋钻井公司使用的1 891台钻机，这8家所占比例达90%，其中尤以National、Emsco、Ideco公司为甚，它们所占比例分别为，National30.8%，Emscoo 13.9%,Ideco10.7%，Oil Well8.25%，Mid-Continent8.25%，Wilson7.15%，Cardner-Denver5.15%，Brewster4.85%。
美国没有像苏、罗、我国等将诸多因素(参数)合在一起的钻机标准，但各公司均有自已的绞车、天车、游车、大钩、水龙头、转盘、传动装置、钻井泵、井架和底座等主机标准，API的相关规范和推荐作法，它们均采用。根据钻井公司的要求，将这些主机配套成钻机，很机动灵活。当确定钻机钻深能力时，下列因素都是重要的：井架承载能力;提升系统承载能力；动力机组功率；绞车功率及负荷能力；钻井泵功率；钻台高度及承载能力；转盘开口及承载能力等。
上述诸多因素中绞车性能是最基础的因素，它是将动力转换成提供起升负荷能力的源泉，无怪乎美国人把绞车视为钻机。由于钻柱质量是决定井深很重要的出发点，他们的设备标准中唯独绞车标有井深参数。最初是以41／2英寸钻杆为计算井深基础，虽然后来出现5英寸无细螺纹钻杆，其水力和承载性能比41／2英寸钻杆为好，但绞车产品已经形成，所以仍沿用原来的4 1／2 英寸钻杆所标定的井深。用5英寸钻杆钻井时，额定井深的钻杆质量要增大一些，标定井深要打点折扣。由于绞车使用说明书中均有游动系统绳数与各档载荷能力表和提升曲线，实际钻井作业可根据需要按这些表或曲线来选择载荷和速度。80年代后期，美国很多公司的样本在绞车参数中“41／2”字样已不再注明。
几十年来美国钻机的主机在总体上基本没有变化，对比了National公司1976-1977年绞车参数与1998-1999年National-Oilwell两公司合并后公布的绞车参数与性能数据完全一样；Emsco公司也基本如此，两公司绞车载荷参数见表3～12。它们摘至1998-1999年National-Oilwell样本和1986-1987年Emsco公司样本，供参阅。

表3　National-Oilwell公司绞车载荷参数(表3～8)
80B(机械驱动M)、80UE(电动E)(1 000 hp 12 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	6	156	145	136	89	93	52	45	36	25	30
	8	202	189	177	116*	120*	68	59	48	32	39
	10	245	227	216	141	145	82	73	59	39	45

表4　110M、110UE(1 500 hp 16 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	250	227	205	145*	145*	100	82	57	39	52
	10	305	275	248	177	177	123	98	68	48	64
	12	355	323	291	207	207	143	114	80	57	73

表5　1320M、1320UE(2 000 hp 20 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	353	300	291	186*	189*	116	123	70	45	77
	10	418	366	355	227	230	141	150	86	55	93
	12	486	427	414	264	268	159	173	100	64	109

表6　1625M、1625DE(3 000 hp 25 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	484	400	341	223*	250*	148	159	105	68	98
	10	591	489	414	273	305	180	193	127	82	120
	12	691	568	482	318	357	209	227	145	95	141
	14	784	645	550	359	405	239	257	168	109	159

表7　M-3000、E-3000(3 000 hp 30 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	400	400	286	199	200	141	148	100	67	82
	10	488	488	343	239	241	165	177	120	81	100
	12	556	556	398	275*	277*	190	205	139	94	116
	14	624	624	446	309	311	213	229	155	105	130
	16	694	694	496	344	346	237	255	173	117	145

表8　2040-E(4 000 hp 40 000 ft)

滚筒轴离合器		低速		高速
档　号		低档	高档	低档	高档
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	663	400*	220	133
	10	799	482	265	160
	12	925	558	306	185
	14	1 040	629	345	208
	16	1 148	693	380	230

表9　Emsco公司绞车载荷参数表(表9～12)
D-3-Ⅲ(机械驱动M)、D -3-Ⅱ(电驱动E)
(1 000 hp 14 500 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	6	154	155	105	71	64	47	34	32	21	20
	8	198	198	135*	91	82	60	44	41	27	25
	10	238	239	162	109	98	73	53	49	33	30
	12	276	277	180	127	114	84	62	57	39	35

表10　C-1-Ⅲ(M)、C -1-Ⅱ(E)(1 500 hp 16 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	266	266	180	120	127	81	69	54	36	34
	10	321	321	217	145*	154*	97	84	66	44	47
	12	371	371	251	168	178	113	97	76	51	54
	14	418	418	282	189	200	127	109	86	57	61

表11　C-2-Ⅲ(M)、C -2-Ⅱ(E)(2 000 hp 25 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	8	346	346	254	167	144	109	85	71	46	46
	10	417	417	305	201	173	132	101	85	56	56
	12	482	482	353	232*	200*	153	117	99	65	65
	14	543	543	398	262	226	172	132	112	73	73

表12　C-3-Ⅲ(M)、C -3-Ⅱ(E)(3 000 hp 30 000 ft)

滚筒轴离合器		低速					高速
档　号		低档		Ⅱ档	高档		低档		Ⅱ档	高档
档　号		M	E	M	M	E	M	E	M	M	E
悬吊绳数下提升载荷能力 W/tf	10	581	581	398	271*	258*	185	146	126	86	82
	12	673	673	461	313	298	214	169	146	100	95
	14	758	758	519	353	336	241	291	165	112	107
	16	835	835	572	389	370	266	210	182	124	118

　 *表示额定井深钻柱质量载荷(下同)

我国于1978年曾分别与美国Ideco、 National两公司进行过技术座谈，分析这些资料和美国其他公司的绞车和钻机情况后，可以得出他们一般的几点技术作法。
a)　井深范围下限是额定井深的55%～70%。
b)　额定井深钻柱质量取41／sysloader2英寸钻杆中间壁厚带接头质量27.5 kg/m(18.5 lb/ft)加钻铤后，平均以30 kg/m(20 lb/ft)乘以额定井深来计算钻柱质量(见表3～12中带*者)。(苏联新系列、罗马尼亚F系列钻机也以30 kg/m计算)。

表13　k取值游动系统效率对比

悬吊绳数	National k＝0.972	API(Emsco)k=0.960
4	0.927	0.908
6	0.894	0.874
8	0.882	0.842
10	0.857	0.811
12	0.835	0.782
14	0.812	0.755
16	0.780	0.728

c)　额定井深钻柱质量的提升钩速要满足0.5～0.6 m/s(100～120 ft/min)的要求，以此考虑机械和绳系效率后来决定绞车输入功率。超深井钻机这一钩速还要高些。
d)　功率为735 kW(1 000 hp)及其以上的绞车，钻井绳数一般采用8或10绳；功率为550 kW(750 hp)以下采用6绳。
e)　通常最大绳数比钻井绳数多4或6绳，以得到较大的载荷增益。
f)　钻井时钢丝绳安全系数不小于3，下套管不小于2。
g)　功率为735 kW(1 000 hp)及以上绞车的滚筒尺寸其直径与绳径比，一般为20倍或大一些，钻井时起一28 m(93 ft)立根在滚筒上缠绕不超过3层；下套管用最大绳数起1立根则到第4层，但未有到5层上去的。层数太多对钢丝绳寿命不利。
h)　游动系统效率计算公式［1］

ηT＝k(1－kn）／［n（1－k）］

式中，k为1根绳和滑轮效率；n为悬吊绳数。
k值有取0.98，0.97，0.96等。API取0.96，National公司取0.972，Emsco公司按API取0.96。对这2种k值各绳系数效率见表13。
i)　功率为550 kW(750 hp)及以上的绞车总体结构一般采用3轴结构(输入、变速、滚筒)，从输入轴至滚筒轴的绞车机械效率取0.904。
j)　为考虑钻井安全，在钻井绳数下绞车最低
档(Ⅰ档)速度的配置要满足当柴油机可能出现故障时，用输入功率的1／2或1台柴油机功率能以一定的钩速提起额定井深钻柱质量(National这一钩速为0.15～0.2 m/s，30～40 ft/min)。

3　1999年修订标准技术分析

3.1　额定井深与井深范围
修订标准将钻机划分为9级。其中部分钻机额定井深对应原标准井深有所调整，如ZJ32型调整为ZJ40型，ZJ45型调整为ZJ50型，ZJ60型调整为ZJ70型，ZJ80型调整为ZJ90型等(见表2)。这与美国多数公司将1 000 hp绞车定为3 660～4 420 m，1 500 hp 定为4 900 m，2 000 hp 定为 6 100 ～6700 m，3 000 hp定为9 144 m等是一致的。如此处理对我国钻机出口和对外承包钻井工程有利。
修订标准井深范围其下限是额定井深的50%～70%，也与美国多数公司一致。这是一种通常作法，并非经济性论证的结果。
3.2　绞车功率与钩速
修订标准确定每级钻机的绞车额定输入功率均不低于美国，提升额定井深钻柱质量(以下简称钻柱载荷)的钩速也不低于美国，达到0.50～0.63 m/s(98～124 ft/min)。钩速按下式计算。

vH＝75PR．ηDW．ηT／FH＝75PH／FH，

式中，vH为大钩提升钩速，m／s；PR为绞车额定输入功率，hp；PH为大钩钩功率，hp；ηDW为绞车机械效率，取0.904；ηT为钻井绳数时的游动系统效率(按表13，National公司值)；FH为额定井深钻柱载荷kg,对41／2英寸钻杆，FH=30 kg/m×该额定井深；对5英寸钻杆FH=36 kg/m×该额定井深。
计算结果与美国对比见表14。ZJ10型～ZJ120型钻机的钩速分别达到107，118，108，98，98，114，110，124，124 ft/min。5英寸钻柱的钩速也达到同样水准。

表14　绞车功率与钩速对比

国家或公司	钻机或绞车型号	绞车输入功率P/hp	井深 H/m	钻井绳数n	41／2 英寸钻柱质量m/t	41／2英寸钻柱钩速v		5英寸钻柱钩速v
国家或公司	钻机或绞车型号	绞车输入功率P/hp	井深 H/m	钻井绳数n	41／2 英寸钻柱质量m/t	m．s－1	ft．min－1	m．s－1	ft．min－1
SY／ T5609 —1999	ZJ10	270	500～1 000	6	30	0.545	107	0.57	112
	ZJ15	450	800～1 500	8	45	0.598	118	0.53	104
	ZJ20	550	1 200～2 000	8	60	0.548	108	0.51	100
	ZJ30	750	1 600～3 000	8	90	0.498	98	0.50	98
	ZJ40	1 000	2 500～4 000	8	120	0.498	98	0.50	98
	ZJ50	1 500	3 500～5 000	10	150	0.581	114	0.54	106
	ZJ70	2 000	4 500～7 000	10	210	0.553	110	0.54	106
	ZJ90	3 000	6 000～9 000	12	270	0.629	124	0.59	116
	ZJ120	4 000	7 500～12 000	12	360	0.629	124	0.63	124
	610	750	1 829～3 048	6*	91		99
	80B	1 000	2 438～3 658	8	110		107
National	110M	1 500	3 353～4 877	8	146		119
-oilwell	1320M	2 000	3 962～6 096	8	183		128
	M3000	3 000	～9 144	12	274		122
	2040E	4 000	6 096～12 192	8	366		128
	D-2	750	2 134～3 658	8*	110		80
	D-3-Ⅲ	1 000	3 048～4 420	8	抗菌防臭袜133		88
Emsco	C-1-Ⅲ	1 500	3 658～4 877	10	146		117
	C-2-Ⅲ	2 000	3 962～7 620	12	229		97
	C-3-Ⅲ	3 000	4 877～9 144	10	274		126

注：*两公司钻井绳数按该公司绞车“绳系与钩载表”(表3～12)选择与钻柱载荷相近的绳数确定的。

3.3　钻井绳数与最大绳数、钢丝绳直径
上文提到的绞车功率或钩功率只是一种能力确定，对绞车系统和游动绳系实现这一钩速与钩载要涉及一系列因素，如绳数、绳拉力、绳径、滚筒尺寸与旋转速度、离合器扭矩等。这些因素如何比较优化地匹配，是具体设计时要确定的问题，但其中绳系是首要因素，它是决定其他因素的基础。由于钩速与钩载除与绞车输入功率成正比外，还与提升系统绳数有关，也就是说，要满足提升钻柱载荷达到要求的100～120 ft/min的钩速标定在什么绳数下的问题，这就是钻井绳数的概念。它影响着钻机的性能，标准中需要确定这一参数。
钻井绳数在美国没有统一规定， National公司设计准则是，对1 000 hp及以上的绞车钻井绳数定为8绳，用此绳数提升钻柱载荷设在第Ⅲ档上， Emsco公司也基本相近；在这样前提下，设计派生出各档、各绳数的钩载能力(见表3～12)。
钻井时是否一定要用钻井绳数?如果井身结构出现的载荷小于、等于或略大于钻柱载荷，为减少起下钻时间，提高钻井时效，一直使用钻井绳数是合算的；若出现的载荷很大或下很重的套管，是先用钻井绳数然后倒绳，还是一次穿到最大绳数，就要权衡地层复杂情况与时间得失由钻井工程来考虑。
最大绳数是为取得更大载荷增益能力而设计的，确定多少根为宜?它除考虑钢丝绳安全系数及其他承载件允许条件外，还应考虑在滚筒上缠绳层数不要太多。因为当下技术套管(一般最重)倒到最大绳数时还要继续钻井，仍要进行起下钻作业，由于用最大绳数起28 m立根的缠绳量比钻井绳数多，导致在滚筒上缠绳层数多。按API RP 9B推荐作法要求，在滚筒上缠绕的钢丝绳最好不要超过3层。所以确定最大绳数时要顾及层数原则(API RP 9B推荐：如果用一个合适的卡子，将活绳头卡紧在滚筒上，固定圈数有9圈就足够了，如果滚筒直径为φ660 mm或更大些，则5圈就够了。即在计算缠绳量时可不计绳长)。
修订标准确定的钻井和最大绳数基本与美国主要公司一致，对比数据见表15。

表15　修订标准钻井和最大绳数与美国公司对比

绞车功率 P/hp		270	450	550	750	1 000	1 500	2 000	3 000	4 000
中国 National Emsco	绳数 n								，
									，

分析了National各级绞车的绳径、滚筒尺寸与缠绳层数(第1层开始7圈不计绳长)，钻井绳数起28 m立根均在3层上，最大绳数起28 m立根不超过4层。其他公司滚筒尺寸、绳径与National非常接近(见表16)，显然也不会超过3层或4层。

表16　滚筒尺寸、绳径对比

公司	绞车型号	输入功率P/hp	井深H/m	滚筒尺寸直径×长度 D×L／mm	绳径d/英寸	中国绳径 dc/英寸
National	610电缆卷筒卷线盘	750	1 829～3 048	508×1 187	11／8	11／4
	80B	1000	2 438～3 658	635×1 245	11／4	11／4
	110M	1500	3 353～4 877	686×1 245	13／8	13／8
	1320M	2000	3 962～6 096	762×1 429	13／8	11／2
	1625M	3000	4 877～7 620	914×1 556	11／2
	M3000	3000	9 144	914×1 575	15／8，13／4	15／8
	2040E	4000	6 096～12 192	1 066×1 829	15／8，2	2
Emsco	D-2	760	2 134～3 658	508×1 308
	D-3-Ⅲ	1 000	3 048～4 420	603×1 270
	C-1-Ⅲ	1 500	3 658～4 877	686×1 245
	C-2-Ⅲ	2 000	3 926～7 620	762×1 473
	C-3-Ⅲ	3 000	4 877～9 144	893×1 575
Ideco	H-900	1 000	2 000重复数据删除～3 000	559×1 168	11／8
	H-1200	1 200	2 500～4 000	635×1 270	11／4
	H-1700	1 700	3 000～5 000	711×1 270	11／4～13／8
	H-3000	2 000～4 000	4 500～最深	914×1 562	13／8～11／2
Dreco	1000M	1 000	3 048～4 268	635×1 270	11／4
	1500M	1 500	3 963～5 488	686×1 270	13／8
	2000M	2 000	4 573～6 707	762×1 422	11／2
	3000E	3 000	5 488～9 146	914×1 574	15／8～13／4
	4000E	4 000	～15 244	1 066×1 829	13／4～2
Qilwell	760	746	2 134～3 658	634×1 264
	860	1 044	3 048～4 877	711×1 321
	M-2000	1 492	～6 096	813×1 441
	M-3000	2 238	～9 144	914×1 575
Oime	SD5-M	912	2 134～3 353	572×1 118	11／8
	SD7-M	1 217	2 438～3 658	635×1 270	11／4
	SD9-M	2 028	3 902～6 096	686×1 270	13／8
	SD11-M	3 042	5 486～7 620	813×1 422	13／8～15／8
苏联		775	2 500	700×1 200	11／8
		898	3 000	650×840	11／8
		1 088	5 000	800×1 030	11／4
		2 516	8 000	930×1 540	11／2

按修订标准确定的绳径，以National的滚筒尺寸，对ZJ50型～ZJ120型钻机起28 m立根缠绳层数进行计算，其结果如下：
a)　ZJ50型　钻井绳数10，超过3层在4层上；最大绳数12，基本缠满4层。
b)　ZJ70型　钻井绳数10，基本缠完3层；最大绳数12，缠在4层上。
c)　ZJ90型　钻井绳数10，缠在3层上；最大绳数14，缠在4层上。钻井绳数12，基本缠完3层，最大绳数16，缠在4层上。
d)　ZJ120型　钻井绳数12，缠在3层上，最大绳数16，缠在4层上。
修订标准在处理ZJ70型钻机绳径问题上，选取了 38 mm(11/2英寸)，比National和Oime公司的2 000 hp绞车35 mm(13／8英寸)绳径要大(见表16)，从而将额定井深提高到7 000 m；对ZJ90型钻机的绳径采用了42 mm(15／8英寸)，比National1625M型3 000 hp绞车38 mm(11/2英寸)绳径要大，同时将最大绳数增到16、最大钩载增到680 t，从而把原标准8 000 m钻机提到9 000 m。这些举措是恰当和必要的，满足了钻机提级的需要。
3.4　最大钩载与绳安全系数
最大钩载是因设置了最大绳系而带来的承载增益。美国绞车提供的最大钩载是基于钻井绳数下，利用最低档(Ⅰ档)大于提升钻柱载荷档的载荷升值，再进一步通过最大绳数而得到的。计算公式为：

Fmax=FD．nmax．ηmax／(nD．ηD），

式中，Fmax为最大绳数时绞车Ⅰ档钩载；FD为钻井绳数下绞车Ⅰ档钩载；nmax为最大绳数；nD为钻井绳数；ηmax为最大绳数时游动系统效率；ηD为钻井绳数时游动系统效率。
公式表明，在钻柱载荷及钩速档定位(定在几档、钻井绳数多少?)的基础上，合理拉大最大绳数与钻井绳数间隔、Ⅰ档与提升钻柱载荷档的载荷比，能得到较多的载荷增益。National和Emsco公司的绞车Ⅰ档与提升钻柱载荷档的载荷比为1.6～2.2(见表3～12)。
要说明的是，美国绞车提供的最大钩载，表示的是绞车本身可承受的钩载能力，不代表整个钻机的载荷能力，它将受到所配提升系统设备的载荷能力限制。National公司各级绞车最大钩载与该公司相应的游车载荷和绳数比较接近(见表17)，而Emsco公司绞车最大钩载要选大一级的游车才能与之最大绳数配套(见表18)。两公司提升设备均符合API Spec 8C载荷系列等级。

表17　National绞车与游车匹配

游车型号	A350		B500		B650		A750		1000
滑轮数n	5	6	6	7	6	7	7	8	7	8
API额定载荷W/tf	318		454		590		680		908
绳径D/英寸	11／8， 11／4		13／8， 11／2		13／8， 11／2，15／8		15／8， 13／4		13／4，2
绞车型号	80B		110M 1320M		1320M		M3000		2040E
绳径d／英寸	11／4		13／8 13／8		13／8		15／8 13／4		2
最大钩载 Wmax／tf	245		355 486		486		694		1 148
最大绳数 nmax	10		12　12		12		16		16
对应轮数n	5		6　 6		6		8		8

表18　Emsco绞车与游车匹配

游车型号	250TB	350TB	500TB	650TB	750TB	875TB	1000TB
滑轮数n	5	5	6	6	7 8	8	8
API额定载荷W/tf	227	317	454	590	680	794	908
绳径d／英寸
绞车型号			D-3-Ⅲ		C-1-Ⅲ C-2-Ⅲ	C-3-Ⅲ	C-3-Ⅲ
绳径 dt/英寸
最大钩载 Wmax/tf			276		418 543	835	835
最大绳数 nmax			12		14 14	16	16
对应轮数n			6		7　7	8	8

我国钻机最大钩载是直接按照API Spec 8C相应的载荷等级圆整成尾数为0和5的值确定的。就National所配提升设备载荷能力而言，我国2 000 hp以上钻机的最大钩载不比该公司小。
钢丝绳安全系数应遵循了API RP 9B推荐值要求，钻井时不小于3、下套管不小于2。通过计算，列出了我国各级钻机钻柱载荷和最大钩载的绳安全系数与美国的对比(见表19)。表中的绳公称拉力引至我国1998年《石油天然气工业用钢丝绳规范》送审稿中表8超级犁钢数值。

表19　钻柱载荷、最大钩载与绳安全系数对比

	国家或公司	钻机或绞车型号	绞车输入功率 P／hp	井深 H／m	绳数钻井 nmax	41／2 英寸钻柱质量 m／t	最大钩载 Wmax/tf	钻井快绳拉力 W／kgf	最大钩载快绳拉力 Fmax／kgf	绳径 d／英寸	绳拉力 F'／kg	绳安全系数n
	国家或公司	钻机或绞车型号	绞车输入功率 P／hp	井深 H／m	绳数钻井 nmax	41／2 英寸钻柱质量 m／t	最大钩载 Wmax/tf	钻井快绳拉力 W／kgf	最大钩载快绳拉力 Fmax／kgf	绳径 d／英寸	绳拉力 F'／kg	钻井	下套管
	SY/T 5609 —1999	ZJ10	270	500～1 000	6／6	30	60	5600	11 186	7／8	36 086	6.44	3.20
		ZJ15	450	800～1 500	8／8	45	90	6400	12 755	1	46 891	7.32	3.67
		ZJ20	550	1 200～2 000	8／8	60	135	8500	19 133	11／8	59 021	6.94	3.08
ZJ30	750	1 600～3 000	8／10	90	170	12 760	19 837	11／4	72 477	5.68	3.65
ZJ40	1 000	2 500～4 000	8／10	120	225	17 000	26 254	11／4	72 477	4.26	2.76
ZJ50	1 500	3 500～5 000	10／12	150	315	17 500	31 437	13／8	8 7054	4.97	2.77
ZJ70	2 000	4 500～7 000	10／12	210	450	24 500	44 910	11／2	102 956	4.20	2.29
ZJ90	3 000	6 000～9 000	12／16	270	675	26 950	54 487	15／8	119 266	4.40	2.19
ZJ120	4 000	7 500～12 000	12／16	360	900	35 930	72 917	2	179 409	4.99	2.46
National Oilwell		80B	1 000	2 438～3 658	8／10	110	245	15 590	28 508	11／4	72 477	4.64	2.53
		110M	1 500	3 353～4 877	8／12	146	355	20 692	35 329	13／8	87 054	4.20	2.46
		1320M	2 000	3 962～6 096	8／12	183	486	25 935	48 503	1 3／8	87 054	3.35	1.79
		M3000	3 000	～9 144	12／16	274	694	27 345	55 609 环境风洞	13／4	138 634	5.07	2.49
		2040E	4 000	6 096～12 192	8／16	366	1 148	51 870	91 987	2	179 409	3.46	1.95
Emsco		D-3-Ⅲ	1 000	3 048～4 420	8／12	133	276	18 849	27 545
		C-1-Ⅲ	1 500	3 658～4 877	10／14	146	418	17 036	36 770
		C-2-Ⅲ	2 000	3 962～7 620	12／14	229	543	22 854	47 766
		C-3-Ⅲ	3 000	4 877～9 144	10／16	274	835	31 972	66 907

3.5　钻井泵功率
对1968年国外1 000余台在用钻机的统计资料表明［3］，每米井深与配泵功率的平均关系为：小于2 600 m的钻机配0.244 hp/m，2 600～3 600 m钻机配0.287 hp/m、大于3 600 m钻机配0.328 hp/m，70年代末期提高到0.4 hp/m。
90年代以来，配泵功率又有增加。1998年美国Nabors钻井公司来华谈到国外在使用1 300，1 600 hp(960，1 180 kW)泵时，由于泵压提高，泵的机壳刚性已明显不足；我国南海南方钻井公司也有使用泵压达40 MPa的纪录。他们提出1 470 kW级的额定泵压要由35 MPa提高到52.5 MPa。
1998年修订标准改变了以往配单泵功率可以从小到大的范围中任选的作法，而是规定了所配单泵功率的最小值，且此值是以往标准中单泵的上限功率值(见表2)。其好处有：
a)　提高钻机适应钻井工艺的能力。
b)　可能在全井段(除表层)实现单泵钻井，轮休保养泵，减少辅助时间。
c)　软特性传动钻机，可不换或少换缸套，泵不会超载，压力提高后使用低冲次还能延长易损件寿命。
3.6　井架高度
1998年修订标准对ZJ120型钻机的井架，明确可采用37 m立根，对ZJ90型钻机未作明确。这是因为3 000 hp绞车的通行滚筒尺寸和绳径，如果采用37 m立根在滚筒上的缠绳，无论钻井绳数为10或12都要超过3层，最大绳数14或16也要超过4层到第5层上去。否则滚筒尺寸要设计得比国外大，对绞车结构性能不利。

4　结论

修订标准制定的钻机井深级别覆盖范围宽、扩展了万米级钻机、井深标定与国外接轨、性能参数不低于美国先进水平并与API规范一致，驱动型式多样化等等这些特点，必将进一步推动我国石油钻机的发展，提高我国钻机在国际上的地位，促进我国钻井事业走向世界

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