国内油田用钢丝绳应用状况分析

  摘要：介绍油田用钢丝绳的品种结构及不同用途的选型。分析钻井用钢丝绳的工作特点，钻机井架底座起升用粗直径钢丝绳的使用工况条件 、结构、规格和生产技术要求；分析捞油作业用钢丝绳的工作特点，提出结构选择建议。介绍国内钻机型号及提升钢丝绳直径，指出国内油田主用钢丝绳发展态势。

  关键词：油田；钢丝绳；钻井；捞油；提升

1  油田用钢丝绳品种结构分析
    我国油田作业用钢丝绳需用量约占钢丝绳需求总量的3%~5%。油田作业主用钢丝绳结构为6×19S+IWRC或6×19S+FC。油田钻井用钢丝绳中φ29.0，φ32.0，φ35.0mm为常用规格，约占需求总量为90%。油田采油用钢丝绳的主用结构为18×7，使用的规格有φ9.3,13.0,16.0,19.0,22.0,26.0mm6种，φ22.0mm为常用规格，约占需求总量的64%。油田钻井用钢丝绳通常是定长使用，有1000m，2000m，3000m等多种定尺长度。油田修井作业为间歇式作业，通常将1000m定尺钢丝绳截段使用,250m为常用长度。修井作业用户希望按一次需求长度订购钢丝绳。
    油田作业用钢丝绳采用美国石油学会API9A钢丝绳规范和API RP9B油田用钢丝绳选用和维护的推荐做法。钢丝绳结构包括瓦林吞-西鲁式绳式钢芯、西鲁-填充式绳式芯钢丝绳，也含有19×7，18×7，6×7结构及B，H，G，V型异型股结构钢丝绳。规范还列出有别于国内通称的面接触钢丝绳的压实股钢丝绳、压实钢丝绳，塑料涂覆钢丝绳、塑料填充式钢丝绳、塑料涂覆绳式钢芯绳等特种钢丝绳。其中3×19西鲁式锻打、6×26瓦林吞锻打钢芯钢丝绳，19×19西鲁式锻打股钢丝绳为其他钢丝绳技术标准中极为少见的结构。
    油田常用钢丝绳的用途、结构和规格见表1。表1参考SY/T5025-1999《钻井和修井井架、底座规范》。缩写符号代表的意义：EIPS-超级犁钢级；IWRC-绳式钢芯；RL-右捻；FC-纤维芯；LL-左捻；S-西鲁式；FS-异型股；NPF-非预变形；WS-瓦林吞-西鲁式；FW-填充钢丝；PF-预变形；IPS-优质犁钢级；PS-犁钢级。
    钻井用钢丝绳又称游系统钢丝绳，是钻机提升系统的重要组成部分，是油田主用钢丝绳之一。

2 钻井用钢丝绳工作特点
    石油钻机是一组十分复杂的大型成套设备，除用于一般陆地石油天然气钻井作业外，还要在沙漠、高寒、高原、沼泽、浅滩、海洋等地带使用。在不同环境下工作的钻井用钢丝绳随同钻机要能承受相应恶劣的自然条件。钻井钢丝绳在具体作业过程中还显示出有别于其它工程机械的工作特点。
2.1 规定的安全系数低
    国家石油天然气行业标准《油田用钢丝绳的选用和维护》规定：
    作业类型             最小安全系数
    顿钻绳                    3
    捞沙绳                    3
    钻井绳                    3
    有别于旋挖钻机绞车用绳    3
    桅架竖起和放倒用绳        2.5
    旋转钻井下套管用绳        2
    而《煤矿安全规程》中相近设备安全系数规定的最低值为5，远大于石油行业标准值。
    钢丝绳的使用寿命随安全系数而变化，因此相对地保持高安全系数，一般可以获得较长的钢丝绳使用寿命。
2.2 滚筒直径与钢丝绳公称直径比值大
    国家石油天然气行业标准《油田用钢丝绳的选用和维护》关于滚筒直径的规定，滚筒应足够大，绕在钢丝绳的层数尽可能最少。出于经济上的考虑，滚筒直径的最小值至少是钢丝绳公称直径的20倍。
2.3 耐磨损抗疲劳
    钻井用钢丝绳工作过程中，通常以较高速度频繁起落，频繁地承受加载和卸载，造成钢丝绳承载能力下降。
    钻井用钢丝绳工作条件恶劣，经受反复剧烈的冲击、摩擦、挤压。磨损和疲劳是钻井钢丝绳产生失效的主要原因。
    不良的钻井条件，即高速起落和钢丝绳打滑产生的额外震动，绳槽和滑轮尺寸配合不当，钢丝绳结构选择不当，在轻便钻机上由于钻井作业艰难等原因造成钢丝绳弯折时间过长，会加速钢丝绳疲劳破坏。
2.4 耐腐蚀
    钻井钢丝绳要求能抗油气腐蚀。实践证明在H₂S气氛浓重的环境下，通常高碳钢材质的钻井钢丝绳易产生锈蚀，缺乏足够防护时会严重影响钢丝绳使用寿命。瑞典Sandvik公司为满足酸性油井开发的需要，研究开发出酸性油井专用不锈钢丝绳。可能我国目前尚不具备实施条件，但可从中得到启发。在线材用钢中加入Cr、Ni等元素形成合金钢线材的思路和是值得借鉴的。
2.5 使用排绳装置和稳定器
    通常在装有排绳装置和稳定器的钻机上使用。API RP 9B规范亦有相应的明确规定。鉴于钻井钢丝绳的工作特点，绞车滚筒上的钢丝绳必须排列整齐。否则滚筒上的钢丝绳受到的挤压不均，极易造成损坏。钢丝绳运行时抖动和振动引起钢丝绳的过早疲劳破坏。
    国内部分钻井钢丝绳通常在装有排绳装置和钢丝绳稳定器的钻机上工作，如江苏油田45/58钻井队安装的是XW32-28型全自动排绳等。我国钻井公司在委内瑞拉等国家钻采作业反馈的信息显示：国外钻机不仅必备滚筒排绳器，而且在《钻井施工HSE工作做法》中明确规定：为防止钢丝绳排乱，安装在钢丝绳上的排绳器一定要安装牢靠、确定专人检查保养，以防止发生危险。
2.6 对钢丝绳长度有特殊要求
    钻井用钢丝绳有合理的储备数量，实际作业中要根据预定方案和钻机实际做功数量（国外通用千牛-公里表）实施倒换和切除。
    随着使用时间的增加，对钻机用钢丝绳按预定方案进行倒换切除，可以大大延长其使用寿命。
    影响钢丝绳寿命的因素：井架高度、天车滑轮的直径、游动滑轮、绞车滚筒的直径和高度、装绳数、死绳固定器、钢丝绳晚点器和导向滚轮、钻井队的工作经验、井的深度、井下条件、钻杆尺寸、钻链的尺寸和数目、钻具检验、钢丝绳变位角等。
    1000m定尺钻井钢丝绳为国内使用较多的长度。大于1000m的其它长度钻井钢丝绳日渐增多，并逐渐形成新的用绳长度系列。

3 油田主用钢丝绳
3.1 钻机井架底座起升用粗直径钢丝绳
    根据钻机的用途及企业习惯不同，钻机井架底座起升用粗直径钢丝绳通常选用光面或镀锌两种表面状态的钢丝绳。
3.1.1 使用工况要求
    自升式井架与底座的起升用粗直径钢丝绳仅在钻机移动时使用，现场使用频率不高，露天悬挂、承受重载、要求耐磨损、耐腐蚀及较高的安全可靠性。
    实践证明，为保证起升钢丝绳使用的安全性，钢丝绳表面应敷沥青质防护油脂。
3.1.2 产品结构和规格
    钻机井架底座起升用粗直径钢丝绳通常选用的结构规格有6×61+FC-61.0，65.0，67.0，72.0mm；6×37+FC-65.0，72.0mm；6×61+PPC-67.0，72.0mm；6×55SWS+FC-72.0，77.0mm。
3.1.3 出口钻机配套用高性能钢丝绳技术要求
    钢丝绳结构要求为6×61+PPC，右交互捻，A类镀锌，公称抗拉强度1770MPa，180°的要求。
3.2 捞油作业用钢丝绳的结构选择
    捞油作业用钢丝绳的结构选择取决于设备、油脂、作业方式、捞油产量。国内先后使用6×7+FC，6×37+FC，6×19S+FC，18×7+FC等结构钢丝绳均未取得满意的使用效果。
    捞油用钢丝绳在作业过程中，频繁地高速度碰离液面时，钢丝绳会突然卸裁、加载，使钢丝绳产生灯笼状、绳芯散出或钢丝绳扭结等不良现象，直接影响钢丝绳使用寿命。
    根据稠油频繁抽吸作业时间长，捞取液体产量高的作业特点，咸阳石油钢管钢绳有限责任公司研制的特种锻打钢丝绳在长庆油田、四川油田、辽河油田使用效果良好，使用寿命是普通点、线接触钢丝绳使用寿命的2-3倍，并克服了钢丝绳在抽吸油水混合液体中的易打扭现象。此类钢丝绳耐磨损、不松散，显示出较佳的使用性能。
3.3 国内钻机型号及提升钢丝绳直径
    国内钻机型号和提升用钢丝绳的直径见表2

表2 国内钻机型号和提升用钢丝绳的直径

4 国内油田用钢丝绳的发展态势
    （1）随着钻井深度的增加，工矿条件的复杂，新型钻机的增加，国外业务的广泛展开，钻机游动系统使用的6×19S结构钢丝绳的国内局面将发生变化。6×26SW+IWR，6×36SW+IWR等结构钢丝绳需求有增长的态势。有的2ZJ70D钻机已选用相同规格6×36SW+IWR结构钢丝绳。
    （2）海上钻采作业用钢丝绳通常要求高破断拉力、超长度产品，从美国、加拿大等国家进口的钢丝绳比例较高。索具需要特殊工艺生产制造。海上石油钻采作业用钢丝绳的全面国产化已引起国内钢丝绳生产的极大关注，技术攻关已纳入相关主管部门的议事日程。
    （3）借鉴国外钻采作业经验，与国内实际相符合的石油钻机配套钢丝绳索具正在逐渐系列化、科学化。
    （4）油井状况的改变提高了对钻井钢丝绳、刚性、半刚性抽油杆及油田抽油用钢丝绳的技术要求。
    （5）根据不同的作业条件，应科学合理地选择使用钢丝绳表面脂。钢丝绳生产制造企业要重视对钢丝绳表面脂的科学选型和合理使用。
    （6）煤炭等行业对钢丝绳科学合理地维护、使用的经验有被石油钻采作业借鉴、吸纳的价值。