第一節(jié) 產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

七大石油鉆機(jī)的技術(shù)發(fā)展

1、常規(guī)游梁式石油鉆機(jī)

常規(guī)游梁式鉆機(jī)是油田使用歷史最悠久，使用數(shù)量最多的一種鉆機(jī)。該機(jī)采用具有對稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)或近似對稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，但長沖程時(shí)平衡效果差，效率低，能耗大，不符合節(jié)能要求，基本停止了生產(chǎn)。

2、前置式鉆機(jī)

前置式鉆機(jī)平衡后的理論凈扭矩曲線是一條比較均勻的接近水平的直線，因此其運(yùn)行平穩(wěn)，減速箱齒輪基本無反向負(fù)荷，連桿、游梁不易疲勞損壞，機(jī)械磨損小，噪聲比常規(guī)式鉆機(jī)低，整機(jī)壽命長。前置式鉆機(jī)可配置較小功率的電動機(jī)，節(jié)能效果顯著。與常規(guī)式鉆機(jī)相比，具有體積小、重量輕、節(jié)省鋼材的優(yōu)點(diǎn)。

3、偏置式鉆機(jī)

偏置式鉆機(jī)又稱異相曲柄平衡式鉆機(jī)，特點(diǎn)是平衡塊中心線相對于曲柄中心偏轉(zhuǎn)一個角度，這種機(jī)型國外60年代發(fā)展起來并得到API的承認(rèn)。試驗(yàn)表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的偏置式鉆機(jī)節(jié)電可達(dá)20％。

4、膠帶傳動鉆機(jī)

膠帶傳動鉆機(jī)是美國80年代開發(fā)的新型抽油設(shè)備，該機(jī)通過二級膠帶傳動，將電動機(jī)的原動力傳給曲柄膠帶輪，并帶動游梁擺動。由于其四連桿機(jī)構(gòu)具有急回特性，而且其輔助平衡裝置可作適當(dāng)調(diào)整以獲得偏置角，因而與常規(guī)機(jī)相比，其上沖程轉(zhuǎn)矩因數(shù)小，驢頭懸點(diǎn)加速度小。在相同的工況下，其懸點(diǎn)載荷值和曲柄膠帶輪軸的凈轉(zhuǎn)矩都較小，曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩曲線波動較平緩。由于省去了減速箱，故具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，維修及運(yùn)行管理方便等特點(diǎn)。

5、下偏杠鈴鉆機(jī)

下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡鉆機(jī)是在原常規(guī)游梁鉆機(jī)的游梁尾端，利用變矩原理增加簡單的下偏杠鈴所形成的一種新型節(jié)能鉆機(jī)。該機(jī)繼承和保留了原常規(guī)游梁式鉆機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)，這種類型可用于新機(jī)制造，又可用于現(xiàn)場在用的常規(guī)鉆機(jī)(含偏置機(jī))的節(jié)能改造，其改造技術(shù)是目前最簡單易行的，節(jié)能效果也較明顯。

6、偏輪式游梁鉆機(jī)

偏輪機(jī)在游梁尾部裝有一個偏輪結(jié)構(gòu)：在偏輪與游梁中心和支架之間增設(shè)推桿，在游梁尾部、橫梁、推桿與偏輪之間用軸承連接。它打破常規(guī)機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的框架，以游梁尾部的偏輪為中心，形成獨(dú)特的六連桿體系，偏輪桿件均為剛性連接，保持了常規(guī)機(jī)的特點(diǎn)。

7、雙驢頭游梁式石油鉆機(jī)

該石油鉆機(jī)是將常規(guī)機(jī)游梁與橫梁的鉸鏈連接，改為變徑圓弧的后驢頭、鋼絲繩與橫梁之間的軟連接，構(gòu)成變參數(shù)四桿機(jī)構(gòu)來傳遞運(yùn)動和扭矩，增加游梁擺角，沖程提高20％～70。由于采用變徑圓弧的游梁后臂，使其實(shí)現(xiàn)負(fù)載大時(shí)平衡力矩大，負(fù)載小時(shí)平衡力矩小的工作狀態(tài)。從而使減速器輸出扭矩波動小，達(dá)到加強(qiáng)平衡，降低能耗的目的。這種機(jī)型是目前除常規(guī)機(jī)以外發(fā)展最迅速的機(jī)型。

頂驅(qū)鉆機(jī)的優(yōu)勢

頂驅(qū)介紹

頂部驅(qū)動鉆井裝置TDS（TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM），是美國、法國、挪威近20年來相繼研制成功的一種頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)。它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。該系統(tǒng)顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，并已成為石油鉆井 行業(yè) 的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。自20世紀(jì)80年代初開始研制，現(xiàn)在已發(fā)展為最先進(jìn)的整體頂部驅(qū)動鉆井裝置IDS（INTEGRATEDTOPDRIVEDRILLINGSYSTEM），是當(dāng)前鉆井設(shè)備自動化發(fā)展更新的突出階段成果之一。

頂部驅(qū)動裝置的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤鉆井法發(fā)生了變革，誕生了頂部驅(qū)動鉆井方法。該方法在1000多臺海洋鉆機(jī)和特殊陸地鉆機(jī)上的成功使用，得到了使用者和市場的認(rèn)同。它的重要意義是促進(jìn)了海上和陸地鉆井技術(shù)自動化的進(jìn)步；其另一個意義則在于：頂部驅(qū)動鉆井使用自動化接單根起下鉆設(shè)備，從而不必要再試制和 研究 始于20世紀(jì)60年代的方鉆桿接單根方法。

頂部驅(qū)動鉆井裝置的旋轉(zhuǎn)鉆柱和接卸鉆桿立根更為有效的方法。該裝置可起下28M立柱，減少了鉆井時(shí)三分之一的上卸扣操作。它可以在不影響現(xiàn)有設(shè)備的條件下提供比轉(zhuǎn)盤更大的旋轉(zhuǎn)動力，可以連續(xù)起下鉆、循環(huán)、旋轉(zhuǎn)和下套管，還可以使被卡鉆桿倒劃眼。作為當(dāng)前最新的鉆井方式，有許多不同于方鉆桿鉆井的優(yōu)點(diǎn)。同以前的方法相比，頂部驅(qū)動鉆井裝置還有一些特定優(yōu)點(diǎn)：

1．節(jié)省接單根時(shí)間

頂部驅(qū)動鉆井裝置不使用方鉆桿，不受方鉆桿長度限制，避免了鉆進(jìn)9米左右接單根的麻煩。取而代之的是利用立柱鉆進(jìn)，大大節(jié)省了接單根的時(shí)間，從而節(jié)約了鉆井時(shí)間。

2．倒劃眼防止卡鉆

頂部驅(qū)動鉆井裝置具有使用28米立柱倒劃眼的能力，可在不增加起鉆時(shí)間的前提下，順利地循環(huán)和旋轉(zhuǎn)將鉆具提出井眼。在定向鉆井過程中，可以大幅度地減少起鉆總時(shí)間。

3．下鉆劃眼

頂部驅(qū)動鉆井裝置具有不解接方鉆桿鉆過砂橋和縮徑點(diǎn)的能力。使用頂部驅(qū)動鉆井裝置下鉆時(shí)，可在數(shù)秒內(nèi)接好鉆柱，立刻劃眼，從而減少卡鉆的危險(xiǎn)。

4．人員安全

頂部驅(qū)動鉆井裝置可減少接單根次數(shù)2/3，從而降低了事故發(fā)生率。接單根只需要打背鉗。鉆桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環(huán)、吊卡向下擺至鼠洞，大大減少了人員工作的危險(xiǎn)程度。

5．設(shè)備安全

頂部驅(qū)動鉆井裝置采用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)上扣，上扣平穩(wěn)，并可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或不足。鉆井最大扭矩的設(shè)定，使鉆井中出現(xiàn)蹩鉆扭矩超過設(shè)定范圍時(shí)馬達(dá)會自動停止旋轉(zhuǎn)，待調(diào)整鉆井參數(shù)后再正常鉆進(jìn)，避免設(shè)備超負(fù)荷長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二節(jié) 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝特點(diǎn)或流程

石油與天然氣井逐年增加，況且小油氣田、淺層油氣田、煤層氣井越來越引起世界許多國家的重視，海上油氣田的勘采也是越來越多。各國石油天然氣鉆機(jī)的數(shù)量和鉆進(jìn)深度更加與日俱增。中國石油鉆機(jī)的發(fā)展，驅(qū)動型式由機(jī)械、液力向電驅(qū)動方向發(fā)展。電驅(qū)動鉆機(jī)由直流電向交流變頻方向發(fā)展。鉆機(jī)混合驅(qū)動形式——液電、機(jī)電。

鉆機(jī)的近代技術(shù)：液控盤式剎車；交流變頻驅(qū)動；頂部驅(qū)動系統(tǒng)；液壓驅(qū)動鉆機(jī)。鉆機(jī)今后的發(fā)展趨勢：數(shù)字化、信息化、自動化、智能化；高適應(yīng)性、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性、高移運(yùn)性、大型化。鉆機(jī)控制系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)字式控制技術(shù)，并朝著智能化控制方向發(fā)展：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化。

由于中國目前鉆探設(shè)備與技術(shù)方法還比較落后，出現(xiàn)的問題鉆探效率低、成本高，嚴(yán)重制約了鉆探技術(shù)水平的提高。因此，加強(qiáng)各種資源的勘探開發(fā)力度，大力推進(jìn)鉆探技術(shù)與裝備的現(xiàn)代化， 研究 開發(fā)先進(jìn)鉆探技術(shù)和裝備已迫在眉捷，而且也是鉆探施工單位的共同心聲。

(1)研發(fā)各種全液壓動力頭鉆機(jī)及配套技術(shù)，解決中國資源鉆探中的關(guān)鍵問題，形成具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的、先進(jìn)的全液壓動力頭鉆探裝備系列，加快研制頁巖氣和大口徑瓦斯排放井特殊鉆機(jī)，積極研制新型的水井及地?zé)峋@探設(shè)備，改進(jìn)鉆探工藝，提高鉆機(jī)的機(jī)械化、自動化水平，縮小同國外先進(jìn)水平的差距，實(shí)現(xiàn)中國鉆探技術(shù)跨越式發(fā)展。

(2)在研發(fā)鉆探設(shè)備的前提下，首先應(yīng)對配套的工藝加深了解。盡可能實(shí)現(xiàn)多工藝，克服以往設(shè)備研制同鉆探工藝結(jié)合甚少的弊端。從鉆探技術(shù)飛速發(fā)展對設(shè)備的要求看，常規(guī)的泥漿正循環(huán)已滿足不了施工要求，導(dǎo)致新研制的產(chǎn)品推廣受到限制。

(3)培養(yǎng)高素質(zhì)鉆探技術(shù)人員及先進(jìn)鉆探設(shè)備的推廣應(yīng)用，已成為中國目前許多單位必須認(rèn)真對待的問題。當(dāng)施工中要實(shí)現(xiàn)多工藝鉆探方法以及先進(jìn)的設(shè)備操作難度加大時(shí)，鉆工的技術(shù)水平是否跟得上，購置新產(chǎn)品時(shí)就要考慮，不然會影響生產(chǎn)。

鉆探工程在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中是一項(xiàng)必不可少的技術(shù)方法。過去、現(xiàn)在和將來，在人類物質(zhì)文明創(chuàng)建中具有不可取代和持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。面對十二五期間，中國對礦產(chǎn)能源和現(xiàn)代化建設(shè)的需要，開發(fā)、引進(jìn)新型鉆探設(shè)備勢在必行、刻不容緩。這不僅是國家在關(guān)鍵技術(shù)方面謀求快速發(fā)展、縮短差距、趕上世界先進(jìn)水平的必由之路，也是推動中國鉆探技術(shù)水平邁向新臺階最好的途徑。

第三節(jié) 國內(nèi)外生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢 分析

國內(nèi)外石油鉆機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

(一)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

石油鉆機(jī)是完成石油鉆井任務(wù)的主要工具。從其出現(xiàn)之日起，就與鉆井工藝密不可分。相互促進(jìn)，共同發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外鉆井技術(shù)和裝備也得到了長足的發(fā)展?；仡欍@井技術(shù)和裝備發(fā)展的歷史，可以看到促進(jìn)鉆井技術(shù)及裝備的發(fā)展的動力主要有：提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強(qiáng)度；降低消耗；提高可靠性、安全性和環(huán)保要求；以及經(jīng)濟(jì)性要求——將成本降到最低。對鉆機(jī)的要求可從鉆井工藝的發(fā)展需求上看出：

※鉆井速度更快

1、起升系統(tǒng)能力不斷加大

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，鉆井深度不斷加大，或有一些大斜度井、水平井，雖然垂直深度并不大，但水平位移大。這就要求鉆機(jī)的起升能力不斷加大。更由于海洋深水鉆井作業(yè)的需要，使鉆機(jī)的起升能力達(dá)到空前的高度。如今，鉆井深度為7000m的鉆機(jī)已很普遍，9000m～15000m鉆機(jī)也已出現(xiàn)，15000m以至更大鉆機(jī)的出現(xiàn)也是指日可待的。隨著鉆機(jī)起升能力的加大，也伴隨著如頂驅(qū)、鉆井泵等裝置的不斷加大，從而引起鉆機(jī)設(shè)計(jì)、制造上的不斷突破。

2、絞車、鉆井泵功率不斷加大

在起升能力加大的同時(shí)，要提高鉆井效率，必須要提高絞車和鉆井泵的功率。絞車功率已從2205kW（3000hp）到2941kW（4000hp）以至出現(xiàn)了4412kW（6000hp）的絞車。鉆井泵也從735kW～956kW（1000hp～1300hp）到1176kW（1600hp）以至出現(xiàn)了1618kW（2200hp）的鉆井泵。同時(shí)，鉆井泵的最高泵壓也從20MPa升高到35MPa。鉆井泵功率的加大和配置臺數(shù)的增多，以及最高泵壓的加大，也使得實(shí)現(xiàn)深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝成為可能。也就提高了鉆井的效率。

3、控制參數(shù)不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，特別是隨鉆測量系統(tǒng)的不斷成熟，鉆進(jìn)過程中司鉆要監(jiān)視和控制的參數(shù)也不斷增多。從原有的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓三個主要參數(shù)，增加到8～10個之多。這就要求鉆機(jī)的測量控制系統(tǒng)有更高的能力。在加裝多參數(shù)測量儀的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了數(shù)字化鉆機(jī)，以至智能化鉆機(jī)。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)的不斷完善和全面普及，無疑是促進(jìn)鉆機(jī)向數(shù)字化，以至智能化方向發(fā)展的強(qiáng)有力的推動力。

4、輔助設(shè)備不斷增多 為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，減少工人的勞動強(qiáng)度，井場輔助設(shè)備也不斷增多。主要體現(xiàn)在：

(1)鉆井液固相控制設(shè)備的增多：鉆井液固相控制設(shè)備由原有的振動篩、除砂器、除泥器、除氣器，增加了離心分離機(jī)，（真空）除氣器。鉆井液配置設(shè)備也增加了如剪切泵，出現(xiàn)了密封的添加劑加入裝置等。

(2)氣液分離設(shè)備和油水分離設(shè)備的增多。 (3)井口機(jī)械化程度不斷提高：液壓套管扶正機(jī)、二層臺液壓機(jī)械手、鉆柱機(jī)械化上下臺設(shè)備。

(4)氣源凈化和強(qiáng)制冷卻設(shè)備等專用輔助設(shè)備。

※適應(yīng)性更廣

1、鉆機(jī)分檔合理 2、驅(qū)動方式多樣化 3、機(jī)械化程度不斷提高 4、自動化程度不斷提高 5、智能化程度不斷提高 6、新型鉆井方式不斷出現(xiàn) 。

※消耗降低

1、功率分配更合理 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更巧妙 3、占地面積小 4、短距離整體移動 5、完井方式的改變 。

※可靠性、安全性、環(huán)保要求不斷提高

1、部件、整機(jī)的可靠性要求不斷提高，故障停機(jī)時(shí)間有嚴(yán)格要求。

2、部件、整機(jī)的可維護(hù)性提高，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可修復(fù)。 3、HSE（健康、安全、環(huán)保）要求提高。包括HSE設(shè)計(jì)理念和HSE管理體系的形成。

※經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高

1、鉆機(jī)配套更靈活。 2、鉆機(jī)根據(jù)不同環(huán)境需求專門設(shè)計(jì)、制造。 3、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵要求獨(dú)立驅(qū)動 。

※靈活性提高

1、配套更靈活 2、運(yùn)移方式多樣化 3、井架形式多樣化 4、底座形式多樣化 。

◎概括起來，鉆機(jī)設(shè)計(jì)、制造的趨勢如下：

1、全面 規(guī)劃 、合理布局

制訂標(biāo)準(zhǔn)，使絞車按功率合理分級，鉆機(jī)按鉆井深度合理分級，常規(guī)鉆機(jī)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，使用戶更方便的選擇，更靈活、經(jīng)濟(jì)的使用鉆機(jī)。

2、部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制造

鉆機(jī)大部件，如：絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等，按標(biāo)準(zhǔn)分級成標(biāo)準(zhǔn)化的部件，鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)像搭積木式的選用即可。

3、鉆進(jìn)驅(qū)動方式多樣化

現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動、底部驅(qū)動、頂部驅(qū)動和復(fù)合驅(qū)動等驅(qū)動方式，可供用戶根據(jù)需要選擇。

4、測量控制系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)

測控系統(tǒng)從井口控制到井底測量多點(diǎn)測控，安全監(jiān)控，信息自動測控傳遞，直到智能化鉆機(jī)、數(shù)字化鉆機(jī)。

5、輔助設(shè)備機(jī)械化程度進(jìn)一步提高

如配備鉆柱自動排放和上下臺裝置、鉆井液處理設(shè)備、防噴器吊裝裝置等。

6、適應(yīng)新工藝的發(fā)展

新型鉆機(jī)不斷出現(xiàn)，如小井眼鉆井鉆機(jī)、套管鉆井鉆機(jī)、連續(xù)管鉆井鉆機(jī)、膨脹管鉆井鉆機(jī)等。還有如欠平衡鉆井鉆機(jī)、空氣鉆井鉆機(jī)、泡沫鉆鉆井鉆機(jī)等。

◎目前各級鉆機(jī)的發(fā)展趨勢

1、對3 000 m以下的鉆機(jī)，由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁，要求鉆機(jī)要具有良好的移運(yùn)性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性和可靠性。根據(jù)地域條件和運(yùn)輸條件的要求，可分為車裝鉆機(jī)和撬裝鉆機(jī)兩種形式，應(yīng)大力推廣車裝鉆機(jī)，同時(shí)發(fā)展撬裝鉆機(jī)，電力供應(yīng)充足的地區(qū)，使用電驅(qū)動鉆機(jī)。今后需要開發(fā)高速柴油機(jī)、阿里遜傳動箱和小節(jié)距傳動鏈條。

2、4 000 m鉆機(jī)是當(dāng)前乃至今后一個時(shí)期內(nèi)在國內(nèi)使用的主力機(jī)型鉆機(jī)，市場需求量較大。該級別鉆機(jī)要充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸單元少、拆裝方便、移運(yùn)快捷、可靠性高、價(jià)格適中等特點(diǎn)。對于該級別鉆機(jī)應(yīng)以機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)為主，其重點(diǎn)是發(fā)展機(jī)電復(fù)合型鉆機(jī)、適當(dāng)發(fā)展交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)。

3、5 000—9 000 m鉆機(jī)，由于多用于鉆探井、深井和開發(fā)井，對該級別鉆機(jī)要求技術(shù)含量高、性能先進(jìn)、質(zhì)量可靠、操作維修簡便、機(jī)械化、自動化、智能化程度高，并具有良好的移運(yùn)性。

4、提高鉆機(jī)集裝化程度和高移運(yùn)性能，是今后亟待解決的重點(diǎn)。大型鉆機(jī)應(yīng)采用輪式運(yùn)輸方式；中、小型鉆機(jī)應(yīng)采用獨(dú)立驅(qū)動大模塊運(yùn)輸形式或車載形式。要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是必須對模塊合理組合，簡化傳動結(jié)構(gòu)、減小設(shè)備外形尺寸和減輕設(shè)備重量等方面下功夫。

5、10000 m級鉆機(jī)在國內(nèi)尚屬空白，為適應(yīng)向更廣闊領(lǐng)域及更深層埋藏油氣資源勘探開發(fā)的需要，應(yīng)積極進(jìn)行前期開發(fā)。

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