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

七大石油鉆機的技術發(fā)展

1、常規(guī)游梁式石油鉆機

常規(guī)游梁式鉆機是油田使用歷史最悠久，使用數(shù)量最多的一種鉆機。該機采用具有對稱循環(huán)四桿機構或近似對稱循環(huán)四桿機構，結構簡單，運行可靠，操作維護方便，但長沖程時平衡效果差，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

前置式鉆機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，因此其運行平穩(wěn)，減速箱齒輪基本無反向負荷，連桿、游梁不易疲勞損壞，機械磨損小，噪聲比常規(guī)式鉆機低，整機壽命長。前置式鉆機可配置較小功率的電動機，節(jié)能效果顯著。與常規(guī)式鉆機相比，具有體積小、重量輕、節(jié)省鋼材的優(yōu)點。

3、偏置式鉆機

偏置式鉆機又稱異相曲柄平衡式鉆機，特點是平衡塊中心線相對于曲柄中心偏轉一個角度，這種機型國外60年代發(fā)展起來并得到API的承認。試驗表明，經(jīng)優(yōu)化設計的偏置式鉆機節(jié)電可達20％。

4、膠帶傳動鉆機

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

5、下偏杠鈴鉆機

下偏杠鈴游梁復合平衡鉆機是在原常規(guī)游梁鉆機的游梁尾端，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。該機繼承和保留了原常規(guī)游梁式鉆機的全部優(yōu)點，這種類型可用于新機制造，又可用于現(xiàn)場在用的常規(guī)鉆機(含偏置機)的節(jié)能改造，其改造技術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

偏輪機在游梁尾部裝有一個偏輪結構：在偏輪與游梁中心和支架之間增設推桿，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)機四連桿機構的框架，以游梁尾部的偏輪為中心，形成獨特的六連桿體系，偏輪桿件均為剛性連接，保持了常規(guī)機的特點。

7、雙驢頭游梁式石油鉆機

該石油鉆機是將常規(guī)機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，構成變參數(shù)四桿機構來傳遞運動和扭矩，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，使其實現(xiàn)負載大時平衡力矩大，負載小時平衡力矩小的工作狀態(tài)。從而使減速器輸出扭矩波動小，達到加強平衡，降低能耗的目的。這種機型是目前除常規(guī)機以外發(fā)展最迅速的機型。

頂驅鉆機的優(yōu)勢

頂驅介紹

頂部驅動鉆井裝置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動鉆井系統(tǒng)。它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送進，完成鉆桿旋轉鉆進，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) 的標準產(chǎn)品。自20世紀80年代初開始研制，現(xiàn)在已發(fā)展為最先進的整體頂部驅動鉆井裝置IDS（INTEGRATEDTOPDRIVEDRILLINGSYSTEM），是當前鉆井設備自動化發(fā)展更新的突出階段成果之一。

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

頂部驅動鉆井裝置的旋轉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，減少了鉆井時三分之一的上卸扣操作。它可以在不影響現(xiàn)有設備的條件下提供比轉盤更大的旋轉動力，可以連續(xù)起下鉆、循環(huán)、旋轉和下套管，還可以使被卡鉆桿倒劃眼。作為當前最新的鉆井方式，有許多不同于方鉆桿鉆井的優(yōu)點。同以前的方法相比，頂部驅動鉆井裝置還有一些特定優(yōu)點：

1．節(jié)省接單根時間

頂部驅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9米左右接單根的麻煩。取而代之的是利用立柱鉆進，大大節(jié)省了接單根的時間，從而節(jié)約了鉆井時間。

2．倒劃眼防止卡鉆

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

3．下鉆劃眼

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

4．人員安全

頂部驅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程度。

5．設備安全

頂部驅動鉆井裝置采用馬達旋轉上扣，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。鉆井最大扭矩的設定，使鉆井中出現(xiàn)蹩鉆扭矩超過設定范圍時馬達會自動停止旋轉，待調整鉆井參數(shù)后再正常鉆進，避免設備超負荷長時間運轉。

第二節(jié) 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝特點或流程

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的數(shù)量和鉆進深度更加與日俱增。中國石油鉆機的發(fā)展，驅動型式由機械、液力向電驅動方向發(fā)展。電驅動鉆機由直流電向交流變頻方向發(fā)展。鉆機混合驅動形式——液電、機電。

鉆機的近代技術：液控盤式剎車；交流變頻驅動；頂部驅動系統(tǒng)；液壓驅動鉆機。鉆機今后的發(fā)展趨勢：數(shù)字化、信息化、自動化、智能化；高適應性、高經(jīng)濟性、高可靠性、高移運性、大型化。鉆機控制系統(tǒng)逐步轉化為數(shù)字式控制技術，并朝著智能化控制方向發(fā)展：智能化、網(wǎng)絡化、開放化。

由于中國目前鉆探設備與技術方法還比較落后，出現(xiàn)的問題鉆探效率低、成本高，嚴重制約了鉆探技術水平的提高。因此，加強各種資源的勘探開發(fā)力度，大力推進鉆探技術與裝備的現(xiàn)代化， 研究 開發(fā)先進鉆探技術和裝備已迫在眉捷，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及配套技術，解決中國資源鉆探中的關鍵問題，形成具有中國自主知識產(chǎn)權的、先進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，積極研制新型的水井及地熱井鉆探設備，改進鉆探工藝，提高鉆機的機械化、自動化水平，縮小同國外先進水平的差距，實現(xiàn)中國鉆探技術跨越式發(fā)展。

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

(3)培養(yǎng)高素質鉆探技術人員及先進鉆探設備的推廣應用，已成為中國目前許多單位必須認真對待的問題。當施工中要實現(xiàn)多工藝鉆探方法以及先進的設備操作難度加大時，鉆工的技術水平是否跟得上，購置新產(chǎn)品時就要考慮，不然會影響生產(chǎn)。

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

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

國內(nèi)外石油鉆機技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

(一)總體設計技術

石油鉆機是完成石油鉆井任務的主要工具。從其出現(xiàn)之日起，就與鉆井工藝密不可分。相互促進，共同發(fā)展。隨著科學技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)外鉆井技術和裝備也得到了長足的發(fā)展。回顧鉆井技術和裝備發(fā)展的歷史，可以看到促進鉆井技術及裝備的發(fā)展的動力主要有：提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度；降低消耗；提高可靠性、安全性和環(huán)保要求；以及經(jīng)濟性要求——將成本降到最低。對鉆機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，使鉆機的起升能力達到空前的高度。如今，鉆井深度為7000m的鉆機已很普遍，9000m～15000m鉆機也已出現(xiàn)，15000m以至更大鉆機的出現(xiàn)也是指日可待的。隨著鉆機起升能力的加大，也伴隨著如頂驅、鉆井泵等裝置的不斷加大，從而引起鉆機設計、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，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，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、轉速、泵壓三個主要參數(shù)，增加到8～10個之多。這就要求鉆機的測量控制系統(tǒng)有更高的能力。在加裝多參數(shù)測量儀的基礎上，又出現(xiàn)了數(shù)字化鉆機，以至智能化鉆機。當然，計算機技術和現(xiàn)代通訊技術的不斷完善和全面普及，無疑是促進鉆機向數(shù)字化，以至智能化方向發(fā)展的強有力的推動力。

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

(1)鉆井液固相控制設備的增多：鉆井液固相控制設備由原有的振動篩、除砂器、除泥器、除氣器，增加了離心分離機，（真空）除氣器。鉆井液配置設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)氣液分離設備和油水分離設備的增多。 (3)井口機械化程度不斷提高：液壓套管扶正機、二層臺液壓機械手、鉆柱機械化上下臺設備。

(4)氣源凈化和強制冷卻設備等專用輔助設備。

※適應性更廣

1、鉆機分檔合理 2、驅動方式多樣化 3、機械化程度不斷提高 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、結構設計更巧妙 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、整機的可靠性要求不斷提高，故障停機時間有嚴格要求。

2、部件、整機的可維護性提高，在規(guī)定的時間內(nèi)可修復。 3、HSE（健康、安全、環(huán)保）要求提高。包括HSE設計理念和HSE管理體系的形成。

※經(jīng)濟性要求不斷提高

1、鉆機配套更靈活。 2、鉆機根據(jù)不同環(huán)境需求專門設計、制造。 3、轉盤、鉆井泵要求獨立驅動 。

※靈活性提高

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

◎概括起來，鉆機設計、制造的趨勢如下：

1、全面 規(guī)劃 、合理布局

制訂標準，使絞車按功率合理分級，鉆機按鉆井深度合理分級，常規(guī)鉆機嚴格按標準設計、制造，使用戶更方便的選擇，更靈活、經(jīng)濟的使用鉆機。

2、部件標準化設計制造

鉆機大部件，如：絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等，按標準分級成標準化的部件，鉆機設計時像搭積木式的選用即可。

3、鉆進驅動方式多樣化

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

4、測量控制系統(tǒng)進一步加強

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

5、輔助設備機械化程度進一步提高

如配備鉆柱自動排放和上下臺裝置、鉆井液處理設備、防噴器吊裝裝置等。

6、適應新工藝的發(fā)展

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

◎目前各級鉆機的發(fā)展趨勢

1、對3 000 m以下的鉆機，由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁，要求鉆機要具有良好的移運性、經(jīng)濟性、技術先進性和可靠性。根據(jù)地域條件和運輸條件的要求，可分為車裝鉆機和撬裝鉆機兩種形式，應大力推廣車裝鉆機，同時發(fā)展撬裝鉆機，電力供應充足的地區(qū)，使用電驅動鉆機。今后需要開發(fā)高速柴油機、阿里遜傳動箱和小節(jié)距傳動鏈條。

2、4 000 m鉆機是當前乃至今后一個時期內(nèi)在國內(nèi)使用的主力機型鉆機，市場需求量較大。該級別鉆機要充分體現(xiàn)結構緊湊、運輸單元少、拆裝方便、移運快捷、可靠性高、價格適中等特點。對于該級別鉆機應以機械驅動鉆機為主，其重點是發(fā)展機電復合型鉆機、適當發(fā)展交流變頻電驅動鉆機。

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

4、提高鉆機集裝化程度和高移運性能，是今后亟待解決的重點。大型鉆機應采用輪式運輸方式；中、小型鉆機應采用獨立驅動大模塊運輸形式或車載形式。要實現(xiàn)的關鍵是必須對模塊合理組合，簡化傳動結構、減小設備外形尺寸和減輕設備重量等方面下功夫。

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

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