第一節(jié) 市場(chǎng)概述

石油鉆機(jī)自21世紀(jì)以來,國(guó)內(nèi)外 研究 改進(jìn)、開發(fā)創(chuàng)新了多種新型石油鉆機(jī),涌現(xiàn)了許多新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。

石油鉆機(jī)近年來,為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā),美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、意大利等國(guó)先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機(jī)。

石油鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)外在頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、小井眼石油鉆機(jī)、套管鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、自動(dòng)化鉆機(jī)及鉆機(jī)配套技術(shù)方面發(fā)展很快,一些技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。

圖表 21  2009-2014年7月全球石油鉆機(jī) 行業(yè) 市場(chǎng)規(guī)模 分析

第二節(jié) 主要國(guó)家發(fā)展概述

圖表 22  2009-2014年7月美國(guó)石油鉆機(jī) 行業(yè) 市場(chǎng)規(guī)模 分析

圖表 23  2009-2014年7月歐盟石油鉆機(jī) 行業(yè) 市場(chǎng)規(guī)模 分析

圖表 24  2009-2014年7月日本石油鉆機(jī) 行業(yè) 市場(chǎng)規(guī)模 分析

第三節(jié) 主要鉆機(jī)

1）套管石油鉆機(jī)

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術(shù)，被譽(yù)為是21世紀(jì)的前沿鉆井技術(shù)之一。與套管鉆井工藝相配套的套管鉆機(jī)取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進(jìn)行鉆井。1995年以來Tesco公司研制了一種用于套管鉆井的新型鉆井裝備——套管鉆機(jī)。鉆機(jī)安裝在拖車上，采用電一液驅(qū)動(dòng)的頂驅(qū)裝置，通過套管傳遞扭矩，并帶動(dòng)安裝在套管底部鉆具組上的鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。鉆頭固定在一個(gè)專用鉆具組的前部，鉆具組鎖定在套管的底部，并用鋼絲繩與鉆臺(tái)上起下鉆頭的專用絞車相連，當(dāng)需要換鉆頭時(shí)，將鎖定裝置打開，利用絞車將鉆具起出，更換新鉆頭后再用絞車將鉆具送入井底，鎖定在套管底部，操作非常方便迅速。套管鉆井中的鉆頭直徑小于套管內(nèi)徑，若需鉆出大于套管外徑的井眼，則需在鉆頭上部的鉆具上裝一可以收縮的擴(kuò)孔鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)，擴(kuò)孔鉆頭張開，這樣就可以鉆出大于套管外徑的井眼。鉆機(jī)的鉆進(jìn)過程也就是下套管的過程，套管下到井里不再提起，完鉆后即可進(jìn)行固井。1998年6月Tesco公司用新型的套管鉆機(jī)成功地進(jìn)行了鉆井試驗(yàn)，并獲得了兩項(xiàng)美國(guó)專利。

套管鉆井技術(shù)是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的技術(shù)，有著廣闊的應(yīng)用前景。套管鉆機(jī)是一種新型的鉆井設(shè)備，隨著套管鉆井工藝技術(shù)的完善和推廣，套管鉆機(jī)也必將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

2）小井眼石油鉆機(jī)

國(guó)外 研究 小井眼石油鉆井技術(shù)的歷史比較早，但這一鉆井技術(shù)真正引起世界石油界的普遍關(guān)注和對(duì)小井眼鉆機(jī)的技術(shù)開發(fā)還是近十來年的事。20世紀(jì)80年代以來，由于國(guó)際油氣價(jià)格持續(xù)低迷，整個(gè)世界石油工業(yè)很不景氣，加上世界各國(guó)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的呼聲和要求越來越高，許多國(guó)家制定了保護(hù)環(huán)境的法律法規(guī)，嚴(yán)格限制包括石油工業(yè)在內(nèi)的污染、排放和噪音，從而大大增加了對(duì)石油鉆井工程中的環(huán)保壓力和環(huán)保費(fèi)用。各大石油公司和鉆井公司為了生存，為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，千方百計(jì)尋找降低勘探開發(fā)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益與自身競(jìng)爭(zhēng)力的方法和途徑。進(jìn)入90年代以后許多石油公司投入很大的力量開展小井眼鉆井技術(shù)的 研究 和實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)了小井眼石油鉆機(jī)在世界上的迅速發(fā)展。

由于小井眼鉆井技術(shù)在降低油氣勘探和開發(fā)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益、減輕環(huán)境污染等方面比常規(guī)鉆井具有十分突出的優(yōu)越性，另外，原來一直困撓小井眼鉆井技術(shù)發(fā)展的錄井、鉆速、采油、鉆壓等技術(shù)障礙已被解決，故瑞典勘探石油集團(tuán)、比利時(shí)、澳大利亞、英國(guó)的BP公司、法國(guó)的TEP公司、加拿大CS資源公司、美國(guó)AMOCO公司等許多國(guó)家的石油公司積極研制小井眼石油鉆機(jī)。

3）重型石油鉆機(jī)

T160型重型石油鉆機(jī)。

該鉆機(jī)的主要性能指標(biāo)：

鉆井深度5800m

裝機(jī)功率4780kW

發(fā)動(dòng)機(jī)功率4x1195kW

最大鉆柱重量375t

最大鉤載580t

頂驅(qū)裝置功率735.5kW

絞車功率1838.7kW

鉆井泵功率2×1618kW

轉(zhuǎn)盤開口直徑950mm

井架高度61m

鉆臺(tái)高度11m

該鉆機(jī)的主要性能特點(diǎn)：

(1)整個(gè)鉆機(jī)是由現(xiàn)代化的操作臺(tái)控制；司鉆可以坐著操作；各重要鉆井設(shè)備的參數(shù)由操作臺(tái)上的鉆壓表、鉆速表、壓力表的數(shù)字顯示系統(tǒng)顯示。

(2)鉆機(jī)的動(dòng)力由4臺(tái)CAT3512型B系列12缸渦輪增壓柴油機(jī)提供，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)不萊梅ZeppelAch’tm公司提供的Leroy—Somer交流發(fā)電機(jī)。電動(dòng)直接噴油較常規(guī)預(yù)燃室的燃料消耗減少約12％；發(fā)動(dòng)機(jī)放在一個(gè)3m×3m×12m，重28t的箱體內(nèi)，最大限度地減少了噪音。通過SCR電橋?qū)㈦娏鞣峙浣o鉆井泵、絞車和頂驅(qū)裝置的直流電動(dòng)機(jī)并驅(qū)動(dòng)各鉆井設(shè)備。

(3)鉆機(jī)的絞車型號(hào)為GH一2500EG，由兩臺(tái)GE一752高扭矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。該絞車取消了帶式剎車，另裝有電磁渦流剎車和緊急剎車及停機(jī)時(shí)用的制動(dòng)盤。渦流剎車的型號(hào)為Wlmagco一7838。絞車上還裝有自動(dòng)送鉆裝置，當(dāng)大鉤載荷為250t，機(jī)械鉆速不超過60m／h時(shí)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)裝置失靈時(shí)還可起下全部鉆井設(shè)備。絞車結(jié)構(gòu)緊湊，全部置于3m×3m×12m，重63t的隔音箱體內(nèi)。為了增加鉆臺(tái)的工作面積與視野，為了作業(yè)時(shí)的安全性和減少噪音，絞車放在鉆臺(tái)后邊冷卻罐的上邊。

(4)鉆井泵為兩臺(tái)National14一P一220三缸單作用泵，每臺(tái)泵由兩臺(tái)GE一752高扭矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)泵重55t。由于泵的功率大，可滿足鉆井新技術(shù)提高機(jī)械鉆速的要求。由于泵有足夠的功率儲(chǔ)備，故可以大大減少泵的磨損。深井清水高壓循環(huán)泵壓可達(dá)51．7MPa(75001bf／in2)，立管、水龍帶、頂部驅(qū)動(dòng)等高壓系統(tǒng)的工作壓力為50MPa(72521bf／in2)。

(5)鉆機(jī)的頂驅(qū)裝置為電動(dòng)式，型號(hào)為DDM650LV，挪威生產(chǎn)。由一臺(tái)GE一752電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(6)該鉆機(jī)配有一臺(tái)型號(hào)為1898型的液壓遙控的鐵鉆工，可以上卸3．5～9．5in鉆桿和加重鉆桿，從而保證了起下鉆作業(yè)的安全。該鐵鉆工上扣扭矩十分精確，對(duì)鉆柱有良好的保護(hù)作用。

(7)井架各節(jié)連接為插接組合式，不是螺紋連接，故井架的安裝拆卸十分方便省時(shí)。llm×llm的鉆臺(tái)周圍有一15cm厚的隔墻。井架與底座總重420t。除井架與底座外，其他設(shè)備沒有超過3m×3m×14m的大件，故運(yùn)輸十分方便。

4）科研用石油鉆機(jī)

新設(shè)計(jì)的第11號(hào)科研鉆機(jī)和試驗(yàn)基地具有以下特點(diǎn)：

(1)該鉆機(jī)在設(shè)計(jì)上有帶樞軸的導(dǎo)軌系統(tǒng)，鉆機(jī)可沿一半圓軌道滑動(dòng)搬遷，搬遷時(shí)間由原來的2～3d縮短到2～3h。

(2)該鉆機(jī)的起下鉆速度比“藍(lán)色鉆機(jī)”提高了75％，利用一個(gè)輔助小鼠洞能用18m立根鉆進(jìn)。

(3)該鉆機(jī)配有小井眼的41/2in鋁質(zhì)鉆桿和27/8m鋼質(zhì)鉆桿。

(4)該鉆機(jī)的井架高32．6m，液壓動(dòng)力水龍頭在250r／min時(shí)的額定扭矩約為5kN?m。

(5)該鉆機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，其卡瓦座尺寸分別為171/2in和271/2in。

(6)該鉆機(jī)提升系統(tǒng)的額定載荷能力為89×104N。

(7)該鉆機(jī)的鉆井液系統(tǒng)由6個(gè)罐組成，總?cè)莘e為48m3；鉆機(jī)配有一臺(tái)三缸鉆井泵，泵送能力為490～2650L／min；考慮試驗(yàn)中采用低排量的需要，還配有幾臺(tái)小型鉆井泵。

(8)鉆機(jī)的固控系統(tǒng)包括兩臺(tái)超細(xì)振動(dòng)篩及相關(guān)配套設(shè)備。

(9)試驗(yàn)基地備有鉆小井眼井和短半徑井用的修井機(jī)，其額定鉆深能力600m，額定大鉤載荷18×104N。

(10)試驗(yàn)基地有一套阿莫科高速鉆井技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備，這套高速鉆井系統(tǒng)包括：鉆井和完井試驗(yàn)設(shè)備、鉆井水參數(shù)試驗(yàn)閉環(huán)系統(tǒng)、固控試驗(yàn)設(shè)備、鉆井／模擬系統(tǒng)室內(nèi)鉆機(jī)等。

(11)該試驗(yàn)基地的地質(zhì)條件具有多樣性；且各種地層埋藏淺，有365m賓夕法尼亞系地層、121m泥盆系/密西西比系層段和701m寒武系／奧陶系地層。

5）超高壓射流鉆井設(shè)備

二種雙管鉆井系統(tǒng)，從鉆桿內(nèi)中心高壓管中輸入IOOMPa的高壓鉆井液，井底噴嘴的射流速度高達(dá)200m／s，壓力降達(dá)80MPa；在硬巖石中的鉆速比常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井法提高405倍。這一超高壓射流鉆井法已用于工業(yè)淺井鉆井，用80一IOOMPa的高壓液流可以鉆破巖石。這一雙管高壓射流鉆井系統(tǒng)專家認(rèn)為只能用于淺井鉆井。

二、主要產(chǎn)品對(duì)比 分析

21世紀(jì)以來，海內(nèi)外 研究 改進(jìn)、開發(fā)立異了多種新型石油鉆機(jī)，涌現(xiàn)了很多新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。近年來，為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、意大利、墨西哥和羅馬尼亞等國(guó)先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機(jī)。海內(nèi)外在頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)、小井眼石油鉆機(jī)、套管鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、自動(dòng)化鉆機(jī)及鉆機(jī)配套技術(shù)方面發(fā)展很快，一些技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。

1、頂部驅(qū)動(dòng)裝置

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，是美國(guó)、法國(guó)、挪威近2 0年來接踵研制成功的一種頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)，取代了轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)方鉆桿鉆井的鉆井技術(shù)。它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專用導(dǎo)軌向下送鉆具，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，輪回鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操縱。該系統(tǒng)明顯進(jìn)步了鉆井功課的能力和效率，并已成為石油鉆井 行業(yè) 的尺度產(chǎn)品。頂部驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)之所以得到較快發(fā)展，由于其具有以下幾個(gè)方面的上風(fēng):

1)立柱鉆井，節(jié)約了三分之二的接單根時(shí)間。

利用轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)方鉆桿鉆井時(shí)，受方鉆桿的限制，每鉆完9米左右就需要停泵接一個(gè)單根。而頂部驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了立柱鉆井，直接接上一根立柱就可以實(shí)現(xiàn)繼承鉆進(jìn)，節(jié)約了三分之二的接單根時(shí)間。

2)下鉆劃眼，不必再接方鉆桿。

在下鉆過程中，假如碰到砂橋和縮徑點(diǎn)，有了頂驅(qū)，就省去了接水龍頭和方鉆桿的預(yù)備時(shí)間，而且不需要把立柱甩成單根來劃眼，在井架的任意高度，都可以坐上卡瓦，接上頂驅(qū)，隨時(shí)開泵輪回劃眼，節(jié)約了鉆井時(shí)間，減少了井下事故的發(fā)生。

3)節(jié)約鉆井本錢。

因?yàn)轫敳框?qū)動(dòng)裝置可以及時(shí)利便的處理井下事故，所以它答應(yīng)鉆井過程中使用較少、較便宜的鉆井液和添加劑，這對(duì)占鉆井本錢近2 5％的泥漿藥品來講，無疑節(jié)約了不少鉆井本錢。

4)設(shè)備安全

頂部驅(qū)動(dòng)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，使鉆井中泛起蹩鉆扭矩超過設(shè)定范圍時(shí)馬達(dá)會(huì)自動(dòng)休止旋轉(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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

2、12000m特深石油鉆機(jī)

2007年11月16日，國(guó)家“８６３”計(jì)劃重點(diǎn)課題項(xiàng)目，我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的12000m特深井石油鉆機(jī)，在中國(guó)寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制成功。此臺(tái)12000米鉆機(jī)是目前全球技術(shù)最提高前輩的特深井陸地石油鉆機(jī)。該鉆機(jī)采用國(guó)際最提高前輩的全數(shù)字化交流變頻控制技術(shù)，功課全部實(shí)現(xiàn)了智能化控制，其特深井鉆機(jī)技術(shù)自主立異在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大突破：該鉆機(jī)井架、底座等主要承載件采用了高強(qiáng)度耐低溫材料，并有相關(guān)制造工藝保障，鉆機(jī)其他設(shè)備采用了相應(yīng)的防低溫措施，能保證在-4 0℃環(huán)境前提下進(jìn)行正常鉆井功課，鉆機(jī)適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。

首次研制開發(fā)了功率為4400kW(6000hp)絞車，采用單滾筒齒輪傳動(dòng)，立異設(shè)計(jì)的掛合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了絞車滾筒的快速離合，進(jìn)步了安全性，便于維修，并可降低運(yùn)行本錢，絞車采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地解決了調(diào)運(yùn)、安裝和維護(hù)題目；首次采用液缸起升人字架，絞車低位工作，起升利便安全，整體設(shè)計(jì)公道。

自行研制的52MPa、1640kW(2200hp)高壓鉆井泵，缸套、活塞等易損件 研究 取得突破，進(jìn)步了整機(jī)的可靠性；首次研制開發(fā)了啟齒直徑1257mm轉(zhuǎn)盤及承載能力72t的死繩固定器等部件與鉆機(jī)配套，大鉤與水龍頭的攻關(guān)也取得重大突破，解決了特深井鉆機(jī)的集成配套題目；鉆機(jī)的電控系統(tǒng)解決了絞車四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)負(fù)荷的均衡分配，采用電機(jī)無沖擊切入切出及氣、電、液、鉆井儀表一體化等控制技術(shù)，該系統(tǒng)具有雙冗余控制和完善的保護(hù)功能，進(jìn)步了鉆機(jī)的提高前輩性、可靠性和智能化水平；首次研制開發(fā)了承載能力900t的井架、底座、天車、游車、大鉤、吊環(huán)，實(shí)現(xiàn)了低位安裝，靠絞車的動(dòng)力一次性整體起升；首次研制開發(fā)了承載能力675t，適應(yīng)-40℃環(huán)境溫度要求的水龍頭。鉆機(jī)的總體技術(shù)方案和集成技術(shù)屬國(guó)際領(lǐng)先水平。

3、套管鉆機(jī)

套管鉆井是一種全新的鉆井工藝技術(shù)，被譽(yù)為是2 1世紀(jì)的前沿鉆井技術(shù)之一。與套管鉆井工藝相配套的套管鉆機(jī)取消了常規(guī)的鉆桿，用套管代替鉆桿進(jìn)行鉆井。鉆機(jī)安裝在拖車上，采用電?液驅(qū)動(dòng)的頂驅(qū)裝置，通過套管傳遞扭矩，并帶動(dòng)安裝在套管底部鉆具組上的鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

鉆頭固定在一個(gè)專用鉆具組的前部，鉆具組鎖定在套管的底部，并用鋼絲繩與鉆臺(tái)上起下鉆頭的專用絞車相連，當(dāng)需要換鉆頭時(shí)，將鎖定裝置打開，利用絞車將鉆具起出，更換新鉆頭后再用絞車將鉆具送入井底，鎖定在套管底部，操縱非常利便迅速。

套管鉆井中的鉆頭直徑小于套管內(nèi)徑，若需鉆出大于套管外徑的井眼，則需在鉆頭上部的鉆具上安裝一可以收縮的擴(kuò)孔鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)，擴(kuò)孔鉆頭張開，這樣就可以鉆出大于套管外徑的井眼。鉆機(jī)的鉆進(jìn)過程也就是下套管的過程，套管下到井里不再提起，完鉆后即可進(jìn)行固井。套管鉆機(jī)鉆井具有以下長(zhǎng)處:

1)  簡(jiǎn)化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了鉆機(jī)尺寸，降低了鉆機(jī)本錢，鉆機(jī)更輕便，且輕易操縱和搬遷。

2)  套管鉆井節(jié)省了大量的鉆井管材，節(jié)約了大量與鉆桿、鉆鋌有關(guān)的采購、運(yùn)輸、檢修、維護(hù)和更換的用度。

3)  采用鋼絲繩起鉆比傳統(tǒng)的鉆桿起鉆快5～10倍，減少了起下鉆時(shí)間。

4)  因?yàn)樘坠茏允贾两K留在井內(nèi)，大大減少了地層膨脹、井壁坍塌、鍵槽、臺(tái)階和意外事故的發(fā)生，而且不再有抽吸作用和壓力波動(dòng)，從而使井控狀況得到大大改善。

5)  套管鉆機(jī)在起下鉆更換鉆頭或測(cè)井時(shí)，可繼承輪回鉆井液，防止鉆屑沉積，減少卡鉆和井涌發(fā)生。

6)  套管鉆機(jī)鉆井，可以使鉆井液水力參數(shù)、環(huán)空上返速度和清洗井筒的狀況得到大大改善。

7)  鉆機(jī)鉆井可大大降低鉆井本錢，據(jù)估計(jì)，一口井深3000m的井，與常規(guī)鉆機(jī)鉆井比擬，所需用度可節(jié)省30％以上，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

套管鉆井技術(shù)是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的技術(shù)，有著廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。套管鉆機(jī)是一種新型的鉆井設(shè)備，跟著套管鉆井工藝技術(shù)的完善和推廣，套管鉆機(jī)也必將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

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