石油钻机产品生产技术发展趋势

第一节 产品生产技术发展现状

七大石油钻机的技术发展

1、常规游梁式石油钻机

常规游梁式钻机是油田使用历史最悠久，使用数量最多的一种钻机。该机采用具有对称循环四杆机构或近似对称循环四杆机构，结构简单，运行可靠，操作维护方便，但长冲程时平衡效果差，效率低，能耗大，不符合节能要求，基本停止了生产。

2、前置式钻机

前置式钻机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速箱齿轮基本无反向负荷，连杆、游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规式钻机低，整机寿命长。前置式钻机可配置较小功率的电动机，节能效果显著。与常规式钻机相比，具有体积小、重量轻、节省钢材的优点。

3、偏置式钻机

偏置式钻机又称异相曲柄平衡式钻机，特点是平衡块中心线相对于曲柄中心偏转一个角度，这种机型国外60年代发展起来并得到API的承认。试验表明，经优化设计的偏置式钻机节电可达20％。

4、胶带传动钻机

胶带传动钻机是美国80年代开发的新型抽油设备，该机通过二级胶带传动，将电动机的原动力传给曲柄胶带轮，并带动游梁摆动。由于其四连杆机构具有急回特性，而且其辅助平衡装置可作适当调整以获得偏置角，因而与常规机相比，其上冲程转矩因数小，驴头悬点加速度小。在相同的工况下，其悬点载荷值和曲柄胶带轮轴的净转矩都较小，曲柄轴净转矩曲线波动较平缓。由于省去了减速箱，故具有结构简单，制造成本低，维修及运行管理方便等特点。

5、下偏杠铃钻机

下偏杠铃游梁复合平衡钻机是在原常规游梁钻机的游梁尾端，利用变矩原理增加简单的下偏杠铃所形成的一种新型节能钻机。该机继承和保留了原常规游梁式钻机的全部优点，这种类型可用于新机制造，又可用于现场在用的常规钻机(含偏置机)的节能改造，其改造技术是目前最简单易行的，节能效果也较明显。

6、偏轮式游梁钻机

偏轮机在游梁尾部装有一个偏轮结构：在偏轮与游梁中心和支架之间增设推杆，在游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。它打破常规机四连杆机构的框架，以游梁尾部的偏轮为中心，形成独特的六连杆体系，偏轮杆件均为刚性连接，保持了常规机的特点。

7、双驴头游梁式石油钻机

该石油钻机是将常规机游梁与横梁的铰链连接，改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳与横梁之间的软连接，构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩，增加游梁摆角，冲程提高20％～70。由于采用变径圆弧的游梁后臂，使其实现负载大时平衡力矩大，负载小时平衡力矩小的工作状态。从而使减速器输出扭矩波动小，达到加强平衡，降低能耗的目的。这种机型是目前除常规机以外发展最迅速的机型。

顶驱钻机的优势

顶驱介绍

顶部驱动钻井装置TDS（TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM），是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS（INTEGRATEDTOPDRIVEDRILLINGSYSTEM），是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。

顶部驱动装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了使用者和市场的认同。它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。

顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。该装置可起下28M立柱，减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点：

1．节省接单根时间

顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。

2．倒划眼防止卡钻

顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。在定向钻井过程中，可以大幅度地减少起钻总时间。

3．下钻划眼

顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。

4．人员安全

顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。接单根只需要打背钳。钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大减少了人员工作的危险程度。

5．设备安全

顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。

第二节 产品生产工艺特点或流程

石油与天然气井逐年增加，况且小油气田、浅层油气田、煤层气井越来越引起世界许多国家的重视，海上油气田的勘采也是越来越多。各国石油天然气钻机的数量和钻进深度更加与日俱增。中国石油钻机的发展，驱动型式由机械、液力向电驱动方向发展。电驱动钻机由直流电向交流变频方向发展。钻机混合驱动形式——液电、机电。

钻机的近代技术：液控盘式刹车；交流变频驱动；顶部驱动系统；液压驱动钻机。钻机今后的发展趋势：数字化、信息化、自动化、智能化；高适应性、高经济性、高可靠性、高移运性、大型化。钻机控制系统逐步转化为数字式控制技术，并朝着智能化控制方向发展：智能化、网络化、开放化。

由于中国目前钻探设备与技术方法还比较落后，出现的问题钻探效率低、成本高，严重制约了钻探技术水平的提高。因此，加强各种资源的勘探开发力度，大力推进钻探技术与装备的现代化，研究开发先进钻探技术和装备已迫在眉捷，而且也是钻探施工单位的共同心声。

(1)研发各种全液压动力头钻机及配套技术，解决中国资源钻探中的关键问题，形成具有中国自主知识产权的、先进的全液压动力头钻探装备系列，加快研制页岩气和大口径瓦斯排放井特殊钻机，积极研制新型的水井及地热井钻探设备，改进钻探工艺，提高钻机的机械化、自动化水平，缩小同国外先进水平的差距，实现中国钻探技术跨越式发展。

(2)在研发钻探设备的前提下，首先应对配套的工艺加深了解。尽可能实现多工艺，克服以往设备研制同钻探工艺结合甚少的弊端。从钻探技术飞速发展对设备的要求看，常规的泥浆正循环已满足不了施工要求，导致新研制的产品推广受到限制。

(3)培养高素质钻探技术人员及先进钻探设备的推广应用，已成为中国目前许多单位必须认真对待的问题。当施工中要实现多工艺钻探方法以及先进的设备操作难度加大时，钻工的技术水平是否跟得上，购置新产品时就要考虑，不然会影响生产。

钻探工程在国民经济建设中是一项必不可少的技术方法。过去、现在和将来，在人类物质文明创建中具有不可取代和持续发展的特点。面对十二五期间，中国对矿产能源和现代化建设的需要，开发、引进新型钻探设备势在必行、刻不容缓。这不仅是国家在关键技术方面谋求快速发展、缩短差距、赶上世界先进水平的必由之路，也是推动中国钻探技术水平迈向新台阶最好的途径。

第三节 国内外生产技术发展趋势分析

国内外石油钻机技术发展现状及趋势

(一)总体设计技术

石油钻机是完成石油钻井任务的主要工具。从其出现之日起，就与钻井工艺密不可分。相互促进，共同发展。随着科学技术的不断发展，国内外钻井技术和装备也得到了长足的发展。回顾钻井技术和装备发展的历史，可以看到促进钻井技术及装备的发展的动力主要有：提高劳动生产率，降低劳动强度；降低消耗；提高可靠性、安全性和环保要求；以及经济性要求——将成本降到最低。对钻机的要求可从钻井工艺的发展需求上看出：

※钻井速度更快

1、起升系统能力不断加大

随着钻井工艺的不断完善，特别是随着定向井、水平井钻井工艺的不断成熟，钻井深度不断加大，或有一些大斜度井、水平井，虽然垂直深度并不大，但水平位移大。这就要求钻机的起升能力不断加大。更由于海洋深水钻井作业的需要，使钻机的起升能力达到空前的高度。如今，钻井深度为7000m的钻机已很普遍，9000m～15000m钻机也已出现，15000m以至更大钻机的出现也是指日可待的。随着钻机起升能力的加大，也伴随着如顶驱、钻井泵等装置的不断加大，从而引起钻机设计、制造上的不断突破。

2、绞车、钻井泵功率不断加大

在起升能力加大的同时，要提高钻井效率，必须要提高绞车和钻井泵的功率。绞车功率已从2205kW（3000hp）到2941kW（4000hp）以至出现了4412kW（6000hp）的绞车。钻井泵也从735kW～956kW（1000hp～1300hp）到1176kW（1600hp）以至出现了1618kW（2200hp）的钻井泵。同时，钻井泵的最高泵压也从20MPa升高到35MPa。钻井泵功率的加大和配置台数的增多，以及最高泵压的加大，也使得实现深井和超深井的高压喷射钻井工艺成为可能。也就提高了钻井的效率。

3、控制参数不断增多

为不断提高钻井速度和钻井效率，特别是随钻测量系统的不断成熟，钻进过程中司钻要监视和控制的参数也不断增多。从原有的钻压、转速、泵压三个主要参数，增加到8～10个之多。这就要求钻机的测量控制系统有更高的能力。在加装多参数测量仪的基础上，又出现了数字化钻机，以至智能化钻机。当然，计算机技术和现代通讯技术的不断完善和全面普及，无疑是促进钻机向数字化，以至智能化方向发展的强有力的推动力。

4、辅助设备不断增多 为不断提高钻井速度和钻井效率，减少工人的劳动强度，井场辅助设备也不断增多。主要体现在：

(1)钻井液固相控制设备的增多：钻井液固相控制设备由原有的振动筛、除砂器、除泥器、除气器，增加了离心分离机，（真空）除气器。钻井液配置设备也增加了如剪切泵，出现了密封的添加剂加入装置等。

(2)气液分离设备和油水分离设备的增多。 (3)井口机械化程度不断提高：液压套管扶正机、二层台液压机械手、钻柱机械化上下台设备。

(4)气源净化和强制冷却设备等专用辅助设备。

※适应性更广

1、钻机分档合理 2、驱动方式多样化 3、机械化程度不断提高 4、自动化程度不断提高 5、智能化程度不断提高 6、新型钻井方式不断出现 。

※消耗降低

1、功率分配更合理 2、结构设计更巧妙 3、占地面积小 4、短距离整体移动 5、完井方式的改变 。

※可靠性、安全性、环保要求不断提高

1、部件、整机的可靠性要求不断提高，故障停机时间有严格要求。

2、部件、整机的可维护性提高，在规定的时间内可修复。 3、HSE（健康、安全、环保）要求提高。包括HSE设计理念和HSE管理体系的形成。

※经济性要求不断提高

1、钻机配套更灵活。 2、钻机根据不同环境需求专门设计、制造。 3、转盘、钻井泵要求独立驱动 。

※灵活性提高

1、配套更灵活 2、运移方式多样化 3、井架形式多样化 4、底座形式多样化 。

◎概括起来，钻机设计、制造的趋势如下：

1、全面规划、合理布局

制订标准，使绞车按功率合理分级，钻机按钻井深度合理分级，常规钻机严格按标准设计、制造，使用户更方便的选择，更灵活、经济的使用钻机。

2、部件标准化设计制造

钻机大部件，如：绞车、大钩、游车、水龙头、钻井泵等，按标准分级成标准化的部件，钻机设计时像搭积木式的选用即可。

3、钻进驱动方式多样化

现有转盘驱动、底部驱动、顶部驱动和复合驱动等驱动方式，可供用户根据需要选择。

4、测量控制系统进一步加强

测控系统从井口控制到井底测量多点测控，安全监控，信息自动测控传递，直到智能化钻机、数字化钻机。

5、辅助设备机械化程度进一步提高

如配备钻柱自动排放和上下台装置、钻井液处理设备、防喷器吊装装置等。

6、适应新工艺的发展

新型钻机不断出现，如小井眼钻井钻机、套管钻井钻机、连续管钻井钻机、膨胀管钻井钻机等。还有如欠平衡钻井钻机、空气钻井钻机、泡沫钻钻井钻机等。

◎目前各级钻机的发展趋势

1、对3 000 m以下的钻机，由于钻井载荷小、钻井周期短、搬家频繁，要求钻机要具有良好的移运性、经济性、技术先进性和可靠性。根据地域条件和运输条件的要求，可分为车装钻机和撬装钻机两种形式，应大力推广车装钻机，同时发展撬装钻机，电力供应充足的地区，使用电驱动钻机。今后需要开发高速柴油机、阿里逊传动箱和小节距传动链条。

2、4 000 m钻机是当前乃至今后一个时期内在国内使用的主力机型钻机，市场需求量较大。该级别钻机要充分体现结构紧凑、运输单元少、拆装方便、移运快捷、可靠性高、价格适中等特点。对于该级别钻机应以机械驱动钻机为主，其重点是发展机电复合型钻机、适当发展交流变频电驱动钻机。

3、5 000—9 000 m钻机，由于多用于钻探井、深井和开发井，对该级别钻机要求技术含量高、性能先进、质量可靠、操作维修简便、机械化、自动化、智能化程度高，并具有良好的移运性。

4、提高钻机集装化程度和高移运性能，是今后亟待解决的重点。大型钻机应采用轮式运输方式；中、小型钻机应采用独立驱动大模块运输形式或车载形式。要实现的关键是必须对模块合理组合，简化传动结构、减小设备外形尺寸和减轻设备重量等方面下功夫。

5、10000 m级钻机在国内尚属空白，为适应向更广阔领域及更深层埋藏油气资源勘探开发的需要，应积极进行前期开发。

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