东北石油大学研究生学位论文文献综述学号 G0904320研究生姓名 孟宪宇学科、专业 机械设计及其自动化论文题目 AH1500 自动化钻机的设计2011 年 9 月 20 日 东北石油大学研究生学位论文文献综述1文献综述1、国外液压钻机现况（1）加拿大 Tesco 公司新型套管钻机著名的加拿大 Tesco 公司开发了具有世界先进水平的全液压驱动套管钻机，采用计算机控制，可用钻杆或直接用套管钻井，钻井效率高在用套管进行钻进时，利用特制的小绞车从套管内起下或更换钻头，一直钻到设计井深，钻井结束，套管也下完套管钻机用钻头由钻进钻头和扩孔钻头组成钻进钻头直径比套管内径小，可从套管内起下在钻进钻头的上方接两个扩孔钻头，可伸出扩大直径，钻出比套管外径大的井筒；当扩孔钻头缩回时直径减小，此时可从套管中起下钻进钻头钻进钻头与井下套管端头采用特制的联接锁定装置联接钻进钻头下入井底后，固定在联接锁定装置上，伸出扩孔钻头，开钻井泵，利用顶驱就可进行钻井作业当钻头磨损需更换时，首先缩回扩孔钻头，打开联接锁定装置，停泵，再用起下钻头用的小绞车钢绳将钻进钻头从井底套管内起出地面换好新钻头后，将此钻头下入井底，固定在联接锁定装置上，伸出扩孔钻头，开泵，即可再次钻进。
该钻机绞车滚筒内装4 个液压马达，内置闭式液压盘刹，操纵液压阀可无级调速且调速范围大，操纵可靠、灵敏，具有自动送钻功能这种钻机的钻井泵是一个结构紧凑的液压马达直接安装在曲轴上的全新概念的钻井泵，该泵在它整个速度范围内有着方便的可控性能钻机井架采用液压缸伸缩钻机还配备了液压转盘、液压顶驱、液压小绞车和液动卡瓦等整个钻机的动力由 2 台柴油机通过分配器带动 11 台液压泵来提供该钻机采用自动送钻装置钻井，井身质量较好，机械钻速高，钻井成本低；采用多个液压马达传动，钻机传动机构简单，体积小，占地面积小，相对操作空间较大；采用全液压驱动型式，以单一的柴油机液压泵作动力源，投资少，功率利用率高；采用各种先进的钻井测录仪表，及时显示记录和储存实时钻井数据，为司钻提供钻井决策依据；套管钻井中无起下钻二层台操作，接套管作业在低位钻台面上进行，从而提高了操作的安全性和准确性，节约钻井成本 30%～50%；利用特制小绞车起下套管钻井的钻头，与起下钻换钻头相比省时省力⑵2）挪威 MH 公司 Ram Rig 钻机挪威的钻井装备在世界海洋钻井平台的制造市场上占有很大的份额主要从事海洋东北石油大学研究生学位论文文献综述2钻井平台设计和制造的 MH 公司，更是以液压技术见长。
批量生产的全新概念的全液压钻机——Ram Rig 钻机，已基本上形成系列，其负载能力 1 470-9 800kN，用门架内安装 2 个液压缸及滑轮、钢丝绳等简单机构来代替传统的绞车、传动机构、井架、天车等，使钻机完全简化，可实现 2 套或 3 套规格相同或不同的钻机并排安装，同时钻井Ram Rig 钻机可用于定向井、丛式井和水平井钻井及开窗侧钻等若安装在海洋钻井平台上，可起下水下器具和隔水管等该型钻机具有灵活组合特性，可满足快速钻井及各种钻井工艺的需要Ram Rig 钻机由 2 个千斤顶液缸、游动滑轮组件、提升钢绳、平衡器组件、顶驱、特制井架、柴油机或 AC 电动机液压泵动力系统、钻台和底座、钻井控制室、钻井液循环系统等 10 个部分组成与常规钻机相比较，Ram Rig 钻机绞车和提升系统方案简单，结构紧凑，体积小，质量轻，成本低，技术经济指标先进；采用全液压驱动钻机，无工作火花，钻井更安全，特别是钻天然气井或伴生天然气较多的油井，不会发生着火事故；可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作业，动力消耗较小；现场试验和钻井实践表明，Ram Rig钻机可提高钻井效率 15%～20%2）国内研究现状近年来，由胜利油田钻井院副总工程师董怀荣、中国工程院院士顾心怿提出了一种新型液压蓄能石油钻机设计的构想，具有我国独立的知识产权，并已取得了美国、加拿大专利。
该项技术由于其独特的构思和具有明显的节能等优点而曾获 1995年国际知识产权组织和中国专利局共同颁发的中国专利发明创造金奖其中作为该专利实施项目之一——液压蓄能修井机已经投入工业应用，并获得了 2002 年度国家发明二等奖⑴2．液压钻机发展趋势(1)液压驱动是一种较好的驱动型式根据加拿大 Tesco 公司和美国 Varco 公司给出的顶驱钻井特性曲线，计算了 Tesco 公司 150HM 型、500/650—HC/HC1 型液压驱动顶驱和 500EC1 型、650EC1 型 AC 变频永磁电动机传动顶驱以及 Varco 公司IDS—1 型、TDS—4S 型、TDS—6S 型 AC—SCR—DC 电驱动顶驱和 TDS—8SA 型、TDS—9SA 型、TDS—10SA 型、TDS—11SA 型 AC 变频感应电动机传动顶驱的钻井特性，并取相同驱动型式顶驱钻井参数的平均值计算结果表明，AC 变频感应电动机传动顶驱全程调节使用范围的功率利用率最高为 76.7%；液压驱动顶驱为 71.8%；AC—SCR—DC 电驱动顶驱为 67.2%；AC 变频永磁电动机传动顶驱为 50%其中液压驱动东北石油大学研究生学位论文文献综述3顶驱功率利用率比 AC 变频感应电动机传动顶驱小 4.9%，但比 AC—SCR—DC 电驱动顶驱高 4.6%，比 AC 变频永磁电动机传动顶驱高 21.8%。
2)液压驱动钻机向全液压驱动型式发展加拿大 Tesco 公司套管钻机、挪威MH 公司 Ram Rig 钻机和意大利新型钻机等多采用全液压驱动型式近年来德国Wirth 公司也研制出 5 种规格系列钻机，有全液压驱动、DC 电驱动和 AC 电驱动等3 种型式，由用户自选全液压驱动的优点是：钻机用同一动力源，功率利用率高，钻井成本低3)液压驱功钻机更适合于采用新的钻井工艺如套管钻井新工艺，采用全液压驱动套管钻机是最合适最经济的4)液压驱动钻机向全新模式钻机发展如 Ram Rig 钻机绞车和提升系统超出了常规钻机模式，采用液压驱动，体积小，质量轻，成本低，使绞车和提升系统结构更简单5)液压驱动钻机向多个小功率液压马达传动发展挪威 MH 公司生产的海洋2013kW 液压驱动单轴绞车，采用多个小功率液压马达通过滚筒两侧的内齿轮传动滚筒轴，用 4 个小功率液压马达传动转盘，用 2 个液压马达传动顶驱德国 Wirth 公司用多个液压马达传动绞车，用 2 个液压马达传动转盘加拿大 Tesco 公司采用 2个液压马达传动顶驱⒃3、AH1500 自动钻机将设计为液、电、气混合驱动控制的全自动钻机，主要特点有：自动化程度高、运输车次少、模块化设计、拆迁速度快、井场占地面积小。
AH1500 自动钻机设计为提升功率为 1000 马力，最大钩载 2250kN，满足4000m（4 1/2” 钻杆）井深的勘探和开发作业需求，能够成为大庆 II 型钻机和4000 米钻机的理想替代产品该钻机设计的基本参数符合石油天然气行业《SY/T5609-1999》标准,主要配套部件符合 API 相关规范，整个钻机贯彻 HSE 规范要求，钻机安全可靠，主要技术性能达到世界先进水平1） 、自动化程度高 实现钻机全自动化，钻台只有一名司钻和一名轻体力劳动的辅助工人即可完成基本钻井作业，钻杆处理系统也只需要一个人即可控制钻杆上下钻台2） 、运输车次少，安装简单 结构简洁明快，模块化设计，快速移运东北石油大学研究生学位论文文献综述4井架和顶驱一台车即可移运；底座在一台拖车上，采用液压起升，放下后即可拖走；钻杆置于钻杆盒内，集中移运；附属件也采用车背式，能够完成快速搬家3） 、维护要简单化：取消绞车、大钩、水龙头等部件，保证功能的前提下，简化结构，易于维护保养4、总体方案描述GW-AH1500 自动钻机是以 HH-300 为参考，进行创新采用液、电、气混合驱动，在司钻房内集中自动控制；升缩式井架结构，井架依靠油缸的上下行程，代替绞车动力连着顶驱为起下钻提供拉力；车载钻台，液压起升；液压马达驱动转盘；井口自动化工具满足作业的各种需求；钻杆处理系统能够自动完成钻杆上下钻台工作；三台卡特 2512B 发电机组作为主动力为直流电控柜供电，驱动两台 1300HP 泥浆泵和液压站；泥浆泵安装在一个拖车上，可以快速搬迁;泥浆罐采可以用自备车达到快速搬迁的目的。
GW-AH1500 自动钻机具有以下特点：1、液压升缩井架，没有二层台、绞车、大钩、水龙头等钻机传统部件2、自动化钻杆操作系统，垂直竖立的“钻杆盒”与水平放置的“钻杆排”合二为一；取消了常规钻机的猫道、坡道、气动绞车等设施；自动钻杆排放系统，可以将钻杆自动装入小鼠洞内，或将钻杆取回放入钻杆盒内3、小鼠洞内有自动卡盘，可以自动完成钻杆固定，无需钻工操作4、顶驱配合自动吊卡，可以将钻杆从小鼠洞中取出送自井口，或从井口送入小鼠洞内5、铁钻工取代了“液压大钳、B 型大钳、液压猫头”等装置，和动力卡瓦能自动完成接、卸钻杆作业6、套管扶正装置可完成下套管作业7、全部的操作控制，由司钻在司控房内远控完成，全天侯的司控房集成了电子化的用户友好界面，实现各种控制、操作、切换、和监视功能8、具备自动送钻功能，支持恒钻压自动送钻，恒钻速自动送钻两种方式9、该钻机搬迁速度快，效率高⑽ 东北石油大学研究生学位论文文献综述5东北石油大学研究生学位论文文献综述6参考文献[1]李继志，陈荣振．石油钻采设备及工艺概论．山东省东营市：石油大学出版社，1992.5：164-172[2]张连山．国外液压驱动石油钻机的新进展．石油机械，2000；28（2）：52-54[3]杨海学，张兆文，张强．液压技术在钻机上的应用现状及发展建议．石油机械，2004；32（8）：72-74[4] 中国石油大学硕士研究生学位论文全液压顶驱石油钻机模型数字样机研究 刘振东[5]邱绪光．实用相似理论．北京：北京航空学院出版社，1988.7：178[6]徐挺．相似方法及其应用．北京：机械工业出版社，1995.9：106[7][日]江守一郎．模型试验的理论和应用．北京：科学出版社，1984：1[8]徐挺．相似理论与模型试验．北京：中国农业机械出版社，1982.12：3-10[9]庞海荣．全液压钻机电液比例技术的应用研究：[硕士学位论文]，煤炭科学研究总院西安分院，西安：2003.7[10]（美）肖特（Short，J.A） ．石油钻井与下套管作业．王健安等译．北京：地质出版社，1988.10：236-241[11]郭学增．最优化钻井理论基础与计算，北京：石油工业出版，1987.3：5-10[12]尹永晶．自动送钻技术的现状与展望．石油机械，2002；30（8）：64-65[13]Deguillaume,J.，Forasol-Foramer．Drilling With Semiautomatic and Automatic Horizontal Racking Rigs．SPE/IADC Drilling Conference，1990.2：27[14]张连山．国外自动送钻装置的现状与发展．国外石油机械，1996.3；7（1）：1-8[15]George Boyadjief，Dave Murray．Design Considerations and FieldPerformance of an Advanced Automatic Driller．SPE/IADC DrillingConference，2003.2：19-21[16]徐绳武．从节能看液压传动控制系统发展的三个阶段．液压气动与密封，东北石油大学研究生学位论文文献综述72005；5：21-28[17]Kinze，Holger．The Designing and Building of an All-Purpose Automatic Torque-Wrenching M。