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1、 第二章 石油钻机总论2.1 钻机的组成石油钻机是用来钻油、气井的一套联合机械设备 。它随着钻井方法，钻井工艺的出现而产生，又随 着钻井技术的发展而发生相应的变化。同时，钻井 设备的进步亦为新的钻井技术产生提供了条件。现代钻井方法主要 是采用旋转钻井法， 陆地上相应的钻井设 备主要采用转盘旋转 钻柱的钻机，也称为 常规钻机，本书所说 的钻机指的即是这种 钻机(见图58)。 为满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列系 统及设备:1.旋转钻进系统为了转动井中钻具以不断破碎岩石，本系统配备有 转盘和水龙头。井中钻具由钻杆柱(包括方钻杆、钻杆 柱、钻铤等)和钻头组成。为实现钻头自动进给，现代 钻机应配
2、有钻具自动送进装置。2.钻井液循环系统为了用钻井液及时清洗井底，携带岩屑，保护井 壁，钻机应具有一套钻井液循环系统，它具有使钻 井液增压，输送，固液分离等作用，包括钻井泵、 地面高压管汇、钻井液净化及调配设备和钻井液槽 、池等。3.起升系统钻机应配备一套起升设 备以完成起下钻具，下套管 柱以及控制钻头钻进等工作 。钻机起升系统主要由钻井 绞车、辅助刹车、游动系统 (天车、游车、大钩及钢绳 等)和井架等组成。它实质 上是一台重型起重机。另外 也包括起下操作的井口工具 及机械设备。上述三大系统为钻机的 工作系统，称为钻机三大工 作机组。4.动力机组动力机组为三大工作机组和其它辅助机组提供动 力。按
3、钻机驱动类型不同，它可以是柴油机组或者是 柴油机交流发电机组及交流或直流电动机等。5传动系统传动系统的主要任务是将动力机组的能量分配和传递 给各个工作机组，传动系统应包括减速、并车、变速、转 向、倒转等机构，现代钻机的传动系统除机械传动外，还 采用液力传动，液压传动，电传动等多种形式。6控制操纵系统为使各工作机组协调工作，钻机还装有各种控制设 备，常用的有机械控制、气控、电控、液控等方式。 现代机械驱动钻机主要采取集中气控制。现代钻机还配备有各种钻井仪表和随钻测量系统， 实现测量井底参数，监测显示地面设备工况。7底座为了方便钻机的移运，钻机采用底座来安装钻井 设备，它包括机房底座和钻台底座。钻
4、台底座用于安装井架，转盘，放置立根盒以及 必要的井口工具，多数还要安装绞车。钻台底座下方应能容 纳必要的井口装备，因此 必须具备足够的高度、面 积和刚度。机房底座主要 用以安装动力机组及传动 系统设备，要求具有足够 的刚度和面积以保证机房 设备迅速安装找正，工作 平稳，且移运方便(车装 钻机则以汽车或拖车底盘 及其支承腿充当钻机底座 。8.辅助设备钻机还需配备辅助发电设备、空气压缩及净化装 置、井口防喷装置、钻鼠洞设备、辅助起重机以及井 队需要的活动房屋器材等，在寒带钻井还需配备保温 设备。2.2 钻机的类型为适应石油工业和地质勘探等对钻井工作的不 同需要，钻机的种类繁多。对于不同的分类，钻
5、机亦相应有不同的名称。例如：按钻井的深度和井径可分为大型钻机和 轻便钻机两类。大型钻机用于钻油气井(油气勘探井、开发井 、注水井)井深在1000m以上，井径大于160mm，使 用89mm(31/2英寸)至140mm(51/2英寸)钻杆柱;2.2.1 按钻井深度分类： 超深井钻机:钻井深度超过5000m的钻机; 深井钻机:钻井深度为3200m5000m的钻机 中深井钻机:钻井深度为1500m3200m的钻机; 浅井钻机:钻井深度为1500m的钻机;ZJ60钻机 ZJ50DBS钻机轻便钻机是用于钻地质调查井的钻机、岩心钻 机、水井钻机、地震及炮眼钻机或其它工业建筑 所需的钻机。重型的可钻达1000
6、m井深，最轻的微 型钻机只打15m深的井眼，井径小于150mm，使 用5089mm的钻杆柱。2.2.2 按动力机驱动的类型分类；1）机械驱动钻机：柴油机直接驱动或柴油机液 力驱动的钻机；2）电驱动钻机：使用直流电动机或交流电动 机驱动各工作机的钻机2.2.3 按使用地区和用途分为： 1) 陆地常规钻机；2)海洋钻机:装设在海洋钻井平台或钻井船上，绝 大部分为可控硅整流的直流电动机驱动(AC-SCR-DC驱动 )或AC变频驱动的钻机，现代海洋钻机逐渐采用顶部驱 动钻井系统代替转盘。中海油61号自升式钻井平台3）浅海钻机：用于05m水深的沿海岸潮间带钻 井的钻机。4）沙漠钻机：运输集装化，配备大直
7、径大宽度 的低压充气轮胎的整运拖车，密闭式钻井液净化系 统，发动机及钻机部件的空气净化系统和充分的散 热装置的钻机。5）丛式井钻机：配备有 专门的钻台底座移动装置， 大多采用直流电单独驱动或 分组驱动的钻机。6）斜井钻机：装有可在045间倾斜的井 架及动力水龙头，有时还装有液压提升液缸，可从 地面即开始斜着钻的定向井钻机。2.3 钻机基本参数与标准系列钻机的基本参数是反映其工作性能的主要技术规 范和指标，它是设计、制造和使用钻机的基本依据。2.3.1 钻机的基本参数在国家标准GBl806-86“石油钻机型式与基本参数” 中共选定了十项基本参数，作为我国目前设计、制造 和选用钻机及钻机部件共同遵
8、守的技术法规，见表5-1 。上述国家标准在1993年由全国石油钻采设 备和工具标准化委员会在复审中改为SYT5609 -93石油钻机形式与基本参数，而其中内容 没有变化。把原强制性国家标准变成了一个自 愿性(推荐性)的行业标准。在石油钻机形式 与基本参数标准的指导下，我国石油经过20 年的不断发展，已生产出ZJl5、ZJ20、ZJ32、 ZJ45和ZJ60共5级钻机，为我国天然气勘探开发 作出了重大贡献。在国内油田长期使用和近年来实施的境外钻井 经营以及与国外技术和产品的交流活动中，显现出 该标准不能完全适应当前形势而需要修订。故于上 世纪末修订成为SY5609-99石油钻机形式与基本 参数(
9、见表5-2)。1.名义钻井深度L与名义钻深范围名义钻井深度L定义为:在标准规定的钻井绳数下，使 用114mm钻杆时可钻达的最大井深。它等于名义钻深范 围的上限Lmax。 ， 名义钻深范围是指该级别钻机能够经济利用的最小 井深Lmin至最大井深Lmax，即对于井深在LminLmax 范围内的井，采用该型钻机钻井是经济合理的。井深范围下限在标准中是按名义钻井深度的5070 确定的，这与国外多数公司保持一致。在原标准中是按127mm钻杆确定名义钻井深度，这 与我国钻井实践相适应。在这次标准修订中，为与国际接轨，参照API标准 ，名义钻井深度是按114mm钻杆来确定的，它与美国 及大多数国家的习惯保持
10、一致。在该标准中，仍保留 了采用127mm钻杆钻井时的名义钻井深度，以适应国 内钻井实践。 2.最大钩载Qmax与最大钻柱重量Qmax最大钩载Qmax:定义为在标准规定的最大绳数下， 在下套管或解卡等其它特殊作业时，指重表上不允许 超过的载荷极限值。 所谓最大钩载即大钩上不允许超过的极限载荷，它 包括大钩上所承受的静载荷和动载荷。它是起升系统 各部件的主参数，起升系统各部件及转盘水龙头的设 计皆按Qmax设计。最大钻柱重量Q柱max。最大钻柱重量Q柱max：定义为在标准规定的钻井 绳数下，正常钻井或进行起下作业时，大钩所允许 承受的最大钻柱在空气中的重量(质量)。Q柱max qL式中：L名义钻
11、井深度，m。q每米钻柱重量(质量)。当采用127mm钻杆时，q36kgm，它是由直径为 127mm，壁厚9.19对焊接头的钻杆柱(包括接头)与 长约100m，直径178mm钻铤在空气中的重量之和除以最 大钻柱全长所得的平均值。当采用114mm钻杆时q=30kgm。在最大钻柱起升时，起升速度很低(0.5米/秒左右) ，起升动载很小，钻杆柱受到井壁的摩擦阻力和井中 泥浆浮力可近似认为互相抵消，所以把名义钻柱钩载 近似地认为等于最大钻柱在空气中的重量载荷。最大钩载与最大钻柱重量之比称为钩载储备系 数我国钻机系列的钩载储备系数对于前7级在1.88 2.25之间，而后2级为2.52和2.53。k值越大说
12、明钻机下套管、解卡能力越强。游动系统载荷Q游。大钩载荷加上游动系统部件的固定重量载荷就形 成游动系统载荷Q游Q游Q静+10Gt式中：Gt为游车、大钩、吊环、吊卡与钢绳的固 定重量(约为518t)，可由实际重量计算或近似估算 Gt K1Qmax，对于ZJl5、20钻机K10.05；ZJ32以上钻机K10.04。最大钻柱往往用绞车最低工作起升速度(起升 工作I档)起升，此时游动系统载荷Q1为Q1Q静max10Gt10（qL+Gt） (5-4)式中：Q1起升工作I档游动系统载荷。3绞车输入功率绞车输入功率即绞车的额定功率，它指绞车输 入轴上所输入功率的最大值。4起升系统绳数Z钻井绳数Z为钻井时的游车
13、上方有效工作绳数。 最大绳数Z为起升系统配备的最大可能的绳数，只 用于下套管和解卡作业，它确定了游动系统的结构， 即Zmax 2游车轮数 （56） 例如ZJ32钻机最大绳数为10，即游动系统结构“ 游轮数X天车轮数”为56。5钢绳直径GBl806-86规定 ，各级钻机均选用园 股钢丝绳中的6X(19) 纤维绳芯或 6X(19)+7X7金属绳芯 钢丝绳(图5-9)。钢 丝绳直径指钢绳两个 对称股的外圆的距离 。装卸 请务必通过起重设备或滑板轻轻装卸； 严禁以钢丝绳表面作为杠杆的支点移动轴上的钢丝绳 ； 请勿在有尖硬杂物之处滚动钢丝绳； 请按正确的方向缠绕或放绳。 存放 请在干燥、通风、防雨、防潮
14、的仓库内存放并垫上 枕木； 必须室外存放时，须涂好保护油脂，并垫上枕木， 遮盖防雨布（罩）； 使用过的钢丝绳存放时，须将附着的泥沙清理干净 并涂上新油。 使用 使用新的钢丝绳应先低速跑合； 如果可能，使用前对钢丝绳预拉伸，可提高寿命； 特别应防止过负荷、超速运转并防止冲击和振动； 应严格执行设计标准选用、使用、维护钢丝绳； 应定期对钢丝绳检查并记录： 使用期限、磨损情况、断丝情况、腐蚀程度、 油脂情况 外形破坏及其它异常情况 连接部位和末端连接是否可靠 应定期报废、更换钢丝绳表5-4最大泵压系列是根据喷射钻井工艺实践经 验以及经过水力计算结果园整后决定的。钻井泵工 作压力：PPbPcPc为循环
15、管路压力降，它等于地面管汇，钻杆柱内， 钻铤内及钻柱环空压降之和。Pb为钻井液通过钻头喷嘴的压力降，为满足喷射 钻井的要求Pb 1015Mpa。Qmin泵最小排量，它是泵在最小缸套时的排量。 它应能满足单泵在钻井时洗井的要求，从浅井到深井Qmin1025 L/s泵钻井泵的总效率。泵0.750.90在旧标准中，每台钻机一般配置是23台同级别或 不同级别的钻井泵，以满足钻井工艺的要求(见表5-1) ，故钻井泵泵组功率NN泵而新标准中规定了单泵最小功率，即希望可能在全 井段(表层除外)实现单泵钻井，(见表5-2)以轮休保养 泵，提高钻井效率减少辅助时间。7转盘开口名义直径D 转盘开口直径D为转盘取出大主补心后转台内的最大通 孔直径，它是转盘的主参数。它根据各级钻机钻最大井深 开钻用的最大钻头直径Dbmax,它由下式确定DDbmax+10mm
