钻机概论（一）钻机的概念 在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备又称钻探机主要作 用是带动钻具破碎孔底岩石在孔内的钻具 可用于钻取岩心 、 矿心、岩屑、气态样、液 态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况钻进深度为2 - 15000米一般由动力机、回 转器或动力头 、孔底加压与给进 装 置 、卷 扬 钻机钻床机等4部分组成按破碎岩石的 方式，可分为回转式钻机、冲击式钻机、冲击回转式钻机等；按钻探深度，可分为地表 取 样机（2 ~ 50米）、浅孔钻机（50~300米）、中深孔钻机（300 ~ 600米）、深孔 钻机（600 ~ 6000米、、超深孔钻机（6000 ~ 15000米）；按用途，可分为岩心钻机、 水文地质水井钻机、石油钻机等 ；按 施 工现场 ，可分为 地 表钻机 、坑道钻机、海底 沉没式钻机等二、钻井艺对钻机的要求 钻机设备的配置与钻井方法密切关，目前，世界各国普遍采用的钻井的方法是旋转钻井方法 即利用钻头旋转破碎岩石，形成井身；利用钻杆柱将钻头送到井底；利用大钩，游车，天车， 绞车起下钻杆柱；利用转盘或顶部驱动装置带动钻头，钻杆柱旋转；利用钻井泵输出高压钻 井液，带出井底岩屑。
显然，旋转钻井法要求钻井机械设备具有以下三方面的基本能力：（1） 旋转钻井的能力：钻井工艺要求钻井机械设备能为钻具提供一定的转矩和转速， 并维持一定的钻压2） 起下钻具的能力：钻井工艺要求钻井机械设备应具有一定的起重能力及起升速度3） 清洗井底的能力：钻井工艺要求钻井机械设备应具有清洗井底并携带岩屑的能力， 能提供较高的泵压，使钻井液通过钻杆柱中孔，冲击清洗井底，并将岩屑带出井外 此外，考虑到钻井作业流动性大的特点，钻机设备要求容易安装，拆卸和运输钻机的使用 维修工作必须简便易行，钻机的易损零部件应便于更换三） 钻机的分类 按破碎岩石的方式，钻机一般可分为回转式钻机、冲击式钻机和冲击回转式钻机等几大类； 根据用途又分为石油钻机、岩心钻机及水井钻机等 按结构的不同，以上各种类型和用途的钻机又分为许多型式 油（气）井钻井中，钻机通常是指钻井用的成套设备，故又称“钻井设备”它包括动力机、 转盘、传动和控制设备、绞车、天车、游动滑车、水龙头、大钩、泥浆泵、井架及其他附属 设备等我国石油钻井的钻机均按起重能力分类例如，起重能力为30吨的钻机最大钻井深度可达 800米；180吨的可钻4000米；等等。
按动力类型，又分为内燃机驱动和电动机驱动两种四） 钻机的组成 石油埋藏在地下几百米至几千米的岩层中，为了寻找石油和天然气储藏以及开采石油和天然 气，就需要钻井，也就需要一整套的钻井机械，随着钻井工艺的发展，出现了多种不同的钻 井方法，有顿钻钻井法，转盘钻井法，涡轮和螺杆钻具钻井方法等目前，国内外应用最广 泛的钻井方法是转盘钻井法，转盘钻机是当代最典型的石油钻机 钻机的组成包括以 下的几个系统：起升系统， 旋转系统， 循环系统， 动力设备， 传动系统， 控制系 统，井架和底座，辅助设备起升系统为了起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、送进钻具，钻具配备有起升系统起升系 统包括绞车、辅助刹车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工 具起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等 工具实现钻具的提升下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车 控制大钩的下放速度在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻 具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度在正常钻进 时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破 碎岩层。
旋转系统旋转系统是转盘钻机的典型系统，其作用是驱动钻具旋转以破碎岩层，旋转系统包括转 盘、水龙头、钻具根据所钻井的不同，钻具的组成也有所差异，一般包括方钻杆、钻杆、 钻铤和钻头，此外还有扶正器、减震器以及配合接头等其中钻头是直接破碎岩石的工具， 有刮刀钻头，牙轮钻头、金刚石钻头等类型钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻 压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩方钻杆的截面一般为正方形，转盘 通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是旋转钻机的典型部件，它既要承受钻具的重 量，又要实现旋转运动，同时还提供高压泥浆的通道循环系统为了将井底钻头破碎的岩屑及时携带到地面上来以便继续钻进，同时为了冷却钻头保护 井壁，防止井塌井漏等钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统循环系统包括钻井泵， 地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净 化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等钻井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵 加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从 钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各 级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。
动力设备起升系统、循环系统和旋转系统是钻机的三大工作机组，用来提供动力，它们协调工作 即可完成钻井作业，为了向这些工作机组提供动力，钻机需要配备动力设备，钻机的动力设 备有柴油机、交流电机、直流电机，柴油机适应于在没有电网的偏远地区打井，交流电机依 赖于工业电网或者是需要柴油机发出交流电，直流电机需要柴油机带动直流发电机发出直流 电，目前更常用的情况是柴油机带动交流发电机发出交流电，再经可控硅整流，将交流电变 成直流电传动系统传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足 各工作机组对动力的不同需求，传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构以及多 动力机之间的并车机构等由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对 复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很 大的简化控制系统 为了保证钻机的三大工作机组协调的工作，以满足钻井工艺的要求，钻机配备有控制系统 控制方式有机械控制、气控制、电控制和液控制等目前，钻机上常用的控制方式是集中气 控制司钻通过钻机上司钻控制台可以完成几乎所有的钻机控制：如总离合器的离合；各动 力机的并车；绞车、转盘和钻井泵的起、停；绞车的高低速控制等。
井架和底座井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井操作场所，井架用来安装天车、 悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、 绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要 的防喷器和便于泥浆循环辅助设备 为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的防喷器组， 为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备 等五) 国内石油钻机发展现状分析1．石油钻机发展趋势 进入21世纪以来，石油钻机自动化、数字化、智能话、信息化水平快速发展钻机整体向 着交流变频调速电驱动石油钻机(AC-GTO-AC)方向发展随着交流变频技术的迅速发展， 交流变频电驱动石油钻机会取代可控硅直流电驱动钻机，该型钻机具有现用机械驱动钻机和 直流电驱动钻机无可比拟的优越性能，将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代产品 今后，石油钻机发展特点是：(1) 专业化钻机得到快速发展如适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、 斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等⑵规模向两极化方向发展。
深井石油钻机趋向大型化1500M, MAX12500KN)、轻便钻 机趋向小型化(车载为主)3) 钻机控制实现自动化、智能化顶驱、盘式刹车技术逐步成熟，电动控制技术、液压 驱动技术和可靠性逐步提高4) 大力发展新型石油钻机，采用人性化的设计，先进的机械自动化，高效的钻机操作和 监控系统，装置模块化，以提高钻机运移性，最终达到提高钻井效率，大大降低钻井成本的 目的2．国内外石油钻机发展现状及水平(1)国外石油钻机发展现状及水平石油钻机市场具有国际化的原因是石油钻机结构复杂，成套和技术难度大，价格昂贵，每台 售价近千万元到几千万元不等，全世界总共才拥有各类陆地石油钻机4300多台海洋钻机200 - 300多台世界制造石油钻机的国家乃至厂商都不多，总计每年生产成套石油钻机的 能力约600 - 800台左右20世纪90年代以来，国外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机，涌现了许多新结构、 新技术为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，美国、德国、 法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机其中美国National Oilwell公司、Emsco公司、Dreco公司生产的钻机质量最好，使用寿命可超过10~ 15年。
90年代以来，国外在高端钻机、小井眼石油钻机、套管钻机、液压钻机、连续套管钻机、自 动化钻机及钻机配套技术方面发展很快，一些技术已进人实用阶段最具代表的是美国 Nati onal Oilwel l公司，在海洋、极地、陆地、沙漠、车装和斜井钻机等各方面都具有较强的 技术优势，特别是在重型钻井技术上走在国际前列；美国VARCO公司的顶部驱动钻井装置 占市场60~70％的份额，在电子司钻、交流变频驱动单绞车等方面也有技术优势2005年 3月这两家龙头企业以股权置换的方式进行了实质性的合并后，更形成了钻机制造领域一强 称雄的局面此外，挪威MH公司在液压技术上具有优势和特色，开发了新型液压石油钻机、液压绞车、 液压转盘、粹压顶驱装置及液压铁钻工、机械手等产品；意大利Soilmec公司在新型液压钻 机、海洋钻机用折迭式K型井架等技术上也有明显优势2）国内石油钻机发展现状及水平 我国的石油钻机是为开采国内石油发展起来的，改革开放后，国内钻机市场面对世界钻机的 竞争，各钻机制造企业充分认识到，必须以国际市场为研制的出发点才能站稳国内市场根 据“国内市场国际化，国际市场本土化”的大趋势，紧跟国内、国际市场需求，开发石油钻机 前沿技术。
国内目前钻深1000 - 7000m的钻机已形成系列，具备生产1000 - 9000m机械 传动、电驱动、顶部驱动陆地、沙漠、海洋各种成套钻机的能力全国现有大型钻机800台， 中型钻机 166台，其中 87%的大中型钻机都是国产目前，我国成套石油钻机供应商的石油钻机制造技术在许多方面已经达到或接近国际先进水 平近两年我国几家成套石油钻机制造厂经过体制改革，又不失时机地抓住我国为保证石油 供给，加紧开发陆地、沙漠、海洋石油的同时积极参与海外石油开发的良好机遇，得以发展 壮大企业在技术进步、市场开拓、经济效益、出口多方面同步发展，成绩十分显著 总的来说，国内钻机发展水平如下：① 成套石油钻机具有国际竞争力钻机总体质量、技术水平已与国际基本相当② 近几年，国产电驱动钻机发展迅速，控制水平从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典 型三级控制，即上位监控级、PLC过程控制级和全数字级构成通信网络自动控制技术在钻 机上的应用已达到20世纪90年代中期国际钻机先进水平，电传动系统达到美国20世纪90 年代第四代产品水平，交流变频电驱动等钻机已达到90年代国际先进水平从钻机整体看， 达到同期同类国际先进水平的5种，填补国内空白的12种。
③ 钻机在适应性、成套性、品种多样性和系列化、自动化、智能化等方面与发达国家的先进 水平相比还有相当大的差距我国交流变频调速石油钻机的研制刚刚起步，国内生产的电驱 动钻机，将司钻操作台和钻井仪表集中放置到司钻控制房，但各系统仍然是各自相对独立 此外，国外已经相当成熟的8000米以上超深井、沙漠和。