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1、现代钻机发展现状钻机是石油钻井用的成套重型机械设备，是油田上各种机械设备中最大、最 重并具有不可或缺重大作用的装备。可以毫不夸张地说，钻机是油气田的设备之 王。随着石油工业的发展，钻机也在不断发展，钻井能力越来越强，功率越来越 大，传动越来越先进，机械化、自动化程度越来越高。进入 21 世纪以来，石油钻机自动化，数字化，智能化，信息化水平快速发 展。钻机整体向着交流变频电驱钻机方向发展。随着交流变频技术的迅速发展， 交流变频驱动钻机取代可控硅直流电驱动钻机，该型号钻机具有现用机械驱动钻 机和直流电驱钻机无法比拟的优越性能，将成为陆地和海洋石油钻机发展的换代 产品。为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵
2、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可各种类型的石 油钻机。其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位，所以与国际技术接 轨，实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨。近年来国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快，交流变频电驱动已经 广泛使用，顶驱发展也十分迅速。一、国外石油钻机发展现状（一）、交流变频电驱动石油钻机（AC-GTO-AC石油钻机）交流变频电驱动石油钻机是国外新发展起来的一种先进的电驱动石油钻机。 这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和交流电驱动钻 机无可比拟的优越性能。1核心技术交流变频调速
3、技术交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓扑理论、 电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术。专家认为交流变频电驱 动钻机是现代高新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大的生命力，是现代 石油钻机的发展趋势。2发展情况早在1994年National公司生产了一台TAedOOO型交流变频驱动绞车。该绞 车由1台2210kW交流变频电动机通过一个两速齿轮箱直接驱动绞车，省去了传 动链、离合器、带刹车、超越离合器及电磁涡流刹车。其上配备的盘式刹车仅作 为停住钻柱和紧急刹车使用。司钻通过计算机遥控钻机工作，可自动控制游车上、 下行程，自动钻进及自动实现绞车各种保护。由于上述
4、设计大大减少了绞车的空 间尺寸及质量，使交流变频驱动绞车在海上得到广泛应用。后来，国外钻机承包 商纷纷发展 AC-GTO-AC 石油钻机。1）1997下半年至1998年9月，英国北海油田的很多海上平台选用了交流 变频石油钻机，而且把许多平台的直流驱动装置改造为交流驱动。2）1998 年上半年,ALSTON在英国的子公司 CEGELEC BAUTAIL DIVISION 就承接了斯伦倍尔石油公司 5套石油钻机，同时还负责对北海平台 AC-SCR-DC 钻机进行改造。3）在TA-3000绞车基础上，TPC公司于2000年推出了包括动态钻井系统、 扭矩安全系统、泵同步系统、起下钻能量监控系统、防倒扣
5、系统在内的智能化电 驱动钻机，是采用信息技术对传统电驱动钻机改造的典范。3突出特点（1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽；能以极低的速度恒扭 矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选参数钻 井作业十分有利。（2）可使电动机的短时增矩倍数达1.5-2以上，大大提高了钻机的提升能力 和处理事故的能力。（3）由于具有恒功率宽调速特性，故可大大简化钻机的机械结构。（4）具有限制钻盘钻速扭矩功能，可防止钻具或机件扭断。（5）交流变频技术对电机具有安全保护功能。（6）负载功率因数高，接近于 1，具有软起动功能，可降低供电电源的容量。（7）在带载情况下，可平稳启动、制动和调
6、速；在下钻时，可实现对电网能 量反馈，减少制动装置损耗，节约能源。（8）交流电机体积小，单机容量大，价格便宜，没有碳刷换向器，不需制成 防爆型，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理。（9）容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。（10）安装、拆卸、搬迁方便灵活。（二）、激光石油钻机据资料介绍，美国计划在本世纪使用激光钻井技术。美国芝加哥天然气研究 所（GRI ）与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯公 司及美国空军和陆军合作，联合开展了一项激光钻机的研究计划。该项计划实验 室研究中使用了美国国防部星球大战计划开发的两台强大、有效高能的激光器：1、中红外高级化
7、学兆瓦级激光器（MIRACL）菲利普斯公司利用该激光器进行钻孔试验，激光束在 1 秒钟内可穿透 600 毫米厚的砂岩-页岩-砂岩夹层，其穿透速度至少是目前常规钻机的 100倍。2、化学氧化碘激光器（ COIL）该激光器用于深度超过 4500m 的钻井和完井，可以解决井控、侧钻和定向 钻井等问题。特点：精度高，范围大，具有很高的输出功率，并能在光纤中 耦合，且成本低。适用：钻很深的油气井GRI专家认为，对激光钻井的研究，将促进井下激光钻井机械、钻常规井和 小井眼钻机的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的发展。GRI的 主要负责人理查德帕克说：激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命
8、性变化。激光钻机将象20世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来彻底的技术突破。 激光钻井技术的优点：降低钻井成本；提高机械钻速；改善井控；减少钻机平均工作天数和起下钻时间； 减轻磨损；可以精确地控制井眼； 可在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮； 最大限度地减少或取消同心套管。（三）、新型液压石油钻机进人 20 世纪 90 年代以来，随着大功率液压元器件可靠性的提高，特别是 比例插装阀技术水平的提高，挪威 MH 公司采用其特长的液压技术，推出了全 液压驱动的绞车、转盘、钻井泵。与此前已推出的全液压顶驱、管子排放系统、 液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了海洋钻机的机械化、智能化操作系 统。1、组成
9、双作用液压缸、游动轭（轭主体、4个直径为2.8m的滑轮、2个导向座）、 提升钢丝绳（8 根长度固定、平行排列，一端接顶驱装置，一端接钻台上的平衡 器总成）、平衡器总成（补偿液压缸动作的不平衡）、液压缸导向架、顶部驱动装 置、液压系统等部件。2、优点与机械驱动相比，液压驱动有着明显的优势。（ 1 ）重量大大减轻；（ 2）允许钻台台面升高，但并不影响总重量和重心，还可将钻杆立根盒移到 钻台下面；（ 3）钻台载荷能力大，能支撑两个长液缸和转盘；（4）钻杆提升和排放都放在钻台上的槽里，此槽还具有鼠洞功能；（ 5 ）敞开取放钻杆，并可将立根盒排在钻台两边。比如，一台MH-500-20绞车输入功率为198
10、52940kW,质量为30.8t,而National 公司与其相当输入功率为2210kW的绞车（1625UE）质量为37.93t。一台输出 功率为1420kW液压钻井泵质量为8.7t，仅为常规三缸泵的1/3。挪威MH公司最近生产的用液缸直接提升钻具，取代传统功能的绞车， 将其装备在钻深能力为10000m的半潜式钻井平台上。液压驱动具有运动方式转 换容易及体积小、质量轻的长处，在大功率液压元器件可靠性提高的情况下，在 对钻机体积、质量要求严格的场合，如海上平台及高移运性钻机上成为一种发展 趋势。（四）、连续柔管石油钻机连续柔管（Coiled Tubing），又称挠性管或软管，简称CT,是一种高强
11、度连 续制造的钢管。目前制造的连续长度已达 914.47620m。1、发展进程20世纪50-70年代，国外开始研制软管钻机并应用连续管钻井技术钻井，而 连续管钻井技术真正应用在工业上始于上世纪90年代初。近几年连续管钻井技 术发展较快，在钻机、钻具、钻井液设计和钻井理论等方面都有很大的进展。这 些新进展使连续管钻井技术向成熟化迈进了一大步，并进一步拓宽了连续管钻井 的服务市场。2003年，全世界用连续管打了 7000 口井，每年约递增750850 口。用连 续管打井最多的国家是加拿大。多数井是精密钻井公司打的，该公司拥有 11台 连续管钻机，年钻井能力为5001000口。据3000口井的统计，
12、加拿大常规钻 井的成本为43美元/ft,而连续管钻井的成本为33美元/ft。另外，2002年加拿大 用连续管对800口井的3200多层进行了压裂作业。美国利用连续管钻井的数量不到钻井总数的 1%。其中阿拉斯加地区利用连 续管钻井的数量最多，约占总钻井数量的 4%。在阿拉斯加，连续管侧钻井的成 本为利用常规钻井技术钻新井的 1/3。而在美国的本土 48 州，用连续管共打了 300 口井。2、连续柔管钻井技术的优越性（1）节约费用，与常规钻机钻井相比可节约 25%40%。（2）节省钻井时间，加快钻井速度，缩短钻井周期，避免了因接钻杆可能引 起的卡钻、井喷等事故，提高了钻井作业的安全性。（原因：在正
13、常钻井中不用 停泵接钻杆，在起下钻过程中可连续循环钻井液）（3）可内置电缆，改善信号的随钻传输，可以实现随钻测量和闭环钻井。（4）对老井重钻、加深钻或侧钻作业中，因柔管直径小可在不取出油管等设 备的情况下边采边钻，节约作业费用（5）在欠平衡钻井作业中，可确保井下始终处于欠平衡状态，保证作业安全， 减少钻井液漏失，防止地层伤害。（6）井场占地面积小，特别适合于海洋平台，地面条件受限制的边远地区勘 探和边际油田开发。（7）由于柔管尺寸小，特别适合钻小井眼井。（8）井场地面设备占地少，钻井废弃物少，噪音小，有益于环境保护。（9）钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快速。连续柔管技术的应用还受到一些因素的
14、限制。目前的连续柔管作业机还只能 用于钻井，而钻井前期的准备阶段、下套管、下尾管、完井等都要用常规钻机。 井眼尺寸小；连续柔管本身寿命较短。3、连续柔管钻井系统的组成包括作业机及其辅助装置、循环系统等地面设备、连续柔管和井下工具。（1）连续柔管作业机连续柔管注入头（牵引起下设备）：克服浮力和摩阻力将柔管下入井筒内； 悬挂连续柔管并控制其下放和提升速度；底部装有载荷传感器，在控制台处显示 柔管柱重量和提升力。卷筒：用于绕连续柔管，筒芯直径大小取决于要卷绕的柔管直径和长度。（2）连续柔管材料：碳钢（482.58MPa）、调质合金钢（551.5MPa）、钛钢（967MPa）、玻 璃纤维、碳素纤维（
15、3）井下钻具组合 连续柔管钻井用钻头、井下动力钻具、钻铤与测量仪与常规钻井所用的相同， 但连续柔管接头、定向工具、紧急断开接头等则是专门设计的工具。连续柔管接头用于联接连续柔管和井下工具组合，并避免井下钻具振动冲击 对连续柔管造成损害。紧急断开接头的作用是：当钻头或钻铤在井眼中卡住时，能使连续柔管与井下钻具断开。4、近年来连续管钻井技术和设备的最新进展（1）数据和动力传输热塑复合连续管 壳牌国际勘探和生产公司研制出数据和动力传输热塑复合连续管。这种连续 管由热塑衬管和缠绕在外面的碳或玻璃热塑复合物层组成，并把光导纤维或铜导 线埋在复合连续管的管体中。这种动力和数据传输连续管可负荷 1.5kV 的电压， 输出功率为20kW，输出距离为7km,耐温为150C。（2）增加连续管钻井位移的新工具 大位移技术公司研制成功降摩阻器。降摩阻工具是一种由机械阀驱动的双作 用液压缸，这种降摩阻器可使钻具进行微小的往复运动。使用时把降摩阻器连接 在钻具总成的上方。在降摩阻器的作用下使连续管产生纵向振动。活塞长度为 50100mm,振动频率为28Hz。产生振动的钻井液排量与活塞的长度成反比， 一般为100150L/mi n,使用旁通阀后可使排量大幅度上升。（3）混合钻机继 Tuboscopes CT/PC 集团公司研制出混合钻机后，贝克休斯公司也研制出 混合钻机。这种钻机在修井和安装
