國內(nèi)外石油鉆機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

(一)總體設(shè)計技術(shù)

石油鉆機是完成石油鉆井任務(wù)的主要工具。從其出現(xiàn)之日起，就與鉆井工藝密不可分。相互促進，共同發(fā)展。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外鉆井技術(shù)和裝備也得到了長足的發(fā)展?；仡欍@井技術(shù)和裝備發(fā)展的歷史，可以看到促進鉆井技術(shù)及裝備的發(fā)展的動力主要有：提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度；降低消耗；提高可靠性、安全性和環(huán)保要求；以及經(jīng)濟性要求——將成本降到最低。對鉆機的要求可從鉆井工藝的發(fā)展需求上看出：

※鉆井速度更快

1、起升系統(tǒng)能力不斷加大

隨著鉆井工藝的不斷完善，特別是隨著定向井、水平井鉆井工藝的不斷成熟，鉆井深度不斷加大，或有一些大斜度井、水平井，雖然垂直深度并不大，但水平位移大。這就要求鉆機的起升能力不斷加大。更由于海洋深水鉆井作業(yè)的需要，使鉆機的起升能力達到空前的高度。如今，鉆井深度為7000m的鉆機已很普遍，9000m～15000m鉆機也已出現(xiàn)，15000m以至更大鉆機的出現(xiàn)也是指日可待的。隨著鉆機起升能力的加大，也伴隨著如頂驅(qū)、鉆井泵等裝置的不斷加大，從而引起鉆機設(shè)計、制造上的不斷突破。

2、絞車、鉆井泵功率不斷加大

在起升能力加大的同時，要提高鉆井效率，必須要提高絞車和鉆井泵的功率。絞車功率已從2205kW（3000hp）到2941kW（4000hp）以至出現(xiàn)了4412kW（6000hp）的絞車。鉆井泵也從735kW～956kW（1000hp～1300hp）到1176kW（1600hp）以至出現(xiàn)了1618kW（2200hp）的鉆井泵。同時，鉆井泵的最高泵壓也從20MPa升高到35MPa。鉆井泵功率的加大和配置臺數(shù)的增多，以及最高泵壓的加大，也使得實現(xiàn)深井和超深井的高壓噴射鉆井工藝成為可能。也就提高了鉆井的效率。

3、控制參數(shù)不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，特別是隨鉆測量系統(tǒng)的不斷成熟，鉆進過程中司鉆要監(jiān)視和控制的參數(shù)也不斷增多。從原有的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓三個主要參數(shù)，增加到8～10個之多。這就要求鉆機的測量控制系統(tǒng)有更高的能力。在加裝多參數(shù)測量儀的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了數(shù)字化鉆機，以至智能化鉆機。當然，計算機技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)的不斷完善和全面普及，無疑是促進鉆機向數(shù)字化，以至智能化方向發(fā)展的強有力的推動力。

4、輔助設(shè)備不斷增多

為不斷提高鉆井速度和鉆井效率，減少工人的勞動強度，井場輔助設(shè)備也不斷增多。主要體現(xiàn)在：

(1)鉆井液固相控制設(shè)備的增多：鉆井液固相控制設(shè)備由原有的振動篩、除砂器、除泥器、除氣器，增加了離心分離機，（真空）除氣器。鉆井液配置設(shè)備也增加了如剪切泵，出現(xiàn)了密封的添加劑加入裝置等。

(2)氣液分離設(shè)備和油水分離設(shè)備的增多。

(3)井口機械化程度不斷提高：液壓套管扶正機、二層臺液壓機械手、鉆柱機械化上下臺設(shè)備。

(4)氣源凈化和強制冷卻設(shè)備等專用輔助設(shè)備。

※適應(yīng)性更廣

1、鉆機分檔合理

2、驅(qū)動方式多樣化

3、機械化程度不斷提高

4、自動化程度不斷提高

5、智能化程度不斷提高

6、新型鉆井方式不斷出現(xiàn)

※消耗降低

1、功率分配更合理

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計更巧妙

3、占地面積小

4、短距離整體移動

5、完井方式的改變

※可靠性、安全性、環(huán)保要求不斷提高

1、部件、整機的可靠性要求不斷提高，故障停機時間有嚴格要求。

2、部件、整機的可維護性提高，在規(guī)定的時間內(nèi)可修復。

3、HSE（健康、安全、環(huán)保）要求提高。包括HSE設(shè)計理念和HSE管理體系的形成。

※經(jīng)濟性要求不斷提高

1、鉆機配套更靈活。

2、鉆機根據(jù)不同環(huán)境需求專門設(shè)計、制造。

3、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵要求獨立驅(qū)動

※靈活性提高

1、配套更靈活

2、運移方式多樣化

3、井架形式多樣化

4、底座形式多樣化

◎概括起來，鉆機設(shè)計、制造的趨勢如下：

1、全面規(guī)劃、合理布局

制訂標準，使絞車按功率合理分級，鉆機按鉆井深度合理分級，常規(guī)鉆機嚴格按標準設(shè)計、制造，使用戶更方便的選擇，更靈活、經(jīng)濟的使用鉆機。

2、部件標準化設(shè)計制造

鉆機大部件，如：絞車、大鉤、游車、水龍頭、鉆井泵等，按標準分級成標準化的部件，鉆機設(shè)計時像搭積木式的選用即可。

3、鉆進驅(qū)動方式多樣化

現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤驅(qū)動、底部驅(qū)動、頂部驅(qū)動和復合驅(qū)動等驅(qū)動方式，可供用戶根據(jù)需要選擇。

4、測量控制系統(tǒng)進一步加強

測控系統(tǒng)從井口控制到井底測量多點測控，安全監(jiān)控，信息自動測控傳遞，直到智能化鉆機、數(shù)字化鉆機。

5、輔助設(shè)備機械化程度進一步提高

如配備鉆柱自動排放和上下臺裝置、鉆井液處理設(shè)備、防噴器吊裝裝置等。

6、適應(yīng)新工藝的發(fā)展

新型鉆機不斷出現(xiàn)，如小井眼鉆井鉆機、套管鉆井鉆機、連續(xù)管鉆井鉆機、膨脹管鉆井鉆機等。還有如欠平衡鉆井鉆機、空氣鉆井鉆機、泡沫鉆鉆井鉆機等。

◎目前各級鉆機的發(fā)展趨勢

1、對3 000 m以下的鉆機，由于鉆井載荷小、鉆井周期短、搬家頻繁，要求鉆機要具有良好的移運性、經(jīng)濟性、技術(shù)先進性和可靠性。根據(jù)地域條件和運輸條件的要求，可分為車裝鉆機和撬裝鉆機兩種形式，應(yīng)大力推廣車裝鉆機，同時發(fā)展撬裝鉆機，電力供應(yīng)充足的地區(qū)，使用電驅(qū)動鉆機。今后需要開發(fā)高速柴油機、阿里遜傳動箱和小節(jié)距傳動鏈條。

2、4 000 m鉆機是當前乃至今后一個時期內(nèi)在國內(nèi)使用的主力機型鉆機，市場需求量較大。該級別鉆機要充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、運輸單元少、拆裝方便、移運快捷、可靠性高、價格適中等特點。對于該級別鉆機應(yīng)以機械驅(qū)動鉆機為主，其重點是發(fā)展機電復合型鉆機、適當發(fā)展交流變頻電驅(qū)動鉆機。

3、5 000—9 000 m鉆機，由于多用于鉆探井、深井和開發(fā)井，對該級別鉆機要求技術(shù)含量高、性能先進、質(zhì)量可靠、操作維修簡便、機械化、自動化、智能化程度高，并具有良好的移運性。

4、提高鉆機集裝化程度和高移運性能，是今后亟待解決的重點。大型鉆機應(yīng)采用輪式運輸方式；中、小型鉆機應(yīng)采用獨立驅(qū)動大模塊運輸形式或車載形式。要實現(xiàn)的關(guān)鍵是必須對模塊合理組合，簡化傳動結(jié)構(gòu)、減小設(shè)備外形尺寸和減輕設(shè)備重量等方面下功夫。

5、10000 m級鉆機在國內(nèi)尚屬空白，為適應(yīng)向更廣闊領(lǐng)域及更深層埋藏油氣資源勘探開發(fā)的需要，應(yīng)積極進行前期開發(fā)。

(二)鉆機主機

經(jīng)過50多年的努力，特別是改革開放后20多年的發(fā)展，目前國產(chǎn)石油鉆機已經(jīng)形成了比較完整的系列，在品種和質(zhì)量上基本能夠滿足在國內(nèi)不同地區(qū)、不同井深和不同環(huán)境條件進行油氣資源勘探，開發(fā)的需要。近年來還有相當數(shù)量的國產(chǎn)鉆機在國外承擔鉆井服務(wù)。寶雞石油機械廠、蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司、南陽二機廠、江漢四機廠等鉆井設(shè)備制造廠已開發(fā)和生產(chǎn)了2 000～9 000 m機械驅(qū)動鉆機、機電復合驅(qū)動鉆機和整拖式、輪式半拖掛整體移運式鉆機；研制了4 000～9 000m各型直流電驅(qū)動鉆機、交流變頻電驅(qū)動鉆機和3 000 m以下各種車裝及撬裝鉆機。發(fā)展方向主要有：

1、提高鉆機的鉆深能力

目前，我國石油鉆機最大鉆深能力為9000 m(4-1/2英寸鉆桿)，滿足不了勝利、塔里木等油田超深井陸上油田鉆井的需要，更滿足不了陸上及海上鉆超深水平井及大位移井的需要，也滿足不了我國工程技術(shù)服務(wù)隊伍出國作業(yè)的特殊需要。目前，我國鉆機絞車的最大功率為1471 kW，而美國Varco 公司的交流變頻絞車功率已達5220kW，德國Wirth公司生產(chǎn)的交流變頻鉆機絞車已達4922kW，鉆深能力可達15 000m。

2、研制大型拖掛鉆機

拖掛鉆機的主要優(yōu)點是移運性好，搬家車次少、時間短，節(jié)約成本，適于在沙漠、平坦地區(qū)作業(yè)。特別在沙漠地區(qū)，如用陸上常規(guī)鉆機鉆井，其運輸將成為主要問題。我國拖掛鉆機最大鉆深能力為5000 m，而在美國7000m拖掛鉆機的技術(shù)已很成熟，顯然我國拖掛鉆機滿足不了工程技術(shù)